雙螺桿壓縮機(jī)的設(shè)計

雙螺桿壓縮機(jī)的設(shè)計,螺桿,壓縮機(jī),設(shè)計 雙螺桿空氣壓縮機(jī)的設(shè)計 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)運動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現(xiàn)，而容積的變化又是借壓縮機(jī)的一個或幾個轉(zhuǎn)子在氣缸里作旋轉(zhuǎn)運動來達(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)，它除了周期性地擴(kuò)大和縮小外，其空間位置也在變更。 回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)靠容積的變化來實現(xiàn)氣體的壓縮，這一點與往復(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)運動，這一點又與速度式壓縮機(jī)相同。所以，回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)同時兼有上述兩類機(jī)器的特點。 回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)沒有往復(fù)運動機(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，操作簡便，維修周期長，易于實現(xiàn)自動化。 回轉(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。 回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)運動機(jī)件的動力平衡性良好，故壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)高、基礎(chǔ)小。這一優(yōu)點，在移動式機(jī)器中尤為明顯。 回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)高，它可以和高速原動機(jī)（如電動機(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。同時，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、壓力脈動小，不需設(shè)置大容量的儲氣罐。 回轉(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，不像速度式壓縮機(jī)那樣會產(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，運動機(jī)件相互之間，以及運動機(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，由于相對運動的機(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，這些缺點是： 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，運動機(jī)件表面多呈曲面形狀，以其嚙合運動使工作容積改變，這些曲面的加工及其校驗均較復(fù)雜，有的還需使用專用設(shè)備。 回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)工作容積的周壁，大多不是圓柱形，使運動機(jī)件之間或運動機(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動間隙達(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，在耐用消費品中也將得到廣泛的應(yīng)用。 共46頁 第 1 頁 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)計題目來源是自選科研。本課題主要是設(shè)計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)計參數(shù)和設(shè)計要求的條件下，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)計超過現(xiàn)有的值。設(shè)計吸氣孔口的形狀和合理位置，來提高壓縮機(jī)效率。同時，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、主要零部件設(shè)計選型、主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計和機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計；重點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)計參數(shù)的確定。通過設(shè)計，能了解設(shè)計的一般要求和規(guī)則，能將理論知識與生產(chǎn)實際聯(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、動力平衡性好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點，而廣泛地應(yīng)用于礦山、化工、動力、冶金、建筑、機(jī)械、制冷等工業(yè)部門。統(tǒng)計數(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。可以看出，螺桿壓縮機(jī)的設(shè)計研究在工業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的意義。通過本設(shè)計，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)實際聯(lián)系起來，并積累了寶貴的經(jīng)驗，為以后的工作打下了一個堅實的基礎(chǔ)。 1.2 雙螺桿壓縮機(jī)的特點和應(yīng)用前景 1.2.1.雙螺桿壓縮機(jī)的特點 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)。就主要部件的運動形式而言，又與透平壓縮機(jī)相似。所以，螺桿壓縮機(jī)同時兼有上述兩類機(jī)器的特點。 （１）螺桿壓縮機(jī)的優(yōu)點如下： 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)自動化程度高，操作人員不必經(jīng)過長時間的專業(yè)培訓(xùn)，可實現(xiàn)無人值守運轉(zhuǎn)。 3）動力平衡好。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，可實現(xiàn)無基礎(chǔ)運轉(zhuǎn)，特別適合用作移動式壓縮機(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，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： 1）造價高。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，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，以及各種交通運輸工具的制冷裝置。 在環(huán)境溫度下工作時，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)在以下四個階段：第一代為Lysholm齒形，主要線段由點生成擺線組成，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，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)計計算軟件，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“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，從而完成吸氣-壓縮-排氣的全部過程。 一般陽轉(zhuǎn)子與原動機(jī)連接，由陽轉(zhuǎn)子帶動陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。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。一個供吸氣用，稱作吸氣孔口；另一個供排氣用，稱作排氣孔口。雙螺桿壓縮機(jī)的總體結(jié)構(gòu)見圖1。 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)子按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，陰轉(zhuǎn)子按順時針方向旋轉(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粗實線所示。 圖2 雙螺桿壓縮機(jī)的吸氣過程 a）吸氣過程即將開始 b）吸氣過程中 c）吸氣過程結(jié)束 圖2（a）示出的是吸氣過程即將開始時的轉(zhuǎn)子位置。在這一時刻，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)子開始運動，由于齒的一端逐漸脫離嚙合而形成齒間容積，這個齒間容積的擴(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。 （2） 壓縮過程 a）吸氣過程即將開始 b）吸氣過程中 c）吸氣過程結(jié)束、排氣過程即將開始 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線所示。在這里，陽轉(zhuǎn)子沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，陰轉(zhuǎn)子沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)。 圖3 雙螺桿壓縮機(jī)的壓縮過程 圖3（a）示出壓縮過程即將開始時的轉(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 雙螺桿壓縮機(jī)的排氣過程 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）。這個過程一直持續(xù)到齒末端的型線完全嚙合，圖4(b) 。此時，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? 2 雙螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線設(shè)計 2.1 轉(zhuǎn)子型線設(shè)計原則 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，因為這些齒間容積是實現(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，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)子型線嚙合時的嚙合點軌跡，稱為嚙合線。嚙合線實質(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 。在接觸線頂點和機(jī)殼的轉(zhuǎn)子氣缸孔之間，會形成一個空間曲邊三角形，稱為泄漏三角形。若嚙合線頂點距陰、陽轉(zhuǎn)子齒頂圓的交點較遠(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，不能立即開始吸氣過程，就會產(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。 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所示的四個坐標(biāo)系： 圖5 坐標(biāo)系關(guān)系圖 1）固結(jié)在陽轉(zhuǎn)子的動坐標(biāo)系 2）固結(jié)在陰轉(zhuǎn)子的動坐標(biāo)系。 3）陽轉(zhuǎn)子的靜坐標(biāo)系。 4）陰轉(zhuǎn)子的靜坐標(biāo)系。 由于螺桿壓縮機(jī)的陰、陽轉(zhuǎn)子之間是定傳動比嚙合，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，都可以表示在上述四個坐標(biāo)系中，這些坐標(biāo)之間的變換關(guān)系式如下： a) 動坐標(biāo)系與靜坐標(biāo)系的變換 （2） b) 動坐標(biāo)系與靜坐標(biāo)系的變換 （3） c) 靜坐標(biāo)系與靜坐標(biāo)系的變換 （4） d) 動坐標(biāo)系與動坐標(biāo)系的變換 （5） e) 動坐標(biāo)系與動坐標(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)計轉(zhuǎn)子型線時，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)子動坐標(biāo)系中： （7） 上式中，參數(shù)t的始點和終點決定了此組成曲線的起點b和終點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)子運動時的曲線簇方程 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)線上任一點的切線斜率可微分上式，得 （11） 與包絡(luò)線共切于該點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5所示。其組成齒曲線和相應(yīng)的嚙合線見附表1。 圖5 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，并使擺線IJ的形成點向內(nèi)移動。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。修正后，便于轉(zhuǎn)子在加工、安裝、運行及儲運中保護(hù)擺線形成點。但使接觸線頂點與轉(zhuǎn)子齒頂圓交點之距離略有增大，使通過泄漏三角形的泄漏量增加。為此，通常限制直線段DE的長度在0.5-2mm 的允許范圍之內(nèi)。處在低壓側(cè)的直線段AB的長度，由于不影響氣密性，通常從制造工藝出發(fā)，使其與圓弧BC光滑過度。 現(xiàn)在推導(dǎo)各段齒曲線方程、嚙合線方程及相應(yīng)的參數(shù)變化范圍。 1）AB與GH ① AB方程 陰轉(zhuǎn)子上的AB為一徑向直線，其方程為: （22） 參數(shù)ρ2的變化范圍為 （23） 由三角形O2BP,有 （24） （25） 即 （26） 式中,Z2、Z1分別為陰、陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)，R為齒高半徑，在標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定R=25.625%A。 ② GH方程 陽轉(zhuǎn)子上的GH為陰轉(zhuǎn)子上徑向直線AB的共軛曲線，將AB的方程（22）代入（5），得曲線簇方程為 （27） 故有 將上述諸式代入包絡(luò)條件式（14），可得位置參數(shù)與曲線參數(shù)的關(guān)系為 （28） 聯(lián)立（27）和（28）可得到GH的方程，可發(fā)現(xiàn)GH的性質(zhì)是一擺線。 ③ 嚙合線方程 AB和GH嚙合時的嚙合線方程，可按式（21），通過把AB的方程（22）代入坐標(biāo)變換式（3），并與包絡(luò)條件式（28）聯(lián)立得到，即 （29） 1） BC與HI ①BC方程 陰轉(zhuǎn)子上的曲線BC為一圓心在節(jié)點 P，半徑為R的圓弧，又稱銷齒圓弧，其方程為 （30） 參數(shù)t為 （31） 由直角三角形O2BP，有 a 1為保護(hù)角，通常為5°-10°，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為5°。 ②HI方程 陽轉(zhuǎn)子上的曲線HI是陰轉(zhuǎn)子上銷齒圓弧BC的共軛曲線，將BC的方程（30）代入坐標(biāo)變換式（5），得曲線簇方程為 （32） 故有 將上述諸式代入包絡(luò)條件式（14），可得包絡(luò)條件為 即 （33） 由此可見，BC與HI僅在的位置嚙合，而且是整條曲線同時嚙合。把式（33）代入式（32），得到簡化后的HI方程為 （34） 銷齒圓弧的共軛曲線仍是一完全的銷齒圓弧，兩曲線僅在 的瞬時嚙合，而且是沿著整個圓弧段同時嚙合。 ③嚙合線方程 把BC方程（30），代入坐標(biāo)變換式（3），并與包絡(luò)條件（33）聯(lián)立，得到嚙合線方程為 （35） 式（35）表明，銷齒圓弧的嚙合線是與銷齒圓弧一樣的圓弧。 2） I點與CD ①I點方程 陽轉(zhuǎn)子上的I點為一固定點，在坐標(biāo)系中的 （36） 而由三角形O1IP可知： ②CD方程 陰轉(zhuǎn)子上的CD曲線是與陽轉(zhuǎn)子上I點共軛的曲線，將I點的方程（36）代入坐標(biāo)變換式（6），得 （37） 參數(shù)變化范圍為 （38） 陰轉(zhuǎn)子CD曲線上任一點距陰轉(zhuǎn)子中心O2的距離可用下式表示： （39） 將式（37）代入式（39），整理得 即 （40） 故 （41） （42） 其中 （43） 其中e稱為徑向直線修正長度，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為e=0.625%A。 ③嚙合線方程 將I點方程（36）代入坐標(biāo)變換式（2），并考慮到包絡(luò)條件自然滿足，得到嚙合線方程為 （44） 其參數(shù)變化范圍仍由式（38）確定。 I點與其共軛曲線CD嚙合時，其嚙合線就是以陽轉(zhuǎn)子中心O1為圓心，以I點到O1的距離b1為半徑的圓弧，即I點在靜坐標(biāo)系中的運動軌跡。 3） D點與IJ ①D點方程 陰轉(zhuǎn)子上的D點為一固定點，在O2x2y2坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為 （45） 其中， 由曲線CD方程（37），有 （46） 式中由式（42）確定。 ②IJ方程 將D點的方程（45）代入坐標(biāo)變換式（5），即得IJ方程為 （47） 參數(shù)變化范圍為 （48） 陰轉(zhuǎn)子IJ曲線上任有點距陽轉(zhuǎn)子中心O1的距離可用下式表示： （49） 將式（47）代入（49）中，得 即 （50） （51） （52） 其中 ③r J方程 在直角三角形O2DP中， （53） 在直角三角形O1O2J中， （54） ④ 嚙合線方程 將D點方程（45）代入坐標(biāo)變換式（3）中，并考慮到包絡(luò)條件自然滿足，得到嚙合線方程為 （55） 其參數(shù)變化范圍仍由式（48）確定。 其嚙合先就是D點在靜坐標(biāo)系中的軌跡，即以O(shè)2為圓心，以D點到O2的距離為半徑的圓弧。 5）DE與JK ①DE方程 陰轉(zhuǎn)子上的DE為一徑向直線，其方程為 （56） 參數(shù)ρ2的變化范圍為 （57） ②JK方程 將DE的方程（56）代入坐標(biāo)變換式（5），得曲線簇方程為 （58） 故有 將上述諸式代入包絡(luò)條件式（14），得到曲線參數(shù)ρ2與轉(zhuǎn)角參數(shù)Φ1的關(guān)系為 （59） 其參數(shù)變化范圍由式（57）確定，式（58）表明JK的性質(zhì)是一擺線。 ③嚙合線方程 把DE的方程（56）代入坐標(biāo)變換式（3），并與包絡(luò)條件式（59）聯(lián)立，即得到其嚙合線方程為 （60） 其參數(shù)變化范圍由式（57）確定。 6）EF與KL ① EF方程 陰轉(zhuǎn)子上EF曲線為一圓心在O2，半徑為R2 t的圓弧，其方程為 （61） 參數(shù) t和變化范圍為 （62） ② KL方程 將EF的方程（61）代入坐標(biāo)變換式（5），得 （63） 故有 將上述諸式代入包絡(luò)條件式（14），可得包絡(luò)條件為 （64） 把式（64）代入式（63），整理后得 （65） 其參數(shù)變化范圍仍由式（62）確定。從式（65）可以看出，KL是圓心在O1，半徑為R1 t的圓弧，這說明節(jié)圓圓弧的共軛曲線仍為節(jié)圓圓弧。 ③ 嚙合線方程 把EF的方程（61）代入坐標(biāo)變換式（3），得 （66） 上式表明節(jié)圓圓弧的嚙合線為一固定點，即節(jié)點p。 陰轉(zhuǎn)子型線程序見附件（三）； 陽轉(zhuǎn)子型線程序見附件（四）； 3 雙螺桿空氣壓縮機(jī)螺桿尺寸的確定 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） 本設(shè)計中壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子螺桿部分的幾何尺寸選用標(biāo)準(zhǔn)系列，具體見附表2。 取陽轉(zhuǎn)子圓周速度u1=10m/s，則 陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1=60u1/(3.14D1)=6010/(3.140.102)=1873.3608r/min. 陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2=n1/I=1873.3608/(0.6667)= 2809.9007 r/min. 4 幾何特性 4.1 齒間面積和面積利用系數(shù) 1.齒間面積 陰、陽轉(zhuǎn)子的齒間面積是螺桿壓縮機(jī)的重要幾何性質(zhì)之一，在對轉(zhuǎn)子型線的各段組成齒曲線建立方程逐個確定其參數(shù)變化范圍后，可利用解析法求得轉(zhuǎn)子的齒間面積。 陰、陽轉(zhuǎn)子齒間面積系由多段光滑曲線及齒頂圓弧首尾相接圍成的，故其面積的一般表達(dá)式為： （67） （1）陰轉(zhuǎn)子齒間面積 陰轉(zhuǎn)子齒間面積A02為： =669.0188（mm2） （68） （2） 陽轉(zhuǎn)子齒間面積 陽轉(zhuǎn)子齒間面積A01為： =552.4108（mm2） （69） =1221.4296(mm4) 2.面積利用系數(shù) 螺桿壓縮機(jī)的面積利用系數(shù)，表征轉(zhuǎn)子直徑范圍內(nèi)總面積的利用程度。其定義式為： （70） 查表23-11，得單邊對稱擺線-銷齒圓弧型線的面積利用系數(shù)=0.4696。 4.2 齒間容積及其變化過程4.2.1.齒間容積 一般若轉(zhuǎn)子的齒間面積為A、有效工作段長度為L，則齒間容積V為 （71） 由上式，可得陰、陽轉(zhuǎn)子的齒間容積V02、V01分別為 （72） （73） （74） 4.2.2.齒間容積的變化 螺桿壓縮機(jī)工作時，陰、陽轉(zhuǎn)子的齒間容積因彼此侵占而減小，從而實現(xiàn)壓縮氣體的目的。用端面齒間面積的變化來描述容積的變化，可以使復(fù)雜的空間問題轉(zhuǎn)化為簡單的平面問題。 如圖6所示，當(dāng)陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到齒1’，即將侵占陽轉(zhuǎn)子齒1后的齒間面積A01位置時，即為壓縮開始點，也是齒間容積減少的起點。規(guī)定處于這一位置的陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為零，即φ1=0。此后，陽轉(zhuǎn)子齒1后的齒間面積就因陰轉(zhuǎn)子齒1`的侵入而由最大值A(chǔ)01逐漸減少。 圖6 基元容積開始減少時的轉(zhuǎn)子位置 從壓縮過程開始點起，根據(jù)轉(zhuǎn)子型線方程或型線坐標(biāo)點，應(yīng)用解析法、數(shù)值積分法或圖解積分法，可得到陽轉(zhuǎn)子的齒間面積被陰轉(zhuǎn)子齒侵占的齒間面積A0r隨陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角φ1的變化曲線，如圖7（a）所示。同理，可得到陰轉(zhuǎn)子A2r的齒間面積被陽轉(zhuǎn)子齒侵占的齒間面積隨陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角φ1的變化曲線，如圖7（b）所示。將兩圖疊加，得到圖7（c），它表示一對齒間面積Ar被侵占值轉(zhuǎn)角φ1的關(guān)系。 圖7 齒間面積侵占圖 a）陽轉(zhuǎn)子齒間面積被侵占圖b）陰轉(zhuǎn)子齒間面積被侵占圖c）一對齒間面積被侵占圖 圖7中，τ1z為陽轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角，τ1z=300°，螺旋角β=0.6781，而 （75） 齒間容積減少的數(shù)值可用Ar-φ1曲線下的面積求得，即 （76） 由式（75）可得到齒面間容積對的容積減少值與轉(zhuǎn)角j1的關(guān)系曲線，如圖所示。 可分三個階段： 第Ⅰ階段（0≤j1≤j1k）：該階段結(jié)束時齒間容積減少值為V1k=T1/（2p）S0 第Ⅱ階段（j1k≤j 1≤t 1z）：該階段容積減少值為 （77） 該階段結(jié)束時，齒間容積總的減少值為 （78） 第Ⅲ階段（t 1z≤j 1≤t 1z+ j 1k）：該階段容積減少值為。顯然有關(guān)系式 （79） 從上述分析看出，螺桿壓縮機(jī)的陰、陽轉(zhuǎn)子齒從開始嚙合到解脫嚙合期間，位于接觸線一側(cè)的齒間容積從最大值減少到零，完成壓縮和排氣過程。同時，位于接觸線另一側(cè)的齒間容積卻從零擴(kuò)大到最大值，完成了吸氣過程。 4.3 扭角系數(shù)及內(nèi)容積比 4.3.1.扭角系數(shù) 扭角系數(shù)為 （80） 查表23-12，得單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線的扭角系數(shù)為Cj =0.9905。 2.內(nèi)容積比 它決定壓縮機(jī)的排氣孔口位置，其定義為 （81） 氣體的壓縮過程終止于第Ⅱ階段，則 （82） （83） 做近似計算，氣體的壓縮過程終止于第Ⅱ階段，則 （84） 將上式代入式（82）及式（83），得 （85） （86） 則 （87） 5 雙螺桿壓縮機(jī)的熱力學(xué)計算 螺桿壓縮機(jī)的熱力學(xué)計算的目的，是為了求出在壓縮過程中壓力和溫度的變化，并由其結(jié)果算出機(jī)器所需要的功率。此外至少還必須近似地求出壓縮機(jī)的容積效率。 在螺桿壓縮機(jī)的設(shè)計計算中，對于大部分所輸送的工質(zhì)的壓力和溫度變化與理想氣體相同。螺桿壓縮機(jī)齒槽內(nèi)的實際的熱力學(xué)過程十分復(fù)雜，在理論上還不能準(zhǔn)確地掌握的。因此，在熱力學(xué)計算上只能采用十分簡化的模型，于是得出的結(jié)果只能近似地接近實際。 5.1 內(nèi)壓力比 若壓縮氣體視為理想氣體，則內(nèi)壓力比可用下式近似計算： （88） 式中，pt = 0.8Mpa(表壓)為內(nèi)壓縮終了的壓力； = 0.1Mpa(大氣壓),為吸氣終了壓力；Vt為壓縮過程結(jié)束時的容積值；Vo為吸氣過程結(jié)束時的容積值；為壓縮機(jī)的內(nèi)容積比；m為多方壓縮過程指數(shù)。將已知數(shù)據(jù)代入上式得： =0.8/0.1=8 5.2 容積流量及容積效率 5.2.1.理論容積流量 螺桿壓縮機(jī)的理論容積流量qvi，為單位時間內(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。若令λ=L/D1，則有 （89） 查手冊得： =0.4696；查手冊得： =0.971（陽轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角為300°）；長徑比l =L/D1=1.35；D1=102mm；陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1=1873.36r/min。將已知數(shù)據(jù)代入式（89），得 5.2.2.實際容積流量 螺桿壓縮機(jī)的實際容積流量是指折算到吸氣狀態(tài)的實際容積流量，計算式為 （90） 式中ηV為容積效率, 已知=1.0m3/min，代入式（69），得 5.3 軸功率及絕熱效率 5.3.1.指示功W 氣體看作理想氣體，其狀態(tài)方程如下所示： 或 （91） (1)吸氣過程看作等壓過程 吸進(jìn)的空氣質(zhì)量m為，p0=p1s=Pa，T0=T1s=298K，空氣分子量M = 29.27，氣體常數(shù)R=8.314（J.mol-1.k-1）。 （92） 吸氣過程指示功W1為 （93） （2）壓縮過程看作絕熱過程 壓縮過程結(jié)束時，齒間容積總的減少值V2z為 = = 壓縮過程結(jié)束時，齒間容積V2為 = = （94） 壓縮終溫Td為,因為有一定熱量傳出，1≤n≤k=1.4，取n=1.10 =360.078（K） （95） 壓縮過程指示功W2為，空氣的絕熱系數(shù)k=1.4 （96） （3）排氣過程看作等壓過程 排氣過程指示功W3 (97) 總的指示功W為 （98） 5.3.2.軸功率 （1） 指示功率Pi Pi= (99) W為指示功，n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速,n=3000r/min。 軸功率 （100） ηm為機(jī)械效率，一般ηm =0.90-0.98，取ηm =0.96。 5.3.3.絕熱效率ηad 螺桿壓縮機(jī)的絕熱效率ηad反映了壓縮機(jī)能量利用的完善程度，其數(shù)值依機(jī)型和工況不同而有明顯的差別。據(jù)圖23-50，Pd=0.8Mpa, 取絕熱效率had=0.78。 5.3.4.絕熱指示效率hi （101） 5.4 電動機(jī)功率 5.4.1.傳動效率 采用增速齒輪傳動，其傳動效率ht=0.97-0.99，取ht=0.98。 5.4.2電動機(jī)功率 一般電動機(jī)功率均滿足選配大于軸功率，電動機(jī)動余度為：xd=1.05-1.15，取xd=1.10，電動機(jī)功率 （102） 5.5 電功率 本設(shè)計采用封閉式三相交流異步鼠籠式電動機(jī)，其型號為Y280S-2，電動機(jī)軸直徑D=65mm其轉(zhuǎn)速n=3000r/min，其效率hd=0.915，則電能總消耗為： (KW) （103） 6 雙螺桿壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 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。 噴油螺桿空氣壓縮機(jī)的機(jī)體不設(shè)冷卻水套，轉(zhuǎn)子為內(nèi)部不需冷卻的整體結(jié)構(gòu)，壓縮氣體所產(chǎn)生的徑向力和軸向力都由滾動軸承來承受。排氣端的轉(zhuǎn)子工作段與軸承之間有一個簡單的軸封，通過在機(jī)殼或軸上開出凹槽，并向里邊供入一定壓力的密封油，即可很好地起到密封的作用。 7 雙螺桿壓縮機(jī)的力學(xué)計算 用虛功原理對螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行動力分析，徑向力的計算歸結(jié)為基元容積投影的幾何性質(zhì)的計算，將復(fù)雜的空間問題轉(zhuǎn)化為簡單的平面問題。 分析力學(xué)的基礎(chǔ)是虛位移原理和達(dá)郎伯原理。前者給出解決力學(xué)系統(tǒng)平衡問題的普遍原理；而后者用平衡的觀點來處理動力學(xué)問題。無論約束是定常的或不定常的，如果約束力在質(zhì)點系任意虛位移中的元功之和等于零，則任一瞬時作用在該理想約束的質(zhì)點系上的主動力與慣性力在質(zhì)點系任意虛位移中的元功之和為零。這稱為動力學(xué)普遍方程或達(dá)朗伯-拉格郎日方程。 瞬時基元容積內(nèi)的氣體對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩Tg，Tg在虛位移即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)微元角dj上所做的功為Wg， （105） 主動力在dj上所做的功等于瞬時基元容積之中氣體壓力Pi與容積微小變化dV的乘積，按照達(dá)朗伯-拉格郎日方程則有： （106） 因合力對任一軸的矩等于各力對同一軸的矩的代數(shù)和，所以Tg可通過計算瞬時基元容積在XOZ、YOZ平面投影的靜矩M求出， （107） 由（105）、（106）、（107）式 （108） 7.1 徑向力的計算 7.1.1.坐標(biāo)系 計算瞬時基元容積投影的靜矩時，采用下圖所示的坐標(biāo)系： 圖8 轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系 O1Z1-陽轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)軸；O2Z2-陰轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)軸；X1O1Y1位于陽轉(zhuǎn)子吸氣端面；X2O2Y2位于陰轉(zhuǎn)子吸氣端面；陽轉(zhuǎn)子以φ1作逆時針旋轉(zhuǎn)；陰轉(zhuǎn)子以φ2作順時針旋轉(zhuǎn)。 7.1.2.計算工況 取基元容積與排氣孔連通時作為計算工況，此時轉(zhuǎn)子受力最大，響應(yīng)的氣體壓力分別為： j1=106.956°，Pi=0.1143Mpa； j1=196.956°，Pi=0.2838Mpa； j1=286.956°，Pi=0.5375Mpa； j1=376.956°，Pi=0.8Mpa； 7.1.3.平面圖形的靜矩和重心 基元容積在XOZ、YOZ平面上的投影輪廓線由接觸線、齒頂螺旋線、吸氣端面（或排氣端面）組成。 設(shè)基元容積在YOZ平面的投影對于Y軸及Z軸的靜矩為MY-YOZ及MZ-YOZ，密度為1，面積為SYOZ，則重心G1（Y，ZYOZ）的坐標(biāo)為： （109） （110） （111） （112） 式中的f（Z）為接觸線方程或齒頂螺旋線方程，若氣體壓力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反 ，則靜矩取正直，反之則取負(fù)值，積分方式采用解析法。 7.1.4.作用在轉(zhuǎn)子上的徑向力 MZ-YOZ1、Y1、ZYOZ1、Pi可以確定作用在陽轉(zhuǎn)子X1方向上徑向載荷TX1的大小、方向、作用點；MZ-XOZ1、X1、ZXOZ1、Pi可以確定作用在陽轉(zhuǎn)子Y1方向上徑向載荷TY1的大小、方向、作用點。同理，MZ-YOZ2、Y2、ZYOZ2、Pi和MZ-XOZ2、X2、ZXOZ2、Pi分別可確定作用在陰轉(zhuǎn)子上的徑向載荷Tx2和Yy2。TX、TY與圖所示X軸、Y軸方向相反取負(fù)值。 當(dāng)基元容積與排氣孔連通時，作用在陽轉(zhuǎn)子上總的徑向力T1為： 7.2 軸承支反力 陽轉(zhuǎn)子吸氣側(cè)和排氣側(cè)軸承支反力分別為： 陰轉(zhuǎn)子吸氣側(cè)和排氣側(cè)軸承支反力分別為： 7.3 軸向力的計算 在半徑為r齒面的微元螺旋線段dl上，氣體壓力dpi可以分解為軸向分離dQa、徑向分力dT，切向分力dQT。 按力學(xué)規(guī)則可得dQT與dQa的關(guān)系式： （113） 式中b —半徑為r的圓柱面上的螺旋角 又因 則有 （114） 式中b—螺桿的導(dǎo)程 作用于dl上的轉(zhuǎn)矩dTg： （115） 積分上式得氣體對抓呢子的旋轉(zhuǎn)力矩Tg （116） 將（107）式展開： （117） （118） 整理（116）、（117）、（118）式： （119） （120） 式中Qa1、Qa2陽、陰轉(zhuǎn)子型面軸向力，正號表示指向吸氣端；負(fù)號表示指向排氣端。 指向吸氣端 指向排氣端 8 雙螺桿壓縮機(jī)的吸、排氣孔口設(shè)計 8.1 吸氣孔口 壓縮機(jī)吸氣孔口的合理位置和形狀，是實現(xiàn)氣體壓縮過程的必備條件，也是實現(xiàn)壓縮機(jī)效率的一個重要因素。為此，在設(shè)計吸氣孔口時應(yīng)該滿足一系列的要求： ① 吸氣孔口應(yīng)盡量減少吸氣封閉容積的影響。 ② 吸氣孔口的位置應(yīng)能保證齒間容積獲得最大程度的充氣，以提高機(jī)器的容積利用率。 ③ 氣體在吸氣孔口處及齒間容積內(nèi)的流動損失要小。即力求孔口面積盡能地大、氣流通道截面變化平滑。 8.1.1.軸向吸氣孔口 （1） 吸氣開始角 目前廣泛使用的不對稱型線，當(dāng)陰轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)過兩轉(zhuǎn)子的齒頂圓交點，并與陽轉(zhuǎn)子進(jìn)入嚙合后，在接觸線的一側(cè)，轉(zhuǎn)子的齒間容積將逐步減少。在接觸線的另一側(cè)，轉(zhuǎn)子的齒間容積將從零開始擴(kuò)大。在f = 0~b 范圍內(nèi)不能布置吸氣孔口，會產(chǎn)生大小不同的吸入封閉容積。 當(dāng)陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過兩轉(zhuǎn)子的中心線后，處于壓縮過程的容積不再與吸氣端面連通，從此位置開始，即可布置吸氣孔口。吸氣孔口不應(yīng)處于嚙合線范圍內(nèi)，為使齒間容積盡早開始吸氣過程，吸氣孔口應(yīng)盡量靠近兩轉(zhuǎn)子的中心連線，即陽轉(zhuǎn)子的吸氣開始角應(yīng)為b。 （2） 吸氣結(jié)束角 吸氣孔口的位置應(yīng)能保證齒間容積獲得最大程度的充氣。陽轉(zhuǎn)子的軸向吸氣角a1s由下式確定： τ1z=3π/2 β=0.6781 （121） （122） 陰轉(zhuǎn)子軸向吸氣角a2s為 （123） 考慮到實際氣體流動滯后的因素，可適當(dāng)選取比式（123）計算結(jié)果大的數(shù)值，故取a2s = 4.20000。 1. 徑向吸氣孔口 為了盡可能擴(kuò)大吸氣孔口的通流面積，在開設(shè)軸向吸氣孔口的同時，還將機(jī)體沿軸向挖空作為徑向吸氣孔口。 本設(shè)計采用混合吸氣孔口，即在純軸向吸氣孔口的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將機(jī)殼應(yīng)上該開徑向吸氣孔口的位置挖10mm。 8.2 排氣孔口 8.2.1.軸向排氣孔口 （1） 排氣開始角 對所要求的內(nèi)容積比，必有一個對應(yīng)的排氣孔口。陽轉(zhuǎn)子排氣角a1d為： 相應(yīng)的陰轉(zhuǎn)子排氣角度，可根據(jù)陰、陽轉(zhuǎn)子齒間容積同時排氣的原則由下式計算： （125） （2）排氣結(jié)束角 為了防止處于排氣壓力的氣體流回處于吸氣壓力的齒間容積，排氣孔口應(yīng)處于嚙合線范圍之內(nèi)。另外，為了使齒間容積內(nèi)的氣體能夠被完全排出，排氣孔口又應(yīng)盡量靠近兩轉(zhuǎn)子的中心連線。為了降低噪聲，減少氣體流動損失，以及考慮到制造工藝上的方便，將端面排氣孔口嚙合線頂點處的尖點削平。取適中的水平段長度，以減少氣體泄漏。 圖9 軸向排氣孔口的位置和形狀 如圖9所示，軸向排氣孔口型線為1-2-3-4-5-6-7-8-1。需要指出的是，圖中曲線段6-7，1-2分別取陰.陽轉(zhuǎn)子齒間容積前方齒的背段型線，曲線段3-4-5應(yīng)取型線的高壓側(cè)嚙合線形狀，曲線段5-6，2-3分別為陰陽轉(zhuǎn)子型線的齒根圓周，但通常將機(jī)體的這一部分挖空。 8.2.2. 徑向排氣孔口 為了降低排氣流速，在開設(shè)軸向排氣孔口的同時，還將機(jī)體沿軸向挖空作為徑向排氣孔口，其挖切方法與徑向吸氣孔口類同。 本設(shè)計采用混合排氣孔口，以得到最大的通流面積，從而使壓力損失達(dá)到最小，而且在排氣的情況下，氣體隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)受到的離心力對氣體排向徑向排氣孔口是有利的。 圖10 徑向排氣孔口的位置與形狀 為了降低排氣流速，在開設(shè)軸向排氣孔口的同時，還將機(jī)體沿軸向挖空作為徑向排氣孔口，其挖空的方法與徑向吸氣孔口相同。如圖10所示，徑向排氣孔口的形狀為.應(yīng)該指出的是，分別為排出端面上由點A、B所引出的陰，陽轉(zhuǎn)子的外圈螺旋線。 9主要零部件設(shè)計和選材 9.1.1.機(jī)體 機(jī)體是螺桿壓縮機(jī)的主要部件。它由中間部分的氣缸及兩端的端蓋組成。端蓋內(nèi)置有軸封、軸承。 只要適當(dāng)安排轉(zhuǎn)子的螺旋旋向和機(jī)體上的吸排氣孔口，幾乎可以在任何位置安排吸、排氣通道。對吸排氣通道的要求是平滑過度和流速低，以減少流動損失。 吸氣端讓吸入氣體從低部進(jìn)入，沿徑向進(jìn)入機(jī)體。與吸氣類似，排氣設(shè)在機(jī)體的頂部，采用徑向排氣。 噴油螺桿壓縮機(jī)的機(jī)體采用單層壁結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子包含在機(jī)體中，機(jī)體的外側(cè)即為大氣。為給進(jìn)氣和排氣留下氣體流動的空間，機(jī)體需向外做必要的延伸。 機(jī)體材料為灰口鑄鐵，牌號為HT200。 9.1.2.轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子是螺桿壓縮機(jī)的主要零件，由于轉(zhuǎn)子直徑較小，其結(jié)構(gòu)采用整體式。對螺旋狀工作段以外的部分，按通常的“轉(zhuǎn)軸”要求進(jìn)行設(shè)計。 螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的毛坯常為鍛件，采用球墨鑄鐵，其牌號為QT600-3，既便于加工，又降低了成本。 9.1.3.軸承 在螺桿空氣壓縮機(jī)中，由于軸向力和徑向力都不大，故都采用滾動軸承。 采用深溝球滾動軸承，型號為6006，既能承受軸向載荷，也能承受徑向載荷。 軸承采用脂潤滑。 9.1.4.軸封 噴油螺桿空氣壓縮機(jī)都采用滾動軸承，為了防止壓縮腔的氣體通過轉(zhuǎn)子軸向外泄漏，必須在排氣端的轉(zhuǎn)子工作段與軸承之間加一個軸封。在螺桿壓縮機(jī)正常工作時，吸入端的轉(zhuǎn)子工作段與軸承之間幾乎沒有壓差，所以，在吸氣端的轉(zhuǎn)子加工段與軸承 共46頁 第 45 頁 之間，只用間隙密封就能滿足要求，沒有必要再提供密封油。在小型壓縮機(jī)中，通常采用簡單的唇型密封。 10.雙螺桿空氣壓縮機(jī)壓力脈動理論計算 氣流脈動現(xiàn)象是引起壓縮機(jī)運行性能和可靠性下降的重要原因之一。雖然雙螺桿壓縮機(jī)沒有排氣閥，但由于在壓縮機(jī)的排氣過程中，排氣口的面積是變化的，在不同的時刻通過排氣孔口的氣體流量不同，因而不可避免地會產(chǎn)生排氣流量脈動。另外， 由于不設(shè)排氣閥，當(dāng)設(shè)計工況與實際工況不一致時，在工作容積與排氣孔口連通的瞬時，理論上將出現(xiàn)等容壓縮或膨脹現(xiàn)象，導(dǎo)致排氣孔口處氣體流量的瞬時突變，這些氣流流量的脈動均會產(chǎn)生壓力的脈動。 10.1.氣流脈動的數(shù)值模擬 10.1.1. 一維非定常氣流方程組及其解法 對于等截面管內(nèi)的一維非定常氣體流動，由連續(xù)方程.動量方程及能量方程構(gòu)成描述其運動規(guī)律的方程組。將方程組無量綱化，得 （126） 式中 利用L-W兩步法數(shù)值求解方程組（126），其格式為 第一步 第二步 L-W數(shù)值計算兩步法方案及步驟如圖11所示。其中，下j指管道上均分點的號碼，上標(biāo)指無因次時刻值。除去孔口端點1和末端點n外，所有內(nèi)分點上氣流的參數(shù)值（U，P，R）都可以由Z時刻的值，按兩步法規(guī)則，推出時刻的值。 圖11 L-W購步法圖示 當(dāng)均分點取定后，也就已知，而的取值應(yīng)滿足L-W數(shù)值解的穩(wěn)定性條件 （127） 將所要計算的管道系統(tǒng)劃分為9個單元，每個單元 的取值為0.01，的取值為0.02。通過公式（127）可以看出，這樣劃分網(wǎng)格是滿足穩(wěn)定性條件的。 10.1.2 邊界條件處理 分析上面提到的兩步計算一維非穩(wěn)態(tài)可壓縮氣流守恒型方程組可以看出，此方法不能計算邊界點1和n的參數(shù)值。對于邊界點，可以采用勻熵修正理論，即只考慮管道摩擦，不考慮與外界的熱交換，并且由摩擦引起的熵值增加也略去不計，這種方法對工程計算而言已被證明是有效的。 圖12所示的雙螺桿壓縮機(jī)排氣系統(tǒng)可進(jìn)一步簡化為壓縮機(jī)—排氣管—異徑管—容積腔，即兩個邊界點分別為壓縮機(jī)的容積腔。 在圖12中，管道的左端點為壓縮機(jī)的基元容積腔，根據(jù)連續(xù)性條件，通過A-A 截面右側(cè)排出氣體的速度理論值為 （128） 式中V1為壓縮腔的容積，u為理論排氣流速，Ae表示A-A 截面右端的有效通流面積。 圖10 排氣系統(tǒng)簡圖 對雙螺桿壓縮機(jī)，根據(jù)轉(zhuǎn)子型線方程和基本參數(shù)，并結(jié)合壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以求得/的數(shù)值解，從而求得理論排氣流速隨時間變化的離散值。需要指出的是，對陽轉(zhuǎn)子而言，當(dāng)它從排氣開始到排氣結(jié)束所轉(zhuǎn)過的角度大于/（為陽轉(zhuǎn)子的齒數(shù)），此時在壓縮機(jī)一