螺杆式空气压缩机结构性能研究与分析

螺杆式空气压缩机具有结构简单、工作可靠和操作方便等一系列独特的优点,现在已经得到了全面而又广泛的应用。螺杆式压缩机气体的压缩是靠装置于机壳内互相平行啮合的阴阳转子的齿槽的容积变化而达到。转子副在与它精密配合的机壳内转动,使转子齿槽之间的气体不断地产生周期性的容积变化而沿着转子轴线由吸入侧推向排出侧,完成吸入、压缩、排气三个工作过程。进气过程,转子转动时,阴阳转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时,其空间最大,此时转子齿沟空间与进气口的相通,因在排气时齿沟的气体被完全排出,排气完成时,齿沟处于真空状态,当转至进气口时,外界气体即被吸入,沿轴向进入阴阳转子的齿沟内。当气体充满了整个齿沟时,转子进气侧端面转离机壳进气口,在齿沟的气体即被封闭。压缩过程,阴阳转子在吸气结束时,其阴阳转子齿尖会与机壳封闭,此时气体在齿沟内不再外流。其啮合面逐渐向排气端移动。啮合面与排气口之间的齿沟空间渐渐减小,齿沟内的气体被压缩压力提高。排气过程,当转子的啮合端面转到与机壳排气口相通时,被压缩的气体开始排出,直至齿尖与齿沟的啮合面移至排气端面,此时阴阳转子的啮合面与机壳排气口的齿沟空间为零,即完成排气过程,在此同时转子的啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长,进气过程又再进行。螺杆空气压缩机组是由螺杆压缩机主机、电动机、油气分离器、冷却器、风扇、水分离器、电气控制箱以及气管路、油管路、调节系统等组成。

结构与性能分析

螺杆压缩机是一种双轴容积式回转型压缩机,其主要是主(阳)副(阴)两根转子配合,组成啮合副,主副转子齿形外部同机壳内壁构成封闭的基元容积;而蜗杆(单螺杆)压缩机是一种单轴容积式回转型压缩机,其啮合副是由一根蜗杆和两个对称平面布置的星轮所组成,由其蜗杆螺槽和星轮齿面及机壳内壁形成封闭的基元容积。

螺杆压缩机的机体均分为两种,一种为皮带传动式,另一种为直接传动式。其中皮带传动式较适用于22kW左右功率的压缩机,是由2个按速度比例制造的皮带轮将动力经由皮带传动;直接传动式是1个连轴器将电动源与主机结合在一起,蜗杆式压缩机可以直接带动蜗杆旋转,而双螺杆压缩机则须再增加一级增速齿轮以提高主转子的转速。

螺杆式空气压缩机的主要性能参数即功率、容积流量、吸气压力、出口温度、排出压力以及转速等。而在螺杆式空气压缩机的设计中,一对相互啮合的转子是一个非常重要的参数。因为其与压缩机的性能紧密相关。螺杆压缩机的阴阳转子可以看作是一对相互啮合的斜齿轮,因此,螺杆压缩机的阴、阳转子型线也要满足啮合定律。转子的齿面与转子轴线垂直面的截交线称为转子型线。螺杆压缩机的转子型线分为对称型线和不对称型线,以及单边型线和双边型线,齿顶中心线两边的型线完全相同时,称为对称型线。反之,齿顶中心线两边的型线不同时,称为不对称型线。只在转子节圆的内部或者外部一边具有型线,称为单边型线。节圆的内、外均有型线,称为双边型线。一般来讲,新型线的开发设计直接影响了螺杆式空气压缩机的性能,而螺杆式空气压缩机性能好坏也取决于型线的设计。

1、螺杆压缩机与往复活塞式压缩机性能比较分析

活塞式压缩机是一种传统的气体压缩方式。利用曲轴连杆机构,把原动机轴的旋转运动转化为活塞在气缸中往复运动来提高介质压力。螺杆式压缩机是一种回转式的容积气体压缩机,利用螺杆回转压缩提高介质压力。活塞式压缩机可以用于很多不同是的设备中,但是在标称压力0.7~0.1MPa范围的空气系统中,活塞式压缩机的使用已经开始慢慢的减少,并使用于中小规模的生产,而且往复式的气体压缩只能通过调整气缸的工作个数进行上、卸载控制,使得在容量控制方面只能做到级别调节(如100% --76% --33% -- 0%的三级调节),并且活塞式压缩机容易发生液击而损坏。螺杆式压缩机通常适用于大中规模的生产,通过滑阀调节能进行无级能量控制,一般可以在12% ~100%的宽广范围内进行无级容量调节。表1对于两种型机的性能进行了详细的比较分析。

往复式的运动由于有吸气、压缩、排气等不同过程,故运动中有相当大的噪音和振动;而螺杆压缩机内螺杆和转子处于匀速旋转状态,圆周运动平稳圆滑,几乎没有摩擦,故噪音很低,在低负荷的情况下机组运行平稳、振动小。

总的来说,活塞式压缩机由于结构复杂,运动件多,因此维修复杂、频繁、维护周期短、费用高,而螺杆压缩机机器结构紧凑,体积小,占地面积少,重量轻;热效率高,加工件少,压缩机的零件总数只有活塞式的1/10;机器易损件少,运行安全可靠,操作维护简单;气体没有脉动,运转平稳,机组对基础不高不需要专门基础;运行中向转子腔喷油,因此排气温度低,氨制冷剂一般不超过90℃;对湿行程不敏感,湿蒸汽或少量液体进入机内,没有液击危险;可在较高压比下运行,单级压缩时,氨蒸汽温度可达-40℃;可借助滑阀改变压缩有效行程,可进行10~100%的无级冷量调节。但是也有一些缺点,螺杆压缩机需要复杂的油处理设备,要求分离效果很好的油分离器及油冷却器等设备,噪声较大,一般都在85分贝以上,需要隔声措施。

2、螺杆压缩机与离心压缩机的性能比较分析

螺杆压缩机运动方式和离心式压缩机相仿,都是高速旋转机械。并且,随着科技的进步,现在也有一部分离心式压缩机取代了活塞式压缩机,因此螺杆压缩机与离心式压缩机的竞争便激烈起来。在全低压空分装置中,离心压缩机得到了广泛的应用。主要用于石油冶炼、石油化工、冶金、空分、动力站、制药、污水处理等领域。表2对于两种型机的性能进行了详细的比较分析。

由于离心式压缩机的喘振线的存在,和它气流速度大,对流道内的零部件损害大,因此对于这样严重的影响极大的制约了离心式压缩机的使用市场。但是大排量的场合还是离心式压缩机的使用率较高。离心式压缩机在低压市场的优势也比较明显,但与螺杆压缩机相比较造价偏高。在一些要求绝对无油的压缩空旷下,离心式压缩机也比螺杆压缩机条件优势明显。对于维护上来说,离心式压缩机的维护费用要比螺杆压缩机小比较省事。

总的来说,离心式压缩机与螺杆压缩机各有优势,但是对于空气质量和大排量上离心式压缩机占有优势,在价格与初期成本上则是螺杆压缩机占有优势。
螺杆压缩机的性能影响分析

螺杆压缩机是依靠转子的不断啮合输出压缩气体的,因此主轴转速的变化,对压缩机的容积流量、排气压力都会产生影响,因此主轴转速是影响螺杆压缩机性能的一大因素。当排气压力增大,压缩机功耗也增加,比功率增大,则经济效益下降,所以排气压力对压缩机的能耗有非常显著的影响。同时,一些试验结果表明外界的环境温度也会对螺杆压缩机的性能产生影响。中国在不同季节与不同区域的气温相差较大,环境温度不同则压缩机的吸气温度也不同,这一参数将直接影响了螺杆压缩机的性能。因此,对于以上影响螺杆压缩机性能的因素进行分析,将对螺杆压缩机的使用产生非常大的帮助。

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