[相关资料] 螺杆压缩机研究进展及应用趋势

螺杆压缩机具有结构简单、操作方便和运转可靠等一系列独特的优点，这种型式的压缩机发明于上世纪30年代，经过持续的基础理论研究和产品开发试验，通过对转子型线的不断改进和专用转子加工设备的开发成功，螺杆压缩机的优越性能得到了不断的发挥，被广泛应用于空气动力、制冷、石油、化工、冶金、医药等工业领域。本文主要综述螺杆压缩机近年来的研究进展和在有关应用领域的发展趋势。

螺杆压缩机研究进展

工作过程数学模拟及试验研究

螺杆压缩机的实际工作过程受到多种因素的影响，是一个复杂、综合而且瞬态完成的变质量热力过程，因此要准确理解螺杆压缩机的工作过程，不能仅仅对压缩机的热力工作过程进行理论的研究和分析，应同时对其动力特性、转子变形等进行深入的研究，建立融合螺杆压缩机工作过程热力性能研究、动力特性研究和变形计算的数学模型是研究螺杆压缩机的关键和基础。在热力学模型中，需要全面考虑转子型线、泄露、传热、喷油、补气、工质物性等因素，同时需要建立基于有限元方法的压缩机动力学模型和转子受力、受热引起的变形计算模型，并对这三者模型进行耦合，以创立可以全面分析螺杆压缩机工作过程的数学模型及其仿真软件，解决螺杆压缩机性能预测的难题，为螺杆压缩机结构设计、参数优化和机器产品开发奠定基础。

螺杆压缩机工作过程p-V图表象征压缩机的内部微观特性，对于评价压缩机的工作状态和性能水平具有重要的参考价值，是研究各类容积式压缩机工作过程的重要手段。由于螺杆压缩机转速较高，且其齿间工作容积在空间不断移动，因此其工作过程p-V图的测录就尤为困难。西安交通大学经过不断探索，借助装在在阴转子上的微小压力传感器和高速数据采集系统，已成功地分别测录了螺杆空气压缩机和螺杆制冷压缩机的工作过程p-V图。并通过分析比较有关p-V图，得出了设计吸、排气孔口和喷油孔口的改进方案，提高了螺杆压缩机的性能水平。

在螺杆压缩机中，润滑油的分布和雾化在很大程度上影响着螺杆压缩机的间隙分布、泄露、效率和可靠性等技术问题。利用PIV激光测速技术以及自行设计搭建的喷油可视化实验台，可进行螺杆压缩机喷油的可视化研究。图4和图5分别示出润滑油在螺杆压缩机中的分布和润滑油雾化及速度场情况。　

为了研究螺杆压缩机在工作过程中转子受力情况，理解转子型线对于转子受力的影响，提高螺杆压缩机的可靠性及其运行寿命，西安交通大学还利用力传感器成功测录了不同工况下转子轴向受力的真实情况，明确了工作过程中转子轴向受力的变化规律，为螺杆压缩机的型线优化、动力学理论计算提供了坚实的实验基础。图6示出转子轴向力测试时传感器的安装，图6示出阳转子受力的实测值与有限元理论计算值的比较。   

排气压力脉动是引起螺杆压缩机噪声和振动的主要因素，对其进行研究有助于了解螺杆压缩机噪声和振动的产生机理，不仅为管路系统的振动分析提供依据，更为螺杆压缩机排气流道和孔口的优化设计奠定实验基础，从而降低噪声和振动。   

       设计计算软件开发

传统的螺杆压缩机设计方法，依靠一些在作了许多假设之后得到的近似公式，进行设计和计算。不仅设计周期长，而且准确度差，一些设计参数还要待样机造出后，再通过试验确定。这种设计方法严重影响了新产品的供货时间和性能水平，削弱了其市场竞争力。西安交通大学在前述工作过程p-V图测录等实验研究的基础上，解决了螺杆压缩机中转子型线设计、几何特性的准确计算、刀具刃形计算、热力性能和动力特性预测，以及吸排气孔口配置、转子受力和变形计算等关键技术，在对螺杆压缩机工作过程进行深入系统的理论分析和试验研究的基础上，成功开发了一套完整的螺杆压缩机设计计算软件SCCAD，已成功应用于设计多种型号的螺杆压缩机新产品，并被推广到多家螺杆压缩机生产企业应用，取得了良好的经济效益和社会影响。图10给出了SCCAD的主界面及转子型线计算程序的输入数据对话窗口。

转子新型线及啮合间隙设计

在螺杆压缩机设计中，最重要的是设计其转子型线，因为转子型线基本决定了螺杆压缩机的性能好坏。螺杆压缩机性能的不断提高及其市场份额的不断扩大，是与转子型线的发展密不可分的。国际上著名的螺杆压缩机生产厂家，都是伴随着新型线的开发成功，而不断发展壮大的。性能优越的新型线一旦开发成功，往往会使其产品的销售量猛增、市场占有率迅速扩大。传统的型线设计方法，仅从影响热力性能的泄漏对参数进行优选。而借助螺杆压缩机设计计算软件SCCAD，不仅可从热力性能影响因素出发，更进一步地注意到了有关参数对转子间力矩分配的影响，同时注意到转子型线的流线化，使得利用该技术设计的转子型线在热力性能、动力特性以及降低噪声等方面均具有优越的性能。目前，西安交通大学已能够根据螺杆压缩机的具体应用场合，专门设计出热力性能和动力特性好、噪声低的新型线。     
         

螺杆转子的加工是螺杆压缩机制造技术的核心，刀具刃形是加工转子时保证转子型线精确度的关键，因此刀具刃形的设计直接决定了转子型线的性能。为了补偿加工误差和转子工作时的受力变形及受热膨胀，需要在理论型线的基础上，设定各点的间隙，并根据由此得到的实际型线进行转子的加工。传统的间隙设定方法是等距型线法和等距型面法，两种方法都没有考虑型线各部分变形量的不同。在最先进的型线啮合间隙设定中，则利用有限元方法对型线各部分的变形进行具体的分析和计算，形成设定啮合间隙的“不等距法”。这种方法，保证了转子型线在加工时能具有很高的精度，阴、阳转子仅在节圆附近以纯滚动的方式接触和传递力矩，对进一步降低噪声和提高效率，能起到帮助作用。

螺杆压缩机应用趋势

螺杆空气压缩机

螺杆空气压缩机分为喷油和无油两类，无油压缩机又分为干式和喷水两种。由于多种类型的压缩机都可设计为空气压缩机，导致空气压缩机的市场竞争非常激烈，因此空气压缩机多被设计为系列化、标准化的产品，以便大批量、低成本地生产和销售。另外，由于压缩空气的用途非常广泛，因而还要求空气压缩机的运行和维护尽量简单，以便使非专业技术人员也能够正确操作。在如图16所示的螺杆空气压缩机的设计中，必须考虑上述这些因素。
　　

近年来，除了继续应用于传统的空气动力装备外，螺杆空气压缩机在一些新领域的应用也越来越多。如公共汽车和轿车燃料电池系统用无油螺杆空气压缩机、发动机增压用螺杆空气压缩机、铁路车辆和城市轻轨车辆用螺杆空气压缩机等等。

螺杆制冷压缩机

按与电动机联接方式的不同，螺杆制冷压缩机分为开启式、半封闭式和全封闭式三种。这类压缩机单级有较大的压缩比及宽广的容量范围，适用于蒸发温度为+5℃～-40℃范围内的高、中、低温各种工况，特别在低温工况及变工况情况下仍有较高的效率，这一优点是其它机型所不具备的。因此，螺杆式制冷压缩机被广泛用于空调、冷冻、化工、水利等各个工业领域。
尤其值得指出的是，螺杆制冷压缩机在中央空调领域的应用正在迅速增加，生产量提高极快，各种冷水机组和风冷热泵系统中螺杆制冷压缩机的应用十分广泛。在机组配置方面，采用经济器循环和变频驱动，可使螺杆制冷机组的性能得到进一步的提高和改善。

近年来，西安交通大学与烟台冰轮股份有限公司在螺杆制冷压缩机研究与开发方面进行了长时间的成功合作。相继开发成功30个型号的LG系列开启式螺杆制冷压缩机和10个型号的BF系列半封闭螺杆制冷压缩机，其综合性能达到国际先进水平。      

          螺杆工艺压缩机

螺杆工艺压缩机属于小批量、多品种的机型，在大多数情况下，这种压缩机是在螺杆制冷压缩机的基础上，考虑工艺气体的特殊性质和压缩机运行工况后的的变型产品。
螺杆工艺压缩机今后所能处理的工艺气体的范围将继续扩大，包括像CO2和N2等惰性工质，也包括像H2、He等轻气体，还包括一些化学性质活泼的气体如HCl、Cl2等。
国内螺杆工艺压缩机的制造技术与国际先进水平还有较大的差距，但近年来也有一些进步和提高。西安交通大学与沈阳大陆激光技术公司合作，对多次出现故障、严重影响流程运行的镇海炼化公司C0201/B机组LG-87/5喷水螺杆压缩机进行了成功的改造，通过设计一种转子新型线，使该压缩机喷水量明显减少，输气量大幅提高的性能，取得了巨大的经济效益。图20示出改造后的C0201/B机组转子。

其它螺杆机械

近年来，设计技术和制造方法与螺杆压缩机类似的一些螺杆机械也获得了很快的发展。下面对螺杆膨胀机和螺杆混输泵的应用作些简单介绍。

螺杆膨胀机按螺杆压缩机的逆原理工作，其基本构造几乎与螺杆压缩机完全相同，但工作过程正好相反。虽然螺杆膨胀机是一种崭新的膨胀机械，但它是在螺杆压缩机的基础上进行研究和开发的，螺杆压缩机技术的许多新突破都可以直接应用于螺杆膨胀机。因此，尽管螺杆膨胀机的历史不长，却已经在几种新型节能系统和装置中得到了应用。如在大型常规制冷机组和CO2跨临界循环中代替节流阀等，在太阳能、地热能及工业余(废)热动力利用方面，螺杆膨胀机也有着很大的应用潜力。

螺杆混输泵用于直接输送油井中产出的原油、水和天然气等多相流体，这类混输泵是在普通螺杆液体泵的基础上，吸收了螺杆气体压缩机的螺杆型线设计和转子加工等关键技术后发展起来的。随着边际区块和卫星油井的开发，利用增压来加大集油半径的多相混输方式愈来愈显示出其重要性和必要性。这种输送方式减少了繁杂的分离器、输油泵、气体压缩机以及两套独立的气液输送管道，既可减少基建投资，又能降低管理费用。另外，对于后期低压油井，还可利用现有生产设施，降低井口回压，增加油气产量，从而有效地提高油田开发的经济效益。与传统的生产系统相比，多相混输系统可节省30%～40%的油田开发费用。目前已有多家公司可提供用于陆地或固定平台上的螺杆多相混输泵，一些公司还提供用于水下多相混输系统的水下螺杆多相混输泵。

结论

螺杆压缩机具有独特的优点，随着对其研究的不断深化和设计技术的持续提高，螺杆压缩机的性能将进一步改善，其应用领域会越来越广泛。除传统的应用场合外，螺杆压缩机在燃料电池等新领域的应用将迅速扩大。