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螺桿壓縮機(jī)的幾何抽象的熱力學(xué)優(yōu)化
J Hauser and A Brummer著，曹立恒譯
[摘要]：不同的轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計(jì)和發(fā)展與螺桿壓縮機(jī)的具體應(yīng)用的發(fā)展具有密切聯(lián)系。幾何性能數(shù)據(jù)（以此為標(biāo)準(zhǔn)來描述螺桿式壓縮機(jī)性能與幾何參數(shù)相互依存的關(guān)系）縱斷面優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)性能上的具體改進(jìn)。在這個(gè)過程中，轉(zhuǎn)子型線和空間參數(shù)是主要的因素。和轉(zhuǎn)子型線的前端部分?jǐn)?shù)據(jù)的比較，考慮到空間參數(shù)的數(shù)據(jù)為壓縮機(jī)效率的檢查提供了一個(gè)更好的間隙條件和運(yùn)行評價(jià)。
[關(guān)鍵字]：螺桿壓縮機(jī)的性能，縱斷面優(yōu)化，設(shè)計(jì)新概念。
1導(dǎo)言
一種螺桿壓縮機(jī)的工作特性可以通過實(shí)驗(yàn)，也可以通過綜合模擬程序[1,2]來研究。模擬的復(fù)雜性在于，需要運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，需要實(shí)現(xiàn)和一個(gè)真正的壓縮機(jī)盡可能相似來產(chǎn)生有效的結(jié)果，但這個(gè)過程是非常耗時(shí)的。通過綜合模擬程序的計(jì)算機(jī)輔助是不受歡迎的，但是可以得到有效的結(jié)果。為找到精度與計(jì)算時(shí)間之間的平衡點(diǎn)，通過對抽象的幾何性能數(shù)據(jù)評價(jià)與分析是一個(gè)合理的方法。這種方法的主要特征是通過幾何碼表示螺桿壓縮機(jī)熱力學(xué)性能的行為來減少發(fā)展的時(shí)間。
在幾何性能發(fā)展的領(lǐng)域中，一直試圖評估前面部分的幾何形狀不同的間隙條件。即使是二維觀點(diǎn)，但這種方法已被證明是有用的，說明考慮到直接剖取的應(yīng)用導(dǎo)向要求似乎是有效的。然而，這種方法沒有提供與三維轉(zhuǎn)子的幾何形狀的直接可比性，作為一個(gè)純粹的輪廓提取不可避免的忽略了幾何參數(shù)。這些運(yùn)用對間隙條件有相當(dāng)大得影響，從而對壓縮機(jī)的熱力過程有很大影響。
本研究的目的是要鏈接幾何參數(shù)和她們在性能方面的影響。這個(gè)相互關(guān)系將被集成為幾何性能編碼，然后可以用來減少螺桿壓縮機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率。不管任何實(shí)際運(yùn)行的情況，確定幾何優(yōu)化的總的趨勢將被用來進(jìn)行壓縮機(jī)的評價(jià)。為了比較結(jié)構(gòu)，保持恒定的明智做法是決定哪些機(jī)械和操作參數(shù)是必須的。要確定簡單的幾何數(shù)據(jù)是否可以代替廣泛的測量和模擬對不同壓縮機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率的首要評估，例如，在一種計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化框架過程中。
圖1 一種螺桿壓縮機(jī)的差距現(xiàn)狀
上圖：外殼和前間隙
下圖：廓嚙合間隙（左），吹孔（右）
2幾何參數(shù)的關(guān)系
對壓縮機(jī)的幾何參數(shù)的選擇，如轉(zhuǎn)子直徑，長度，轉(zhuǎn)子包角，和壓縮比，差距相互作用的影響和程度的能量轉(zhuǎn)換。套管的設(shè)置，前端和剖面量是負(fù)責(zé)壓縮機(jī)的內(nèi)部泄露特性，并主要負(fù)責(zé)間隙流動(dòng)損失（圖1）。如果間隙流動(dòng)損失增大，效率損失也會(huì)增大。間隙的類型對螺桿壓縮機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率有不同的影響。相對于目前的壓力狀況，一般認(rèn)為間隙關(guān)于質(zhì)量流量的相對速率的優(yōu)先權(quán)，相應(yīng)的間隙長度在[1,4]一下。
1、 嚙合間隙分布（陽和陰之間的轉(zhuǎn)子）。
2、 套管間隙（根據(jù)齒數(shù)）：
（a）陽轉(zhuǎn)子；（b）陰轉(zhuǎn)子（較大的齒數(shù)比陽轉(zhuǎn)子）。
3、 氣孔。
4、前間隙：
（a）高壓側(cè)；（b）低壓側(cè)。
上面的順序基本上指的是超壓地區(qū)的螺桿壓縮機(jī)。這種機(jī)型在機(jī)械壓縮中的應(yīng)用，這一優(yōu)先次序是由Kauder和Janicki提出的[4]。目前，膨脹間隙的優(yōu)先事項(xiàng)在應(yīng)用程序中的結(jié)果是不可用的。能源轉(zhuǎn)換的評估是以機(jī)械效率作為主要性能指標(biāo)。更重要的是旋轉(zhuǎn)移位機(jī)的容積效率。
幾何評估的框架不包括對轉(zhuǎn)子的幾何形狀沒有直接影響的因素。容積效率水平代表間隙流量的影響。容積效率是受幾何參數(shù)影響的，如轉(zhuǎn)子齒數(shù)參數(shù)配對，轉(zhuǎn)子的長度，包角，長徑比，差距和高度的設(shè)置。
此外，剖面設(shè)計(jì)具有重要作用，因?yàn)樗怯绊懼饕g隙類型的一種配置文件形式。基于參考壓縮機(jī)的配置文件的形式，對壓縮機(jī)的容積效率的影響是可變的。配置文件的任何變化都將直接影響間隙的配置和優(yōu)先順序，反過來又對壓縮機(jī)的泄露有直接影響。事實(shí)上，也應(yīng)考慮到改變分布會(huì)直接影響到機(jī)械尺寸（即最大輸送量）。隨著長度的線性增長，交貨量變小，間隙的影響增大，而在三功率壓縮機(jī)的大小相關(guān)的交貨量增加。
3間隙：幾何性能的驗(yàn)證
在空運(yùn)行的選擇位移機(jī)器的發(fā)展框架中，幾何性能數(shù)據(jù)在進(jìn)行不同的配置文件的比較評估中是有幫助的。用熱力或者機(jī)械流值可以做到。在檢查過程中忽略轉(zhuǎn)子長度和轉(zhuǎn)子包角，轉(zhuǎn)子與二維剖面性能數(shù)據(jù)（例如二維間隙長度與勺面的關(guān)系），到目前為止的物理特征。然而，空間間隙長度是不考慮的。將幾何壓縮參數(shù)（包角和轉(zhuǎn)子長度）轉(zhuǎn)移到產(chǎn)生的間隙現(xiàn)狀似乎是可取的。現(xiàn)在的間隙優(yōu)先級取決于間隙的間隙高度的設(shè)置和輪廓本身。因此，對間隙條件的描述的各種方法應(yīng)在計(jì)算機(jī)輔助形式優(yōu)化程序的框架中建立并驗(yàn)證。
3.1幾何間隙的情況
三維間隙之間的相互關(guān)系的評價(jià)可以有效地反映在轉(zhuǎn)子圖（圖2）。轉(zhuǎn)子的位置是由領(lǐng)導(dǎo)室測定，其中的體積已經(jīng)達(dá)到零。在低壓側(cè)前間隙的影響很小，這不會(huì)考慮到性能數(shù)據(jù)中。不同包角的比較表明，隨著角度的增加，數(shù)字和間隙的總長度將會(huì)增加。那里有一個(gè)相同的壓力比，更大的包角將導(dǎo)致一個(gè)更恒定的壓力梯度，這將導(dǎo)致更高的容積效率。這一評估僅適用于有恒定的理論流量的壓縮機(jī)。間隙條件可以采用于轉(zhuǎn)子，作為一個(gè)單一的差距變動(dòng)（例如在長度或高度），改變其優(yōu)先級和容積效率的影響?；趨⒖級嚎s機(jī)（下標(biāo)11壓縮機(jī)），簡單的組合值的各自的差距表面產(chǎn)生的性能關(guān)系近似值∏1，因?yàn)樗羌俣ǖ娜莘e效率將下降到間隙面積比例（方程（1））.通過增加間隙長度，間隙區(qū)域Agap抵達(dá)到每種情況下的間隙高度。不同的壓縮機(jī)的相似性提供了可參考的交付量達(dá)到（即取決于齒數(shù)）。
圖2 轉(zhuǎn)子嚙合圖指定的轉(zhuǎn)子位置顯示的差距分析
上圖：小包角，下圖：大包角。
CG，套管間隙；BH，氣孔；IMC，嚙合間隙；HP，高壓。
（1）
和
這個(gè)方法僅提供了一個(gè)粗略的估計(jì)的體積效率評估的概要特征與不同的變形角度。這是因?yàn)殚g隙區(qū)域不一定隨著包角的改變而改變，然而容積效率在一種近于不均衡的方式中會(huì)發(fā)生變化。
當(dāng)包角增加時(shí)，間隙所受影響在慢慢減少；隨著間隙總數(shù)的增加，我們可以得出間隙在一種近于不均衡的方式中相對于空隙面積而言會(huì)發(fā)生改變的結(jié)論，所以這個(gè)方程式可以表示如下
(2)
因而，性能代碼∏2代表著一個(gè)溫和的間隙區(qū)域所有的空隙的壓縮機(jī)和交貨量理論之間的關(guān)系。這個(gè)數(shù)量的總差距是通過添加在一起為機(jī)器的總差距而達(dá)到的。在螺桿壓縮機(jī)中，總差距數(shù)大致對應(yīng)于加權(quán)的差距。由于數(shù)量的個(gè)體差距類型在相同的速率中是不會(huì)變化的，所以進(jìn)行個(gè)體差距類型評估是有必要的。
3.2間隙類型評估
前面以包角和分段線性函數(shù)發(fā)生器的長度為依據(jù)的計(jì)算不直接迎合氣隙面積。這意味著不同差距的實(shí)際意義是不被考慮的。通過內(nèi)部和外部的加權(quán)因素各自領(lǐng)域差距的性能數(shù)據(jù)將會(huì)被增加。
（3）
通過研究一個(gè)間隙揭示內(nèi)在加權(quán)因子的影響，隨著壓縮機(jī)參數(shù)的變化也會(huì)導(dǎo)致間隙數(shù)量的變化，這也體現(xiàn)在對間隙面積差距的調(diào)查中。這個(gè)因素涉及到特定區(qū)域的一個(gè)間隙和全部區(qū)域內(nèi)的一個(gè)間隙。在恒定壓力下，差距高數(shù)值有一定的積極影響。外部加權(quán)因子的特定間隙類型來自機(jī)器間隙，以及評估通過間隙面積和計(jì)數(shù)。因此，這個(gè)因素代表著平均面積每個(gè)間隙的特定類型和平均面積的差距之間的關(guān)系。所以，這個(gè)性能代碼使所有重要的呈幾何圖案逐級增加的間隙以及變量值相結(jié)合，這些變量值根據(jù)不同的剖面形式和互相嚙合特性而變化。通過創(chuàng)建這些代碼，一個(gè)間隙類型的面積將被輸入二次形式，間隙的表面組建作為一個(gè)整體只在線性形式，在間隙類型的全部區(qū)域有一種極端缺乏比例，這導(dǎo)致了一個(gè)令人不滿意的差距優(yōu)先的表示法。
3.3單腔檢查的評估
主要負(fù)責(zé)壓縮過程的腔體，在容積效率上有著決定性的影響。隨著包角的增加，間隙的總面積會(huì)增加，但是，過程腔的面積會(huì)大大減少。所以，在對前面定義的轉(zhuǎn)子位置高壓腔（HP）的一次檢查能夠幫助提供更深層的缺口性能價(jià)值。
這些性能值的形成，被稱為∏1，OCM和∏3，OCM是與∏1和∏3用相同的方式進(jìn)行的，在高壓腔的評估∏1，OCM只有表面的差距，不需要考慮轉(zhuǎn)子長度的變化以及適當(dāng)?shù)馗牧嫉陌潜嚷省?
（4）
間隙面積AGap，1來自于高壓腔內(nèi)各個(gè)間隙的結(jié)合，但是卻并不允許間隙優(yōu)先級被確定。這種影響包括一個(gè)代碼∏3，OCM，通過高壓腔內(nèi)的氣隙和氣隙的總面積之間的關(guān)系會(huì)產(chǎn)生一個(gè)加權(quán)因子（方程（5））。對與恒定包角而言，增加轉(zhuǎn)子的長度避免地導(dǎo)致一個(gè)更均勻的壓力分布在整個(gè)機(jī)器，因此就會(huì)有更多的腔在在高壓和低壓面之間。
（5）
加權(quán)因子αGap，i因而，加權(quán)因子表達(dá)著機(jī)器高壓間隙類型區(qū)域到全部間隙類型區(qū)域的關(guān)系。解決這個(gè)問題似乎是可取的，有相同的包角，齒對齒數(shù)不同是可以比較的。隨著齒數(shù)的增加，加權(quán)因子αGap，i會(huì)減少，這對應(yīng)于在個(gè)別間隙類型優(yōu)先減少差距，和容積效率隨之提高。
所有這些性能指標(biāo)基本上是適用于基于他們的間隙區(qū)域的值的機(jī)器的定性評價(jià)，而不是一個(gè)定量表示的容積效率和壓縮機(jī)的整體效率。它們將作為在不同的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的相對幾何評估的第一步（例如在計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化過程）。
4在優(yōu)化中的應(yīng)用
實(shí)施上述定義的性能代碼后，有必要檢查它們的輔助輪廓生成的有效性。為了這個(gè)目的，一個(gè)優(yōu)化策略的螺桿轉(zhuǎn)子型線的使用進(jìn)化的方法是采用[ 5 ]。轉(zhuǎn)子兩翼的表示是通過基于曲線（NURBS)的一個(gè)非均勻有理樣條方法（6）。該參照機(jī)器的幾何參數(shù)列于表1。進(jìn)一步的優(yōu)化過程的一般要求是30個(gè)轉(zhuǎn)子和最多100000的優(yōu)化步驟的樣本大小。對齒轉(zhuǎn)子型線的曲線是由3個(gè)多項(xiàng)式表示，和12個(gè)控制點(diǎn)。
表1 該參照機(jī)器參數(shù)（下表11）
轉(zhuǎn)子長度
100mm
嚙合關(guān)系（陽-陰轉(zhuǎn)子）
3/5
包角（陽-陰轉(zhuǎn)子）
200°/120°
間隙高度設(shè)置
0.1mm
參數(shù)優(yōu)化
陽轉(zhuǎn)子型線，用12個(gè)控制點(diǎn)，多項(xiàng)式曲線：3，滾環(huán)固定，冠根界不固定
表1 該參照機(jī)器參數(shù)
配置文件生成的嚙合條件遵循一般齒輪傳動(dòng)法。由于間隙類型對一般壓縮階段的一般過程的影響，忽略在低壓側(cè)前轉(zhuǎn)子間隙產(chǎn)生的性能數(shù)據(jù)?？紤]到這些只有在壓縮機(jī)的容積效率與其他間隙類型相比較時(shí)的邊際影響。為了檢查數(shù)據(jù)的有效性，優(yōu)化過程中故意開始于一個(gè)參考輪廓分歧很大的一個(gè)現(xiàn)代的標(biāo)準(zhǔn)曲線，見圖3。這反映在氣孔很大的相對面積。這項(xiàng)任務(wù)是為了確定最小化的性能數(shù)據(jù)是否用于修改配置文件生成的現(xiàn)代轉(zhuǎn)子型線，改變間隙區(qū)的關(guān)系，使其與正常的關(guān)系線在現(xiàn)代螺桿壓縮機(jī)。優(yōu)化的配置在圖3中可以看到。相關(guān)數(shù)據(jù)∏1到∏3，OCM是通過壓縮機(jī)的容積效率與間隙面積之間的評估和百分比變化得到的。與參照機(jī)相比，間隙特性設(shè)定在百分之100，個(gè)別之間的基本差異可以看出。
優(yōu)化結(jié)果表明，任何情況下剖面長度增加了百分之10，通氣孔的面積會(huì)大大減少。相比于參照機(jī)，極小的∏1減少氣孔面積的百分之65，第二代嗎的c.百分之70，最后代碼減少高達(dá)百分之90。很明顯，剖面量差距在吹孔面積減少上具有相對的特征，因?yàn)榇悼酌娣e基本導(dǎo)致嚙合間隙擴(kuò)大。這不一定意味著在這些間隙間有一個(gè)線性互聯(lián)關(guān)系，代碼∏2相對于∏3，OCM允許在剖面上有更大的改變，結(jié)果只在一個(gè)較小的比例間隙變化的氣孔。
操作碼，沒有顯著的減少氣孔面積，而是顯示殼體間隙的較大變化。這可以通過轉(zhuǎn)子頂圓直徑的增加來解釋。這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的前面間隙面積減少。代碼∏3，OCM降低區(qū)域區(qū)的組成部分，尤其是對女性的轉(zhuǎn)子側(cè)，由于減少在女性冠圈和一個(gè)窄分布的陰轉(zhuǎn)子本身。適用代碼∏3，OCM氣孔面積最大減少只能通過配置一個(gè)狹窄的實(shí)現(xiàn)形式，指出女性轉(zhuǎn)子。
每個(gè)壓縮機(jī)中的間隙類型面積分布圖5所示。該參照機(jī)器的配置文件的形式有間隙型分布是不典型的干式螺桿壓縮機(jī)。本文選擇輪廓已經(jīng)導(dǎo)致了一個(gè)非常大的氣孔面積，占孔隙面積百分之五十八。第二大面積的嚙合間隙占間隙面積的百分之三十六。陽和陰轉(zhuǎn)子殼體間隙各占總面積的百分之三。比較中在高壓側(cè)前面的間隙占很小比例，達(dá)不到百分之一。最低的運(yùn)營價(jià)值從∏1到∏3，OCM會(huì)分布在每一種情況下不同的間隙區(qū)域。這種分布表現(xiàn)出個(gè)人的間隙加權(quán)內(nèi)的代碼框架，依賴于幾何參數(shù)。所有操作碼的效果在氣孔面積減少的程度不同，再加上增加的廓嚙合區(qū)和間隙面積。通過前面的間隙的作用仍然是一個(gè)次要的。代碼的比較表明，編碼∏3，OCM達(dá)到各個(gè)地區(qū)最大的百分之七十七，百分之十二的氣孔面積，和百分之五的間隙面積。
圖3 該參考剖面和解決方案，利用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的剖面圖3表示的優(yōu)化設(shè)置。
左邊：∏1，中間：∏2，右邊：∏3，OCM（黑色），參考資料（灰色）。
圖4 間隙面積與輸送量相關(guān)的百分比
與目前使用的干運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子型線相比較表明，優(yōu)化過程中的推力包括間隙類型的百分比，應(yīng)用不螺桿壓縮機(jī)領(lǐng)域走上了正軌，見圖五。特別是代碼∏3，OCM可以實(shí)現(xiàn)符合現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域分布的間隙類型。對間隙面積關(guān)系的不精確的實(shí)現(xiàn)可能的原因可以歸結(jié)為剖面的生成過程的局限性和遵守一般的傳動(dòng)規(guī)律，現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)分布不一定需要遵守傳動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。
圖5 間隙類型比例區(qū)
4修改幾何參數(shù)
在發(fā)展框架的操作碼，需要對幾何變化的熱力學(xué)工作性能的影響進(jìn)行評估。在縱斷面優(yōu)化好的結(jié)果來看，也要檢查改變包角和間隙高度的影響，采用代碼∏3，OCM，見圖六。本程序師對代碼∏3，OCM進(jìn)行了優(yōu)化。參考點(diǎn)在200°包角。角可以從140°變化到220°。
圖6 操作碼∏3，OCM/（∏3，OCM）OPT的變化對陽轉(zhuǎn)子包角和間隙高度的影響（參考陽包角=200°）。OPT，最后基于操作代碼∏3，OCM型優(yōu)化配置結(jié)果：（a）所有間隙高度設(shè)置：0.1mm，（b）相互嚙合的間隙高度的變化：+0.1mm，（c）陽套管間隙高度的變化：+0.1mm，（d）陰套管間隙高度的變化：+0.1mm，和（e）前間隙高度的變化（高壓）：+0.1mm
可以觀察到當(dāng)包角小時(shí)，性能數(shù)據(jù)關(guān)系小于一。數(shù)據(jù)大于一說明小包角保持腔的體積不見降低容積效率。因此，改變間隙面積比的唯一途徑是改變的包角。然而，可以觀察到性能下降值與較大包角之間的關(guān)系。隨著從大到小包角的減少梯度不斷陡峭，最大限度地減少性能的價(jià)值關(guān)系會(huì)導(dǎo)致容積效率的增強(qiáng)。隨著包角的增大，腔容積會(huì)逐漸變小，將導(dǎo)致一個(gè)較大規(guī)模的壓縮機(jī)。在代碼生成過程中，間隙分布比增加包角與整機(jī)尺寸的增加相比較，表明會(huì)降低容積效率的影響。
此外，隨著包角的變化，一個(gè)單一的間隙型間隙高度會(huì)改變0.1mm。在間隙類型增加的影響，特別市嚙合間隙，對螺桿壓縮機(jī)的容積效率已經(jīng)得到充分的研究[4]。在文獻(xiàn)[4]中可以找到被轉(zhuǎn)移到所有的干運(yùn)動(dòng)螺桿增壓器與一個(gè)3-5齒的關(guān)系。這清楚的表明了嚙合間隙和腔的容積效率的主要影響因素。對于腔間隙而言，陽套管間隙對性能的影響大大超過陰套管間隙。這與陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)少有關(guān)。在這些間隙比較中，高壓側(cè)前間隙對容積效率的影響不大。
這種行為是由操作碼∏3，OCM表示。常規(guī)包角和間隙改變0.1mm，改變嚙合間隙對操作碼的關(guān)系影響最大。接下來是套管間隙對陽轉(zhuǎn)子側(cè)，對陰轉(zhuǎn)子側(cè)，并且高壓側(cè)前間隙影響最小。
間隙包角區(qū)的操作碼變化的影響程度不同。與小包角比較，個(gè)體間隙的相對影響力上升，對嚙合間隙和陽轉(zhuǎn)子殼體的間隙的影響明顯上漲。這可以解釋為陽轉(zhuǎn)子的低齒數(shù)與陰轉(zhuǎn)子相比。隨著包角的增大，間隙高度對操作碼的影響減小，因此，低齒數(shù)對陽轉(zhuǎn)子的影響越來越小。然而，很定的間隙高度的變化對嚙合間隙的操作碼和容積效率關(guān)系的影響最大。
4總結(jié)和展望
描述了這項(xiàng)研究中的操作碼相對于螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行性能的對比評價(jià)，得出這種類型機(jī)器的幾何參數(shù)。操作碼與一個(gè)二維表示的相比，這里介紹的代碼考慮到轉(zhuǎn)子的長度和包角，實(shí)現(xiàn)了在評價(jià)中的最大的有效性。內(nèi)部和外部的加權(quán)因子，連接和間隙優(yōu)先級比較直接和交互，可以擴(kuò)展操作碼的有效性。如果這里介紹的代碼是與縱斷面優(yōu)化相關(guān)，高壓腔的相關(guān)價(jià)值會(huì)成為目標(biāo)導(dǎo)向?？傊瑤缀涡阅芤?guī)范的發(fā)展表明，可以比較不同的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)和通過這種方式設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子，并對其進(jìn)行評價(jià)。這里所描述的幾何參數(shù)之間的相互關(guān)系提供了在開發(fā)過程的早期階段評估自己的比較效率的轉(zhuǎn)子型線的選擇。下一步將要檢查的代碼適用于其他各種幾何參數(shù)，如長度–直徑比，并處理不同的間隙高度。實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)或全面的熱力學(xué)模擬計(jì)算（例如通過卡西姆[ 3，4 ]），可以作為比較的基礎(chǔ)。從純轉(zhuǎn)子幾何擴(kuò)展到一半壓縮機(jī)的幾何形狀，從而決定能量轉(zhuǎn)換過程中的充電周期間隙的影響的幾何關(guān)系仍然是可取的。
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第 12 頁 共 12 頁
畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))
題目名稱： 雙螺桿壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)
題目類型： 畢業(yè)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名: 曹立恒
院 (系)： 機(jī)械工程學(xué)院
專業(yè)班級： 裝備10901
指導(dǎo)教師： 周志宏
輔導(dǎo)教師： 周志宏
時(shí) 間：2013年4月1日至2013年6月8日
目 錄
長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書 I
雙螺桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)開題報(bào)告 IV
長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評審意見 XI
長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)評閱教師評語 XII
長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯記錄及成績評定 XIII
雙螺桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)摘要 XIV
前 言 1
1 選題背景 3
1.1 研究雙螺桿壓縮機(jī)的目的和意義 3
1.2 雙螺桿壓縮機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用前景 4
1.2.1雙螺桿壓縮機(jī)的特點(diǎn) 4
1.2.2雙螺桿壓縮機(jī)的應(yīng)用前景 4
1.3 國內(nèi)外雙螺桿壓縮機(jī)研究的進(jìn)展 5
1.4 雙螺桿壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 6
1.4.1基本結(jié)構(gòu) 6
1.4.2工作原理 7
2 雙螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì) 10
2.1 轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)原則 10
2.1.1轉(zhuǎn)子型線及其要素 10
2.1.2轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)原則 10
2.2 型線方程和嚙合線方程 11
2.2.1坐標(biāo)系建立及坐標(biāo)變換 11
2.2.2齒曲線及其共軛曲線 12
2.3 單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線 15
3雙螺桿空氣壓縮機(jī)陰陽轉(zhuǎn)子尺寸計(jì)算 25
4幾何特性 26
4.1齒間面積和面積利用系數(shù) 26
4.1.1齒間面積 26
4.1.2面積利用系數(shù) 27
4.2扭角系數(shù) 27
4.3 齒間容積及其變化過程 27
4.3.1齒間容積 27
4.3.2齒間容積的變化 28
5雙螺桿壓縮機(jī)的熱力學(xué)計(jì)算 31
5.1內(nèi)壓力比 31
5.2容積流量及容積效率 31
5.2.1理論容積流量 31
5.2.2實(shí)際容積流量 32
5.3軸功率及絕熱效率 32
5.3.1等墑絕熱壓縮功率 32
5.3.2螺桿壓縮機(jī)的絕熱效率及實(shí)際軸功率 32
5.4電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算 33
6螺桿壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 33
6.1吸氣孔口的設(shè)計(jì) 33
6.1.1軸向吸氣孔口的設(shè)計(jì) 33
6.1.2徑向吸氣孔口的設(shè)計(jì) 34
6.2排氣孔口的設(shè)計(jì) 34
6.2.1軸向排氣孔口的設(shè)計(jì) 35
6.2.2徑向排氣孔口的設(shè)計(jì) 35
7雙螺桿壓縮機(jī)的力學(xué)計(jì)算 36
7.1 徑向力的計(jì)算 37
7.1.1坐標(biāo)系 37
7.1.2計(jì)算工況 37
7.1.3平面圖形的靜矩和重心 37
7.1.4作用在轉(zhuǎn)子上的徑向力 38
7.2軸承支反力 38
7.3軸向力的計(jì)算 39
8主要零部件的選材和設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………43
8.1機(jī)體…………………………………………………………………………………………….44
8.2轉(zhuǎn)子 40
8.3軸承 40
8.4密封 41
8.5同步齒輪的計(jì)算……………………………………………………………………………….45
8.6聯(lián)軸器的計(jì)算 42
9 噪聲控制 43
10結(jié)論......................................................................................................................................................45
參考文獻(xiàn)...................................................................................................................................................45
致謝 47
長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書
學(xué)院（系） 機(jī)械工程 專業(yè) 過程裝備與控制工程 班級 裝備10901
學(xué)生姓名 曹立恒 指導(dǎo)教師/職稱 周志宏/教授
1．畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：
雙螺桿壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)
2．畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）起止時(shí)間：2013年4月1日～2013年6月8日
3．畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導(dǎo)教師選定部分）
資料：
i. SHEN Jing-feng, YAO Fu-sheng. Computer-Aided Design System for CP Single Screw Compressor. Front. Mech. Eng. China,2006(1): 21–25
ii. Kovacevic, A. CFD and stress analysis in screw compressor design. FLUID MACHINERY APPLICATIONS, 2003
iii. N. Seshaiah , Subrata Kr. Ghosh, R.K. Sahoo, Sunil Kr. Sarangi. Mathematical modeling of the working cycle of oil injected rotary twin screw compressor. Applied Thermal Engineering 27 (2007) 145–155
原始數(shù)據(jù)：
壓縮機(jī)排氣量: 3.2m3/min
工作壓力: 1.0MPa
4．畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)應(yīng)完成的主要內(nèi)容
(1) 雙螺桿空氣壓縮機(jī)的進(jìn)展
(2) 雙螺桿空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線的選擇與設(shè)計(jì)
(3) 雙螺桿空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子三維設(shè)計(jì)
(4) 雙螺桿空氣壓縮機(jī)的容積效率計(jì)算
(5) 雙螺桿空氣壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5．畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的目標(biāo)及具體要求
具體要求：
總裝配圖1張；零件圖若干張。
6、完成畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)所需的條件及上機(jī)時(shí)數(shù)要求
上機(jī)100小時(shí)
任務(wù)書批準(zhǔn)日期 2013 年 3 月10日 教研室(系)主任(簽字)
任務(wù)書下達(dá)日期 2013 年 4月1日 指導(dǎo)教師(簽字)
完成任務(wù)日期 年 月 日 學(xué)生（簽名）
長江大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告
題 目 名 稱 雙螺桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)
學(xué) 院（系） 機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級 裝備10901
學(xué) 生 姓 名 曹立恒
指 導(dǎo) 教 師 周志宏老師
輔 導(dǎo) 教 師 周志宏老師
開題報(bào)告日期 2013.4.22
III
雙螺桿壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)
學(xué)生：曹立恒，機(jī)械工程學(xué)院
指導(dǎo)老師：周志宏教授，機(jī)械工程學(xué)院
1題目來源
生產(chǎn)/社會(huì)實(shí)踐。
2設(shè)計(jì)研究目的和意義
本設(shè)計(jì)題目來源是自選科研。本課題主要是設(shè)計(jì)通用的噴油雙螺桿空氣壓縮機(jī)。在深刻理解前人研究的理論基礎(chǔ)上，在給定設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求的條件下，研究雙螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子型線、幾何特性、工作過程、受力分析及轉(zhuǎn)子的加工，以進(jìn)一步提高雙螺桿壓縮機(jī)的機(jī)械性能。設(shè)計(jì)新型轉(zhuǎn)子型線，使接觸線長度、泄漏三角形面積和封閉余隙容積3者達(dá)到最優(yōu)化。利用自備砂輪修正器的轉(zhuǎn)子專用數(shù)控磨床，快速加工出新型線的轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的精度和表面粗糙度預(yù)計(jì)超過現(xiàn)有的值。設(shè)計(jì)吸氣孔口的形狀和合理位置，來提高壓縮機(jī)效率。同時(shí)，研究型線和孔口配置等因素對噪聲的影響指標(biāo)，從而更有效地降低噪聲。通過設(shè)計(jì)雙螺桿壓縮機(jī)，可以了解雙螺桿壓縮機(jī)的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向；深入理解雙螺桿壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、主要零部件設(shè)計(jì)選型、主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)；重點(diǎn)研究的是雙螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子型線、幾何特性、工作過程、受力分析、轉(zhuǎn)子加工和主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定。通過設(shè)計(jì)，能了解設(shè)計(jì)的一般要求和規(guī)則，能將理論知識與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系起來。
雙螺桿壓縮機(jī)是一種比較新穎的壓縮機(jī)，因其可靠性高、操作維修方便、動(dòng)力平衡性好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛地應(yīng)用于礦山、化工、動(dòng)力、冶金、建筑、機(jī)械、制冷等工業(yè)部門。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，螺桿壓縮機(jī)的銷售量已占所有容積式壓縮機(jī)銷售總量的80%以上，在所有正在運(yùn)行的容積式壓縮機(jī)中，有50%是螺桿壓縮機(jī)，今后螺桿壓縮機(jī)的市場份額仍將不斷擴(kuò)大?？梢钥闯觯輻U壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)研究在工業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的意義。通過本設(shè)計(jì)，可以充分了解雙螺桿壓縮機(jī)的有關(guān)知識，以及如何進(jìn)一步改善其性能和擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，使雙螺桿壓縮機(jī)能得到更好的發(fā)展，為生產(chǎn)和生活服務(wù)?？梢詫⑺鶎W(xué)理論知識與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系起來，并積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為以后的工作打下了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
3國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向
螺桿壓縮機(jī)的螺桿齒形發(fā)展體現(xiàn)在以下四個(gè)階段：第一代為Lysholm齒形，主要線段由點(diǎn)生成擺線組成，限于當(dāng)年加工條件，主要用于無油螺桿壓縮機(jī)；第二代為1964年的對稱圓弧齒形，4+6齒，主要線段由圓弧和與之嚙合的圓弧包絡(luò)線組成，動(dòng)力用螺桿壓縮機(jī)為主要應(yīng)用對象；第三代為非對稱齒形SRM，4+6齒，主要線段由生成擺線和圓弧包絡(luò)線組成，其效率較第二代提高10%，廣泛用于噴油和無油螺桿壓縮機(jī)；第四代，1982年后以SRM-D齒形為代表，5+6齒，4+5齒，5+7齒，主要線段為線生成式曲線，無尖點(diǎn)，凡第四代齒形均為節(jié)能型。
近年來，人們逐漸對內(nèi)部進(jìn)行噴油的雙螺桿壓縮機(jī)產(chǎn)生了興趣。由于精密的專用數(shù)控轉(zhuǎn)子加工銑床和磨床已經(jīng)使任何型線的加工變得很方便，大量的研究工作在型線方面。其次陰、陽螺桿齒數(shù)從6：4發(fā)展到6：5。
日本的神鋼與日立公司，在將近50年的時(shí)間里不斷成功地開發(fā)出了節(jié)能明顯的各種系列螺桿壓縮機(jī)。從某種程度而言，日本的空壓機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展代表了當(dāng)今世界空壓機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向。
雙螺桿壓縮機(jī)在我國的發(fā)展歷程較短，是一種比較新穎的壓縮機(jī)，但其發(fā)展很快。目前，我國的噴油內(nèi)冷卻的動(dòng)力用雙螺桿壓縮機(jī)比功率已達(dá)5.56KW（ /min），已超過國外產(chǎn)品最好的比功率5.54KW（ /min）。封閉式螺桿空壓機(jī)噪聲可達(dá)60-85dB(A),國外螺桿壓縮機(jī)無故障運(yùn)行在7* h，國內(nèi)螺桿壓縮機(jī)壽命可達(dá)4* h。西安交大刑子文教授開發(fā)的“SCCAD”螺桿設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，已轉(zhuǎn)交給多家海內(nèi)外企業(yè)應(yīng)用。螺桿壓縮機(jī)在國外占據(jù)80%以上移動(dòng)式空壓機(jī)市場，國內(nèi)市場因柴油機(jī)方面的原因占份額不大，只有外資產(chǎn)品占有較少市場，螺桿空氣壓縮機(jī)占螺桿壓縮機(jī)總量的85%，制冷空調(diào)方面螺桿壓縮機(jī)約占12%?？梢哉f，我國的個(gè)別企業(yè)的螺桿壓縮機(jī)已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。
今后螺桿壓縮機(jī)的市場份額仍將不斷擴(kuò)大，特別是無油螺桿空氣壓縮機(jī)和各類螺桿工藝壓縮機(jī)，會(huì)獲得更快的發(fā)展。目前，有人開始研究兩螺桿嚙合過程中磨損問題和潤滑油在齒面上的分布，以提高轉(zhuǎn)子壽命。有文獻(xiàn)報(bào)道已可做到無磨損嚙合。在制冷中，對于Co 作制冷劑的跨臨界循環(huán)，用螺桿壓縮機(jī)與螺桿膨脹機(jī)組成一體的機(jī)組已經(jīng)被開發(fā)。未來主要是進(jìn)一步提高螺桿壓縮機(jī)的性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
4主要研究內(nèi)容及解決思路
4.1雙螺桿空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線的選擇與設(shè)計(jì)
4.1.1轉(zhuǎn)子型線及其要素
螺桿壓縮機(jī)最關(guān)鍵的是一對相互嚙合的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的齒面與轉(zhuǎn)子軸線垂直面的截交線稱為轉(zhuǎn)子型線。
對于螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線的要求，主要是在齒間容積之間有優(yōu)越的密封性能，因?yàn)檫@些齒間容積是實(shí)現(xiàn)氣體壓縮的工作腔。對螺桿壓縮機(jī)性能有重大影響的轉(zhuǎn)子型線要素有接觸線、泄漏三角形、封閉容積和齒間面積等。
4.1.2轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)原則
（1）滿足嚙合要求。螺桿壓縮機(jī)的陰、陽轉(zhuǎn)子型線必須是滿足嚙合定律的共軛型線。
（2）形成長度較短的連續(xù)接觸線。為了盡可能減少氣體通過間隙帶的泄漏，要求設(shè)法縮短轉(zhuǎn)子間的接觸線長度。
（3）應(yīng)形成較小面積的泄漏三角形。
（4）應(yīng)使封閉容積較小。吸氣封閉容積導(dǎo)致壓縮機(jī)功耗增加、效率降低、噪聲增大。所以轉(zhuǎn)子型線應(yīng)使封閉容積盡可能小地。
（5）齒間面積盡量大。較大的齒間面積使泄漏量占的份額相對減少，效率得到提高。
4.1.2計(jì)算
型線方程、嚙合線方程和單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線的計(jì)算。
4.2雙螺桿空氣壓縮機(jī)的容積效率計(jì)算
螺桿壓縮機(jī)的理論容積流量qvi，為單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的齒間容積之和，它只取決于壓縮機(jī)的幾何尺寸和轉(zhuǎn)速。螺桿壓縮機(jī)的實(shí)際容積流量qvi是指折算到吸氣狀態(tài)的實(shí)際容積流量。容積效率。
4.3雙螺桿空氣壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.3.1雙螺桿壓縮機(jī)螺桿尺寸按以下的關(guān)系式確定
陽轉(zhuǎn)子節(jié)圓直徑 d1=D1/（1+h1‘）
陰轉(zhuǎn)子節(jié)圓直徑 d2=d1/（z2/z1）
陽轉(zhuǎn)子根圓直徑 Di1=d1/（1-h2‘）
陰轉(zhuǎn)子頂圓直徑 De2=d1/（i+h2‘）
陰轉(zhuǎn)子根圓直徑 Di2=d1/（i-h1‘）
轉(zhuǎn)子螺桿長度 L=（L/De1）De1
中心距 A=0.5（d1+d2）
陰轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角 τ2=τ1/i
陽轉(zhuǎn)子的導(dǎo)程 b1=360°L/τ1
陰轉(zhuǎn)子的導(dǎo)程 b2=360°L/τ2
陽轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（r/min） n1=60u1/3.14De1
陰轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（r/min） n2=n1/i
節(jié)圓螺旋角 β=arctg（b1/2πr1）= arctg（b2/2πr2）
5.3.2雙螺桿壓縮機(jī)的吸、排氣孔口設(shè)計(jì)
軸向吸氣孔口（吸氣開始角、吸氣結(jié)束角），徑向吸氣孔口。
軸向排氣孔口（排氣開始角、排氣結(jié)束角），徑向排氣孔口。
5.3.2主要零部件設(shè)計(jì)和選材
機(jī)體、轉(zhuǎn)子、軸承、軸封。
注意：由于空氣壓縮機(jī)的市場競爭非常激烈，因此空氣壓縮機(jī)多被設(shè)計(jì)為系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，以便大批量、低成本地生產(chǎn)和銷售。另外，由于壓縮空氣的用途非常廣泛，要求空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行和維護(hù)盡量簡單，以便使非專業(yè)技術(shù)人員也能夠正確操作。
6原始數(shù)據(jù)
壓縮機(jī)排氣量: 3.2m3/min
工作壓力: 1.0MPa
7工作的主要階段與時(shí)間安排
1) 第7周(2013.4.8-2013.4.13) 完成資料檢搜和收集；
2) 第8周(4.15-4.20) 完成開題報(bào)告和開題答辯；
3) 第9-10周(4.22-5.4) 轉(zhuǎn)子型線的選擇與三維設(shè)計(jì)及壓縮機(jī)容積效率的計(jì)算；
4) 第11-12周(5.6-5.18) 壓縮機(jī)仿真，結(jié)構(gòu)分析及性能分析；
5) 第12-13周(5.20-6.1) 繪制所需圖紙；
6) 第14周(6.3-6.8) 撰寫設(shè)計(jì)說明書；
7) 第15周(6.8-6.13) 準(zhǔn)備答辯。
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長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))指導(dǎo)教師評審意見
學(xué)生姓名
曹立恒
專業(yè)班級
過程裝備與控制工程10901
畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目
雙螺桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)與性能分析
指導(dǎo)教師
周志宏
職 稱
教授
評審日期
2013年6月8日
評審參考內(nèi)容：畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和組織紀(jì)律，學(xué)生掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識的情況，解決實(shí)際問題的能力，畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))是否完成規(guī)定任務(wù)，達(dá)到了學(xué)士學(xué)位論文的水平，是否同意參加答辯。
評審意見：
雙螺桿壓縮機(jī)是一種高效的壓縮機(jī)，在工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。
在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，曹立恒同學(xué)簡述了雙螺桿壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工
作原理以及雙螺桿壓縮機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展概況。簡述了型線方程和嚙合
線方程，確定了雙螺桿空氣壓縮機(jī)螺桿尺寸，分析了齒間面積和面積
利用系數(shù)、容積流量及容積效率。進(jìn)行了雙螺桿壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
敘述基本合理，設(shè)計(jì)計(jì)算基本正確，具有一定的難度，畢業(yè)設(shè)計(jì)
水平尚可。
存在的主要問題：
1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還存在一些問題。
2.機(jī)械結(jié)構(gòu)如何潤滑沒有涉及到。
在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，曹立恒同學(xué)能遵守學(xué)校的規(guī)章制度，學(xué)習(xí)態(tài)度端
正。
畢業(yè)設(shè)計(jì)反映該生有一定的基礎(chǔ)和專業(yè)知識，具有一定解決實(shí)際
問題的能力。
畢業(yè)設(shè)計(jì)完成規(guī)定任務(wù)，達(dá)到了學(xué)士學(xué)位論文的水平，同意參加
學(xué)士學(xué)位論文答辯。
指導(dǎo)教師簽名： 評定成績（百分制）：_______分
長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))評閱教師評語
學(xué)生姓名
曹立恒
專業(yè)班級
裝備10901班
畢業(yè)論文
(設(shè)計(jì))題目
雙螺桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)及性能分析
評閱教師
職 稱
評閱日期
2013年6月11日
評閱參考內(nèi)容：畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學(xué)生掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識的情況，解決實(shí)際問題的能力，畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))是否完成規(guī)定任務(wù)，達(dá)到了學(xué)士學(xué)位論文的水平，是否同意參加答辯。
評語：
評閱教師簽名： 評定成績（百分制）：_______分
長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))答辯記錄及成績評定
學(xué)生姓名
曹立恒
專業(yè)班級
裝備10901班
畢業(yè)論文
(設(shè)計(jì))題目
雙螺桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)及性能分析
答辯時(shí)間
2013 年 6 月 13 日 8:00～17:40時(shí)
答辯地點(diǎn)
7教院會(huì)議室
一、答辯小組組成
答辯小組組長：眭滿倉
成 員：張善彪 謝麗芳 錢利勤 黃天成 門朝威
二、答辯記錄摘要
答辯小組提問（分條摘要列舉）
學(xué)生回答情況評判
三、答辯小組對學(xué)生答辯成績的評定（百分制）：_______分
畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))最終成績評定(依據(jù)指導(dǎo)教師評分、評閱教師評分、答辯小組評分和學(xué)校關(guān)于畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))評分的相關(guān)規(guī)定)
等級(五級制)：_______
答辯小組組長(簽名) ： 秘書(簽名)： 2013年 6月13日
院(系)答辯委員會(huì)主任(簽名)： 院(系)(蓋章)
雙螺桿壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)
學(xué)生：曹立恒，過程裝備與控制工程
指導(dǎo)老師：周志宏，機(jī)械工程學(xué)院教授
【摘要】雙螺桿壓縮機(jī)是一種比較新穎的壓縮機(jī)，因其可靠性高、操作維修方便、動(dòng)力平衡性好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛地應(yīng)用于礦山、化工、動(dòng)力、冶金、建筑、機(jī)械、制冷等工業(yè)部門。雙螺桿壓縮機(jī)已經(jīng)超過所有工業(yè)壓縮機(jī)的50 ％，其市場份額超過80 ％，今后其市場份額還將繼續(xù)擴(kuò)大?？梢?，研究雙螺桿壓縮機(jī)具有十分重要的意義。本課題主要是設(shè)計(jì)通用的噴油雙螺桿空氣壓縮機(jī)，采用單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型型線，陰、陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)比為6：4。設(shè)計(jì)新型轉(zhuǎn)子型線，目的是使接觸線長度、泄漏三角形面積和封閉余隙容積3者達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提高雙螺桿壓縮機(jī)的機(jī)械性能。重點(diǎn)研究的是雙螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)、幾何特性、受力分析、熱力學(xué)計(jì)算。
【關(guān)鍵詞】雙螺桿壓縮機(jī) 轉(zhuǎn)子型線 嚙合線 齒間容積
The design of twin screw compressor
[Abstract] The twin-screw compressor is a kind of newly emerging compressor. Because of its high reliability, easy repair, good balance and good adaptability etc, and widely applied to such industrial departments as mine, chemical industry, power, metallurgy, architecture, machinery, refrigeration, etc. By designing the project, the volumetric efficiency is 70%, the compressed temperature is more 80℃。It is very important to design and research a twin-screw compressor in industrial. The project is to design a universal twin-screw air compressor, and to adopt single side asymmetric swept line unilaterally and dowel tooth circular rotor profile. There are six lobes on the female rotor and four lobes on the male rotor. The aim of designing a new rotor profile is to optimize the contact line length, blowhole area and clearance volume. That can improve the mechanical performance of a twin-screw compressor further. The project is mainly to research a twin-screw compressor rotor profile, geometry characteristic, mechanics analysis, thermodynamics calculation
[Keywords] A twin-screw compressor, rotor profile, mesh curve, tooth space volume.
XIII
前 言
前 言
雙螺桿壓縮機(jī)屬于回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)?；剞D(zhuǎn)式壓縮機(jī)是一種工作容積作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的容積式氣體壓縮機(jī)械。氣體的壓縮是通過容積的變化來實(shí)現(xiàn)，而容積的變化又是借壓縮機(jī)的一個(gè)或幾個(gè)轉(zhuǎn)子在氣缸里作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來達(dá)到?；剞D(zhuǎn)式壓縮機(jī)的工作容積不同于往復(fù)式壓縮機(jī)，它除了周期性地?cái)U(kuò)大和縮小外，其空間位置也在變更。
回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)靠容積的變化來實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮，這一點(diǎn)與往復(fù)式壓縮機(jī)相同，它們都屬于容積式壓縮機(jī)；回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的主要機(jī)件（轉(zhuǎn)子）在氣缸內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這一點(diǎn)又與速度式壓縮機(jī)相同。所以，回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)同時(shí)兼有上述兩類機(jī)器的特點(diǎn)?；剞D(zhuǎn)式壓縮機(jī)沒有往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，一般沒有氣閥，零部件（特別是易損件）少，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，因而制造方便，成本低廉；同時(shí)，操作簡便，維修周期長，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化?；剞D(zhuǎn)式壓縮機(jī)的排氣量與排氣壓力幾乎無關(guān)，與往復(fù)式壓縮機(jī)一樣，具有強(qiáng)制輸氣的特征?；剞D(zhuǎn)式壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)件的動(dòng)力平衡性良好，故壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)高、基礎(chǔ)小。這一優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)式機(jī)器中尤為明顯。回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)高，它可以和高速原動(dòng)機(jī)（如電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、蒸汽輪機(jī)等）直接相聯(lián)。高轉(zhuǎn)數(shù)帶來了機(jī)組尺寸小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，在轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周之內(nèi)，通常有多次排氣過程，所以它輸氣均勻、壓力脈動(dòng)小，不需設(shè)置大容量的儲氣罐?；剞D(zhuǎn)式壓縮機(jī)的適應(yīng)性強(qiáng)，在較大的工況范圍內(nèi)保持高效率。排氣量小時(shí)，不像速度式壓縮機(jī)那樣會(huì)產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。在某些類型的回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)（如羅茨鼓風(fēng)機(jī)、螺桿式壓縮機(jī)）中，運(yùn)動(dòng)機(jī)件相互之間，以及運(yùn)動(dòng)機(jī)件與固定機(jī)件之間，并不直接接觸，在工作容積的周壁上無需潤滑，可以保證氣體的潔凈，做到絕對無油的壓送氣體（這類機(jī)器成為無油回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)）。同時(shí)，由于相對運(yùn)動(dòng)的機(jī)件之間存在間隙以及沒有氣閥，故它能壓送污濁和帶液滴、含粉塵的氣體。
但是，回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)也有它的缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)是：由于轉(zhuǎn)數(shù)較高，加之工作容積與吸排氣孔口周期性地相通、切斷，產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的空氣動(dòng)力噪聲，其中螺桿式壓縮機(jī)、羅茨鼓風(fēng)機(jī)尤為突出，若不采取消音措施，即不能被用戶所利用。許多回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，如螺桿式、羅茨式、轉(zhuǎn)子式等，運(yùn)動(dòng)機(jī)件表面多呈曲面形狀，以其嚙合運(yùn)動(dòng)使工作容積改變，這些曲面的加工及其校驗(yàn)均較復(fù)雜，有的還需使用專用設(shè)備?；剞D(zhuǎn)式壓縮機(jī)工作容積的周壁，大多不是圓柱形，使運(yùn)動(dòng)機(jī)件之間或運(yùn)動(dòng)機(jī)件與固定機(jī)件之間的密封問題較難滿意解決，通常僅以其間保持一定的運(yùn)動(dòng)間隙達(dá)到密封，氣體通過間隙勢必產(chǎn)生泄漏，這就限制了回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)難以達(dá)到較高的終了壓力。
回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的形式和結(jié)構(gòu)類型較多，分類也各有不同。按轉(zhuǎn)子的數(shù)量區(qū)分：單轉(zhuǎn)子和雙轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，個(gè)別情況下還有多轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)；按氣體壓縮的方式區(qū)分：有內(nèi)壓縮和無內(nèi)壓縮回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)；按工作容積是否有油（液）區(qū)分：有無油（液）和噴油（液）回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)。通常都按結(jié)構(gòu)元件的特征區(qū)分和命名，目前廣為使用的有羅茨鼓風(fēng)機(jī)、滑片式壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)。此外，單螺桿壓縮機(jī)、液環(huán)式壓縮機(jī)、偏心轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)以及旋轉(zhuǎn)活塞式壓縮機(jī)等在不同領(lǐng)域內(nèi)也得到應(yīng)用。上述各種回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，除羅茨鼓風(fēng)機(jī)屬無內(nèi)壓縮的機(jī)器外，其余均是有內(nèi)壓縮的機(jī)器。
雙螺桿壓縮機(jī)是一種很年輕的壓縮機(jī)型，在最近二十五年才發(fā)展成熟，形成系列化。約在一百多年前，人們已經(jīng)知道雙螺桿壓縮機(jī)的工作原理，但類似今天設(shè)計(jì)的雙螺桿壓縮機(jī)的誕生日，則應(yīng)該是在1934年，SRM工廠的總工程師A?利斯霍爾姆（A?Lysholm）的專利出現(xiàn)的時(shí)候。后來，又發(fā)明了圓弧形齒，非對稱齒形SRM和今天的第四代節(jié)能型。
回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)大多作為中、小排氣量，中、低壓壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)之用。目前，回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)在冶金、化工、石油、交通運(yùn)輸、機(jī)械制造以及建筑工程等工業(yè)部門得到廣泛的應(yīng)用；隨著人民生活水平的逐步提高，在耐用消費(fèi)品中也將得到廣泛的應(yīng)用。
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選題背景
1 選題背景
1.1 研究雙螺桿壓縮機(jī)的目的和意義
本設(shè)計(jì)題目來源是自選科研。本課題主要是設(shè)計(jì)通用的噴油雙螺桿空氣壓縮機(jī)。在深刻理解前人研究的理論基礎(chǔ)上，在給定設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求的條件下，研究雙螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子型線、幾何特性、工作過程、受力分析及轉(zhuǎn)子的加工，以進(jìn)一步提高雙螺桿壓縮機(jī)的機(jī)械性能。設(shè)計(jì)新型轉(zhuǎn)子型線，使接觸線長度、泄漏三角形面積和封閉余隙容積3者達(dá)到最優(yōu)化。利用自備砂輪修正器的轉(zhuǎn)子專用數(shù)控磨床，快速加工出新型線的轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的精度和表面粗糙度預(yù)計(jì)超過現(xiàn)有的值。設(shè)計(jì)吸氣孔口的形狀和合理位置，來提高壓縮機(jī)效率。同時(shí)，研究型線和孔口配置等因素對噪聲的影響指標(biāo)，從而更有效地降低噪聲。通過設(shè)計(jì)雙螺桿壓縮機(jī)，可以了解雙螺桿壓縮機(jī)的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向；深入理解雙螺桿壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、主要零部件設(shè)計(jì)選型、主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)；重點(diǎn)研究的是雙螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子型線、幾何特性、工作過程、受力分析、轉(zhuǎn)子加工和主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定。通過設(shè)計(jì)，能了解設(shè)計(jì)的一般要求和規(guī)則，能將理論知識與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系起來。
雙螺桿壓縮機(jī)是一種比較新穎的壓縮機(jī)，因其可靠性高、操作維修方便、動(dòng)力平衡性好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛地應(yīng)用于礦山、化工、動(dòng)力、冶金、建筑、機(jī)械、制冷等工業(yè)部門。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，螺桿壓縮機(jī)的銷售量已占所有容積式壓縮機(jī)銷售總量的80%以上，在所有正在運(yùn)行的容積式壓縮機(jī)中，有50%是螺桿壓縮機(jī)，今后螺桿壓縮機(jī)的市場份額仍將不斷擴(kuò)大?？梢钥闯觯輻U壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)研究在工業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的意義。通過本設(shè)計(jì)，可以充分了解雙螺桿壓縮機(jī)的有關(guān)知識，以及如何進(jìn)一步改善其性能和擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，使雙螺桿壓縮機(jī)能得到更好的發(fā)展，為生產(chǎn)和生活服務(wù)?？梢詫⑺鶎W(xué)理論知識與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系起來，并積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為以后的工作打下了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
1.2 雙螺桿壓縮機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用前景
1.2.1雙螺桿壓縮機(jī)的特點(diǎn)
就氣體壓力提高的原理而言，螺桿壓縮機(jī)與活塞壓縮機(jī)相同，都屬于容積式壓縮機(jī)。就主要部件的運(yùn)動(dòng)形式而言，又與透平壓縮機(jī)相似。所以，螺桿壓縮機(jī)同時(shí)兼有上述兩類機(jī)器的特點(diǎn)。
（１）螺桿壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如下：
1）可靠性高。螺桿壓縮機(jī)零部件少，沒有易損件，因而它運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，壽命長，大修間隔期可達(dá)4-8萬h.
2)操作維護(hù)方便。螺桿壓縮機(jī)自動(dòng)化程度高，操作人員不必經(jīng)過長時(shí)間的專業(yè)培訓(xùn)，可實(shí)現(xiàn)無人值守運(yùn)轉(zhuǎn)。
3）動(dòng)力平衡好。螺桿壓縮機(jī)沒有不平衡慣性力，機(jī)器可平穩(wěn)地高速工作，可實(shí)現(xiàn)無基礎(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn)，特別適合用作移動(dòng)式壓縮機(jī)，體積小、重量輕、占地面積少。
4）適應(yīng)性強(qiáng)。螺桿壓縮機(jī)具有強(qiáng)制輸氣的特點(diǎn)，容積流量幾乎不受排氣壓力的影響，在寬廣的范圍內(nèi)能保持較高的效率，在壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)不作任何改變的情況下，適用于多種共質(zhì)。
5）多相混輸。螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子齒面間實(shí)際上留有間隙，因而能耐液體沖擊，可輸送含液氣體、含粉塵氣體、易聚合氣體等。
（２）螺桿壓縮機(jī)的主要缺點(diǎn)：
1）造價(jià)高。由于螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子齒面是一空間曲面，需利用特制的刀具在價(jià)格昂貴的專用設(shè)備上進(jìn)行加工。另外，對螺桿壓縮機(jī)氣缸的加工精度也有較高的要求。
2）不能用于高壓場合。由于受到轉(zhuǎn)子剛度和軸承壽命等方面的限制，螺桿壓縮機(jī)只能用于中、低壓范圍，排氣壓力一般不超過3MPa。
3）不能用于微型場合。螺桿壓縮機(jī)依靠間隙密封氣體，目前一般只有容積流量大于0.2m3/min時(shí)，螺桿壓縮機(jī)才具有優(yōu)越的性能。
1.2.2雙螺桿壓縮機(jī)的應(yīng)用前景
（1）噴油螺桿空氣壓縮機(jī)
動(dòng)力用的噴油螺桿壓縮機(jī)已系列化，一般都是在大氣壓力下吸入氣體，單級排氣壓力有0.7 MPa、1.0MPa和1.3 MPa（表壓）等不同形式。少數(shù)用于驅(qū)動(dòng)大型風(fēng)鉆的兩級壓縮機(jī)，排氣壓力可達(dá)到2.5 MPa（表壓）。此類壓縮機(jī)目前的容積流量范圍為0.2-100m3/min，越來越被用到對空氣品質(zhì)要求非常高的應(yīng)用場合，如食品、醫(yī)藥及棉紡企業(yè)，占據(jù)了許多原屬無油壓縮機(jī)的市場。
（2）噴油螺桿制冷壓縮機(jī)
目前，半封閉和全封閉式螺桿制冷壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于住宅和商用樓房的中央空調(diào)系統(tǒng)，產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過開啟式。此外，螺桿制冷壓縮機(jī)還用于工業(yè)制冷、食品冷凍、冷藏，以及各種交通運(yùn)輸工具的制冷裝置。
在環(huán)境溫度下工作時(shí)，單級螺桿制冷壓縮機(jī)可達(dá)-25℃的蒸發(fā)溫度，采用經(jīng)濟(jì)器或雙級壓縮，可達(dá)-40℃的蒸發(fā)溫度。既能供冷又能供暖的冷熱兩用螺桿機(jī)組，近年發(fā)展很快。目前螺桿制冷壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)工況下制冷量范圍為10-2500KW。
（3）噴油螺桿工藝壓縮機(jī)
噴油螺桿工藝壓縮機(jī)的工作壓力由工藝流程確定，單級壓力比可達(dá)10，排氣壓力通常小于4.5MPa，但可高達(dá)9MPa，容積流量范圍為1-200 m3/min。
（4）干式螺桿壓縮機(jī)
目前一般干式螺桿壓縮機(jī)的單級壓力比為1.5-3.5，雙級壓力比可達(dá)8-10，容積流量為3-500m3/min。
（5）噴水螺桿壓縮機(jī)
使噴入的水與潤滑油隔開，用于一些可能發(fā)生聚合反應(yīng)的氣體，向壓縮機(jī)入口噴入適當(dāng)?shù)娜軇?，以沖掉這些化合物。
（6）其他螺桿機(jī)械
螺桿壓縮機(jī)可作為油、氣、水多相流混輸泵使用，也可作為真空泵使用單級真空度可達(dá)98%，能耗較其他類型真空泵低20%-50%。此外，螺桿機(jī)械還可作為膨脹機(jī)。
1.3 國內(nèi)外雙螺桿壓縮機(jī)研究的進(jìn)展
螺桿壓縮機(jī)的螺桿齒形發(fā)展體現(xiàn)在以下四個(gè)階段：第一代為Lysholm齒形，主要線段由點(diǎn)生成擺線組成，限于當(dāng)年加工條件，主要用于無油螺桿壓縮機(jī)；第二代為1964年的對稱圓弧齒形，4+6齒，主要線段由圓弧和與之嚙合的圓弧包絡(luò)線組成，動(dòng)力用螺桿壓縮機(jī)為主要應(yīng)用對象；第三代為非對稱齒形SRM，4+6齒，主要線段由生成擺線和圓弧包絡(luò)線組成，其效率較第二代提高10%，廣泛用于噴油和無油螺桿壓縮機(jī)；第四代，1982年后以SRM-D齒形為代表，5+6齒，4+5齒，5+7齒，主要線段為線生成式曲線，無尖點(diǎn)，凡第四代齒形均為節(jié)能型。
近年來，人們逐漸對內(nèi)部進(jìn)行噴油的雙螺桿壓縮機(jī)產(chǎn)生了興趣。由于精密的專用數(shù)控轉(zhuǎn)子加工銑床和磨床已經(jīng)使任何型線的加工變得很方便，大量的研究工作在型線方面。其次陰、陽螺桿齒數(shù)從6：4發(fā)展到6：5。
日本的神鋼與日立公司，在將近50年的時(shí)間里不斷成功地開發(fā)出了節(jié)能明顯的各種系列螺桿壓縮機(jī)。從某種程度而言，日本的空壓機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展代表了當(dāng)今世界空壓機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向。
雙螺桿壓縮機(jī)在我國的發(fā)展歷程較短，是一種比較新穎的壓縮機(jī)，但其發(fā)展很快。目前，我國的噴油內(nèi)冷卻的動(dòng)力用雙螺桿壓縮機(jī)比功率已達(dá)5.56KW/min，已超過國外產(chǎn)品最好的比功率5.54KW/min。封閉式螺桿空壓機(jī)噪聲可達(dá)60-85dB(A),國外螺桿壓縮機(jī)無故障運(yùn)行在7* h，國內(nèi)螺桿壓縮機(jī)壽命可達(dá)4* h。西安交大刑子文教授開發(fā)的“SCCAD”螺桿設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，已轉(zhuǎn)交給多家海內(nèi)外企業(yè)應(yīng)用。螺桿壓縮機(jī)在國外占據(jù)80%以上移動(dòng)式空壓機(jī)市場，國內(nèi)市場因柴油機(jī)方面的原因占份額不大，只有外資產(chǎn)品占有較少市場，螺桿空氣壓縮機(jī)占螺桿壓縮機(jī)總量的85%，制冷空調(diào)方面螺桿壓縮機(jī)約占12%?？梢哉f，我國的個(gè)別企業(yè)的螺桿壓縮機(jī)已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。
今后螺桿壓縮機(jī)的市場份額仍將不斷擴(kuò)大，特別是無油螺桿空氣壓縮機(jī)和各類螺桿工藝壓縮機(jī)，會(huì)獲得更快的發(fā)展。目前，有人開始研究兩螺桿嚙合過程中磨損問題和潤滑油在齒面上的分布，以提高轉(zhuǎn)子壽命。有文獻(xiàn)報(bào)道已可做到無磨損嚙合。在制冷中，對于Co 作制冷劑的跨臨界循環(huán)，用螺桿壓縮機(jī)與螺桿膨脹機(jī)組成一體的機(jī)組已經(jīng)被開發(fā)。未來主要是進(jìn)一步提高螺桿壓縮機(jī)的性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
1.4 雙螺桿壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理
1.4.1基本結(jié)構(gòu)
通常所稱的螺桿壓縮機(jī)指的是雙螺桿壓縮機(jī)。雙螺桿壓縮機(jī)的發(fā)展歷程較短，是一種比較新穎的壓縮機(jī)。
雙螺桿壓縮機(jī)是一種容積式的回轉(zhuǎn)機(jī)械。由一對陰、陽螺桿，一個(gè)殼體與一對端蓋組成。在倒“8”形的氣缸中，平行地配置著一對相互嚙合的螺旋形轉(zhuǎn)子，分別稱為陰、陽轉(zhuǎn)子。它們和機(jī)體之間構(gòu)成一個(gè)“V”字形的一對密封的齒槽空間隨著轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)而逐漸變小，并且其位置在空間也不斷從吸氣口向排氣口移動(dòng)，從而完成吸氣-壓縮-排氣的全部過程。
一般陽轉(zhuǎn)子與原動(dòng)機(jī)連接，由陽轉(zhuǎn)子帶動(dòng)陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。在壓縮機(jī)機(jī)體的兩端，分別開設(shè)一定形狀和大小的孔口。一個(gè)供吸氣用，稱作吸氣孔口；另一個(gè)供排氣用，稱作排氣孔口。雙螺桿壓縮機(jī)的總體結(jié)構(gòu)見圖1。
圖1 雙螺桿壓縮機(jī)的總體結(jié)構(gòu)
1.4.2工作原理
螺桿壓縮機(jī)的工作循環(huán)可分為吸氣、壓縮和排氣三個(gè)過程。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)，這里只研究其中一對齒。
（1）吸氣過程
圖2示出的螺桿壓縮機(jī)的吸氣過程，所討論的一對齒用箭頭標(biāo)出，陽轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，陰轉(zhuǎn)子按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，圖中的轉(zhuǎn)子端面是吸氣端面。機(jī)殼上有特定形狀的吸氣孔口如圖2粗實(shí)線所示。
圖2（a）示出的是吸氣過程即將開始時(shí)的轉(zhuǎn)子位置。在這一時(shí)刻，這一對齒前端的型線完全嚙合，且即將與吸氣孔口連通。
隨著轉(zhuǎn)子開始運(yùn)動(dòng)，由于齒的一端逐漸脫離嚙合而形成齒間容積，這個(gè)齒間容積的擴(kuò)大，在其內(nèi)部形成了一定的真空，而此齒間容積又僅與吸氣口連通，因此氣體便在壓差作用下流入其中，如圖2（b）中陰影部分所示。在隨后的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，陽轉(zhuǎn)子齒不斷從陰轉(zhuǎn)子的齒槽中脫離出來，齒間容積不斷擴(kuò)大，并與吸氣孔口保持連通。
吸氣過程結(jié)束時(shí)的轉(zhuǎn)子位置如圖2（c）所示，其最顯著的特征是齒間容積達(dá)到最大值，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，所研究的齒間容積不會(huì)再增加。齒間容積在此位置與吸氣孔口斷開，吸氣過程結(jié)束。
圖2 a）吸氣過程即將開始 b）吸氣過程中 c）吸氣過程結(jié)束
（2）壓縮過程
圖3示出螺桿壓縮機(jī)的壓縮過程。這是從上面看相互嚙合的轉(zhuǎn)子，圖中的轉(zhuǎn)子端面是排氣端面，機(jī)殼上的排氣孔口如圖中粗實(shí)線所示。在這里，陽轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，陰轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。
圖3 a)壓縮過程即將開始 b）壓縮過程中 c）壓縮過程結(jié)束
圖3（a）示出壓縮過程即將開始時(shí)的轉(zhuǎn)子位置。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，齒間容積由于轉(zhuǎn)子齒的嚙合而不斷減少。被密封在容積中的氣體所占據(jù)的體積也隨之減少，導(dǎo)致壓力升高，從而實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮過程，圖3（b）。壓縮過程可一直持續(xù)到齒間容積即將與排氣孔口連通之前。
（3）排氣過程
圖4 a）排氣過程中 b）排氣過程結(jié)束
圖4示出螺桿壓縮機(jī)的排氣過程。齒間容積與排氣孔口連通后，即開始排氣過程。隨著齒間容積的不斷縮小，具有排氣壓力的氣體逐漸通過排氣孔口被排出，圖4（a）。這個(gè)過程一直持續(xù)到齒末端的型線完全嚙合，圖4(b)。此時(shí)，齒間容積內(nèi)的氣體通過排氣孔口被完全排出，封閉的齒間容積變?yōu)榱恪?
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雙螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)
2 雙螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)
2.1 轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)原則
2.1.1轉(zhuǎn)子型線及其要素
螺桿壓縮機(jī)最關(guān)鍵的是一對相互嚙合的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的齒面與轉(zhuǎn)子軸線垂直面的截交線稱為轉(zhuǎn)子型線。
對于螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線的要求，主要是在齒間容積之間有優(yōu)越的密封性能，因?yàn)檫@些齒間容積是實(shí)現(xiàn)氣體壓縮的工作腔。對螺桿壓縮機(jī)性能有重大影響的轉(zhuǎn)子型線要素有接觸線、泄漏三角形、封閉容積和齒間面積等。
（1）接觸線 。螺桿壓縮機(jī)的陰、陽轉(zhuǎn)子嚙合時(shí)，兩轉(zhuǎn)子齒面相互接觸而形成的空間曲線稱為接觸線。如果轉(zhuǎn)子齒面間的接觸連續(xù)，則處在高壓力區(qū)內(nèi)的氣體將通過接觸線中斷缺口，向低壓力區(qū)泄漏。
陰、陽轉(zhuǎn)子型線嚙合時(shí)的嚙合點(diǎn)軌跡，稱為嚙合線。嚙合線實(shí)質(zhì)是接觸線在轉(zhuǎn)子端面上的投影。顯然接觸線連續(xù)，意味著嚙合線應(yīng)該是一條連續(xù)的封閉曲線。
（2）泄漏三角形 。在接觸線頂點(diǎn)和機(jī)殼的轉(zhuǎn)子氣缸孔之間，會(huì)形成一個(gè)空間曲邊三角形，稱為泄漏三角形。若嚙合線頂點(diǎn)距陰、陽轉(zhuǎn)子齒頂圓的交點(diǎn)較遠(yuǎn)，則說明泄漏三角形面積較大。
（3）封閉容積 。如果在齒間容積開始擴(kuò)大時(shí)，不能立即開始吸氣過程，就會(huì)產(chǎn)生吸氣封閉容積。吸氣封閉容積的存在，影響了齒間容積的正常充氣。從轉(zhuǎn)子型線可定性看出封閉容積的大小。
（4）齒間面積 。它是齒間容積在轉(zhuǎn)子端面上的投影。轉(zhuǎn)子型線的齒間面積越大，轉(zhuǎn)子的齒間容積就越大。
2.1.2轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)原則
（１） 滿足嚙合要求。螺桿壓縮機(jī)的陰、陽轉(zhuǎn)子型線必須是滿足嚙合定律的共軛型線。
（２） 形成長度較短的連續(xù)接觸線。為了盡可能減少氣體通過間隙帶的泄漏，要求設(shè)法縮短轉(zhuǎn)子間的接觸線長度。
（３）應(yīng)形成較小面積的泄漏三角形。
（４）應(yīng)使封閉容積較小。吸氣封閉容積導(dǎo)致壓縮機(jī)功耗增加、效率降低、噪
增大。所以轉(zhuǎn)子型線應(yīng)使封閉容積盡可能小地。
（５）齒間面積盡量大。較大的齒間面積使泄漏量占的份額相對減少，效率得到提高。
2.2 型線方程和嚙合線方程
2.2.1坐標(biāo)系建立及坐標(biāo)變換
（1）坐標(biāo)系建立
為了用數(shù)學(xué)方程描述螺桿型線中各段組成齒曲線，建立如圖5所示的四個(gè)坐標(biāo)系：1）固結(jié)在陽轉(zhuǎn)子的動(dòng)坐標(biāo)系
2）固結(jié)在陰轉(zhuǎn)子的動(dòng)坐標(biāo)系。
3）陽轉(zhuǎn)子的靜坐標(biāo)系。
4）陰轉(zhuǎn)子的靜坐標(biāo)系。
圖5 坐標(biāo)系關(guān)系圖
由于螺桿壓縮機(jī)的陰、陽轉(zhuǎn)子之間是定傳動(dòng)比嚙合，故有:
（1）
式中，φ2、φ1為陰、陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角；n2、n1為陰、陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；ω2、ω1 為陰、陽轉(zhuǎn)子角速度；R2t、R1t為陰、陽轉(zhuǎn)子節(jié)圓半徑；z2、z1為陰、陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)；i為傳動(dòng)比； A為陰、陽轉(zhuǎn)子中心距。
（2）坐標(biāo)變換
螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線上的每一點(diǎn)，都可以表示在上述四個(gè)坐標(biāo)系中，這些坐標(biāo)之間的變換關(guān)系式如下：
1）動(dòng)坐標(biāo)系與靜坐標(biāo)系的變換
（2）
2）動(dòng)坐標(biāo)系與靜坐標(biāo)系的變換
（3）
3）靜坐標(biāo)系與靜坐標(biāo)系的變換
（4）
4）動(dòng)坐標(biāo)系與動(dòng)坐標(biāo)系的變換
（5）
5）動(dòng)坐標(biāo)系與動(dòng)坐標(biāo)系的變換
（6）
2.2.2齒曲線及其共軛曲線
（1）齒曲線方程及其參數(shù)變換范圍
螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子型線通常由多段組成齒曲線相接而成。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子型線時(shí)，通常先在陽轉(zhuǎn)子或陰轉(zhuǎn)子上給定一些組成齒曲線，用如下的參數(shù)方程表示在相應(yīng)的轉(zhuǎn)子動(dòng)坐標(biāo)系中：
（7）
上式中，參數(shù)t的始點(diǎn)和終點(diǎn)決定了此組成曲線的起點(diǎn)b和終點(diǎn)e的坐標(biāo)和。
（2）齒曲線的共軛曲線方程
轉(zhuǎn)子組成齒曲線的共軛曲線，是指另一個(gè)轉(zhuǎn)子上與所選定的組成齒曲線相嚙合的曲線段，現(xiàn)假定已在陰轉(zhuǎn)子上給定了一段組成齒曲線2為
（8）
1）求出陰轉(zhuǎn)子上組成齒曲線相對于陽轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)時(shí)的曲線簇方程
將方程（8）代入坐標(biāo)變換式（5），得
（9）
2）找出曲線簇的包絡(luò)條件
把包絡(luò)條件的顯函數(shù)形式代入曲線簇方程（9），就是曲線簇的包絡(luò)線方程，即
（10）
此包絡(luò)線上任一點(diǎn)的切線斜率可微分上式，得
（11）
與包絡(luò)線共切于該點(diǎn)的曲線簇中的一條曲線（φ1為常數(shù)），其斜率為
（12）
由于是公切線，這兩切線的斜率應(yīng)該相等，令式（11）與式（12）右邊相等，整理得
（13）
或 （14）
同樣，若假定在陽轉(zhuǎn)子上給定了一段組成齒曲線1，即
（15）
將曲線1的方程（15）代入動(dòng)坐標(biāo)變換式（6），得到曲線簇的方程為
（16）
經(jīng)類似的推演，可得其包絡(luò)條件為
（17）
3）求共軛曲線方程
若已在陰轉(zhuǎn)子上給定了一段組成曲線的2為
（18）
則其共軛曲線方程，可用方程（10）及補(bǔ)充條件聯(lián)立表示，即
（19）
同樣，若已在陽轉(zhuǎn)子上給定了一段曲線1為
則其共軛曲線方程，可用方程（16）及補(bǔ)充條件聯(lián)立表示，即
（20）
4）共軛曲線的嚙合線方程
共軛曲線的嚙合線方程一般可表示為
（21）
2.3 單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線
本設(shè)計(jì)采用我國規(guī)定的螺桿壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線。如圖6所示。
圖6 單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線
a）型線 b）嚙合線
這種單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線與原始不對稱型線的主要區(qū)別在于：采用徑向直線AB及DE倒棱修正，去除了原始不對稱型線外圓上的擺線形成點(diǎn)，并使擺線IJ的形成點(diǎn)向內(nèi)移動(dòng)。另外，將圓弧齒曲線擴(kuò)大一角度，形成保護(hù)角，使擺線CD的形成點(diǎn)I處于陽轉(zhuǎn)子外圓之內(nèi)，保護(hù)了對嚙合性能很敏感的擺線形成點(diǎn)。修正后，便于轉(zhuǎn)子在加工、安裝、