1、 双螺杆压缩机的设计 【摘要】 双螺杆压缩机是一种比较新颖的压缩机，因其可靠性高、操作维修方便、动力平衡性好、适应性强等优点，而广泛地应用于矿山、化工、动力、冶金、建筑、机械、制冷等工业部门。双螺杆压缩机已经超过所有工业压缩机的 50 ，其市场份额超过 80 ，今后其市场份额还将继续扩大。可见，研究双螺杆压缩机具有十分重要的意义。本课题主要是设计通用的喷油双螺杆空气压缩机，采用单边不对称摆线 -销齿圆弧型型线，阴、阳转子齿数比为 6： 4。设计新型转子型线，目的是使接触线长度、泄漏三角形面积和封闭余隙容积 3 者达到最 优化设计，以进一步提高双螺杆压缩机的机械性能。重点研究的是双螺杆压缩机的转
2、子型线设计、几何特性、受力分析、热力学计算。 【关键词】 双螺杆压缩机 转子型线 啮合线 齿间容积 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
3、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 un
4、iversal 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 a
5、rea 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,
6、mesh curve, tooth space volume. 目 录 毕业设计 (论文 )任务书 . 开题报告 . 指导教师审查意见 . 评阅教师评语 . 答辩会议记录 . 中文摘要 . 外文摘要 . 前言 . .1 1选题背景 . .3 1.1 研究双螺杆压缩机的目的和意义 3 1.2 双螺杆压缩机的特点和应用前景 3 1.3 国内外双螺杆压缩机研究的进展 5 1.4 双螺杆压缩机基本结构和工作原理 6 2双螺杆压缩机的转子型线设计 . .9 2.1 转子型线设计原则 9 2.2 型线方程和啮合线方程 10 2.3 单边不对称摆线 -销齿圆弧型线 10 3双螺杆压缩机螺杆尺寸的确定 . 2
7、3 4几何特性 . 23 4.1 齿间面积和面积利用系数 23 4.2 齿间容积及其变化过程 24 4.3 扭角系数及内容积比 27 5双螺杆压缩机的热力学计算 . 28 5.1 内压力比 28 5.2 容积流量及容积效率 28 5.3 轴功率 29 5.4 电动机功率 31 5.5 电功率 31 6双螺杆压缩机的结构设计 31 7双螺杆压缩机的力学计算 31 7.1 径向力的计算 32 7.2 轴承支反力的计算 34 7.3 轴向力的计算 34 8双螺杆压缩机的吸、排气孔口设计 35 8.1 吸气孔口 36 8.2 排气孔口 37 9主要零部件设计和选材 . .38 10双螺杆压缩机压力脉动
8、计算 39 结束语 . 43 参考文献 . . .44 附录 . . . 前 言 双螺杆压缩机属于回转式压缩机。回转式压缩机是一种工作容积作旋转运动的容积式气体压缩机械。气体的压缩是通过容积的变化来实现，而容积的变化又是借压缩机的一个或几个转子在气缸里作旋转运动来达到。回转式压缩机的工作容积不同于往复式压缩机，它除了周期性地扩大和缩小外，其空间位置也在变更。 回转式压缩机靠容积的变化来实现气体的压缩，这一点与往复式压缩机相同，它们都属于容积式压缩机；回转式压缩机的主要机件（转子）在气缸内作旋转运动，这一点又与速度式压缩机相同。 所以，回转式压缩机同时兼有上述两类机器的特点。 回转式压缩机没有往
9、复运动机构，一般没有气阀，零部件（特别是易损件）少，结构简单、紧凑，因而制造方便，成本低廉；同时，操作简便，维修周期长，易于实现自动化。 回转式压缩机的排气量与排气压力几乎无关，与往复式压缩机一样，具有强制输气的特征。 回转式压缩机运动机件的动力平衡性良好，故压缩机的转数高、基础小。这一优点，在移动式机器中尤为明显。 回转式压缩机转数高，它可以和高速原动机（如电动机、内燃机、蒸汽轮机等）直接相联。高转数带来了机组尺寸小、重量轻的优点。同时，在 转子每转一周之内，通常有多次排气过程，所以它输气均匀、压力脉动小，不需设置大容量的储气罐。 回转式压缩机的适应性强，在较大的工况范围内保持高效率。排气量
10、小时，不像速度式压缩机那样会产生喘振现象。 在某些类型的回转式压缩机（如罗茨鼓风机、螺杆式压缩机）中，运动机件相互之间，以及运动机件与固定机件之间，并不直接接触，在工作容积的周壁上无需润滑，可以保证气体的洁净，做到绝对无油的压送气体（这类机器成为无油回转压缩机）。同时，由于相对运动的机件之间存在间隙以及没有气阀，故它能压送污浊和带液滴、含粉尘的气体。 但是， 回转式压缩机也有它的缺点，这些缺点是： 由于转数较高，加之工作容积与吸排气孔口周期性地相通、切断，产生较为强烈的空气动力噪声，其中螺杆式压缩机、罗茨鼓风机尤为突出，若不采取消音措施，即不能被用户所利用。 许多回转式压缩机，如螺杆式、罗茨式
11、、转子式等，运动机件表面多呈曲面形状，以其啮合运动使工作容积改变，这些曲面的加工及其校验均较复杂，有的还需使用专用设备。 回转式压缩机工作容积的周壁，大多不是圆柱形，使运动机件之间或运动机件与固定机件之间的密封问题较难满意解决，通常仅以其间保持一定的运动间隙达到密封，气体通 过间隙势必产生泄漏，这就限制了回转式压缩机难以达到较高的终了压力。 回转式压缩机的形式和结构类型较多，分类也各有不同。 按转子的数量区分：单转子和双转子回转式压缩机，个别情况下还有多转子回转式压缩机； 按气体压缩的方式区分：有内压缩和无内压缩回转式压缩机； 按工作容积是否有油（液）区分：有无油（液）和喷油（液）回转式压缩机
12、。 通常都按结构元件的特征区分和命名，目前广为使用的有罗茨鼓风机、滑片式压缩机和螺杆式压缩机。此外，单螺杆压缩机、液环式压缩机、偏心转子式压缩机以及旋转活塞式压缩机等在不同领域内也得到应用 。 上述各种回转式压缩机，除罗茨鼓风机属无内压缩的机器外，其余均是有内压缩的机器。 双螺杆压缩机是一种很年轻的压缩机型，在最近二十五年才发展成熟，形成系列化。约在一百多年前，人们已经知道双螺杆压缩机的工作原理，但类似今天设计的双螺杆压缩机的诞生日，则应该是在 1934 年， SRM 工厂的总工程师 A利斯霍尔姆（ ALysholm）的专利出现的时候。后来，又发明了圆弧形齿，非对称齿形 SRM 和今天的第四代
13、节能型。 回转式压缩机大多作为中、小排气量，中、低压压缩机或鼓风机之用。目前，回转式压缩机在冶金、化工、石油、交通 运输、机械制造以及建筑工程等工业部门得到广泛的应用；随着人民生活水平的逐步提高，在耐用消费品中也将得到广泛的应用。 共 46 页 第 7 页 1 选题背景 1.1 研究双螺杆压缩机的目的和意义 本设计题目来源是自选科研。本课题主要是设计通用的喷油双螺杆空气压缩机。在深刻理解前人研究的理论基础上，在给定设计参数和设计要求的条件下，研究双螺杆压缩机的转子型线、几何特性、工作过程、受力分析及转子的加工，以进一步提高双螺杆压缩机的机械性能。设计新型转子型线，使接触线长度、泄漏三角形面积和
14、封闭余隙容积 3 者达到最优化。利用自备砂轮修正器的转子 专用数控磨床，快速加工出新型线的转子，使转子的精度和表面粗糙度预计超过现有的值。设计吸气孔口的形状和合理位置，来提高压缩机效率。同时，研究型线和孔口配置等因素对噪声的影响指标，从而更有效地降低噪声。通过设计双螺杆压缩机，可以了解双螺杆压缩机的发展历程、研究现状和发展方向；深入理解双螺杆压缩机的基本结构、特点、主要零部件设计选型、主机结构设计和机组系统设计；重点研究的是双螺杆压缩机的转子型线、几何特性、工作过程、受力分析、转子加工和主要设计参数的确定。通过设计，能了解设计的一般要求和规则，能将理论知识与生产实 际联系起来。 双螺杆压缩机是
15、一种比较新颖的压缩机，因其可靠性高、操作维修方便、动力平衡性好、适应性强等优点，而广泛地应用于矿山、化工、动力、冶金、建筑、机械、制冷等工业部门。统计数据表明，螺杆压缩机的销售量已占所有容积式压缩机销售总量的 80%以上，在所有正在运行的容积式压缩机中，有 50%是螺杆压缩机，今后螺杆压缩机的市场份额仍将不断扩大。可以看出，螺杆压缩机的设计研究在工业生产中具有十分重要的意义。通过本设计，可以充分了解双螺杆压缩机的有关知识，以及如何进一步改善其性能和扩大其应用范围，使双螺杆压缩机能得到 更好的发展，为生产和生活服务。可以将所学理论知识与生产实际联系起来，并积累了宝贵的经验，为以后的工作打下了一个
16、坚实的基础。 1.2 双螺杆压缩机的特点和应用前景 1.2.1.双螺杆压缩机的特点 就气体压力提高的原理而言，螺杆压缩机与活塞压缩机相同，都属于容积式压缩机。就主要部件的运动形式而言，又与透平压缩机相似。所以，螺杆压缩机同时兼有上述两类机器的特点。 （）螺杆压缩机的优点如下： 1）可靠性高。螺杆压缩机零部件少，没有易损件，因而它运转可靠，寿命长，大修间隔期可达 4-8 万 h. 2)操作维护方便。螺杆压 缩机自动化程度高，操作人员不必经过长时间的专业培训，可实现无人值守运转。 3）动力平衡好。螺杆压缩机没有不平衡惯性力，机器可平稳地高速工作，可实现无基础运转，特别适合用作移动式压缩机，体积小、
17、重量轻、占地面积少。 4）适应性强。螺杆压缩机具有强制输气的特点，容积流量几乎不受排气压力的影响，在宽广的范围内能保持较高的效率，在压缩机结构不作任何改变的情况下，适用于多种共质。 5）多相混输。螺杆压缩机的转子齿面间实际上留有间隙，因而能耐液体冲击，可输送含液气体、含粉尘气体、易聚合气体等。 （）螺杆压缩机的主要缺 点： 1）造价高。由于螺杆压缩机的转子齿面是一空间曲面，需利用特制的刀具在价格昂贵的专用设备上进行加工。另外，对螺杆压缩机气缸的加工精度也有较高的要求。 2）不能用于高压场合。由于受到转子刚度和轴承寿命等方面的限制，螺杆压缩机只能用于中、低压范围，排气压力一般不超过 3MPa。
18、3）不能用于微型场合。螺杆压缩机依靠间隙密封气体，目前一般只有容积流量大于 0.2m3/min时，螺杆压缩机才具有优越的性能。 1.2.2.双螺杆压缩机的应用前景 共 46 页 第 8 页 （ 1） 喷油螺杆空气压缩机 动力用的喷油螺杆压缩机已系列化，一般都是 在大气压力下吸入气体，单级排气压力有 0.7 MPa、 1.0MPa 和 1.3 MPa（表压）等不同形式。少数用于驱动大型风钻的两级压缩机，排气压力可达到 2.5 MPa（表压）。此类压缩机目前的容积流量范围为 0.2-100m3/min，越来越被用到对空气品质要求非常高的应用场合，如食品、医药及棉纺企业，占据了许多原属无油压缩机的市
19、场。 （ 2）喷油螺杆制冷压缩机 目前，半封闭和全封闭式螺杆制冷压缩机广泛应用于住宅和商用楼房的中央空调系统，产量远远超过开启式。此外，螺杆制冷压缩机还用于工业制冷、食品冷冻、冷藏，以及各 种交通运输工具的制冷装置。 在环境温度下工作时，单级螺杆制冷压缩机可达 -25的蒸发温度，采用经济器或双级压缩，可达 -40的蒸发温度。既能供冷又能供暖的冷热两用螺杆机组，近年发展很快。目前螺杆制冷压缩机标准工况下制冷量范围为 10-2500KW。 （ 3） 喷油螺杆工艺压缩机 喷油螺杆工艺压缩机的工作压力由工艺流程确定，单级压力比可达 10，排气压力通常小于4.5MPa，但可高达 9MPa，容积流量范围为
20、 1-200 m3/min。 （ 4） 干式螺杆压缩机 目前一般干式螺杆压缩机的单级压力比为 1.5-3.5，双级压力比可达 8-10，容积流量为3-500m3/min。 （ 5） 喷水螺杆压缩机 使喷入的水与润滑油隔开，用于一些可能发生聚合反应的气体，向压缩机入口喷入适当的溶剂，以冲掉这些化合物。 （ 6） 其他螺杆机械 螺杆压缩机可作为油、气、水多相流混输泵使用，也可作为真空泵使用单级真空度可达 98%，能耗较其他类型真空泵低 20%-50%。此外，螺杆机械还可作为膨胀机。 1.3 国内外双螺杆压缩机研究的进展 螺杆压缩机的螺杆齿形发展体现在以下四个阶段：第一代为 Lysholm 齿形，主
21、要线段由点生成摆线组成，限 于当年加工条件，主要用于无油螺杆压缩机；第二代为 1964 年的对称圆弧齿形，4+6 齿，主要线段由圆弧和与之啮合的圆弧包络线组成，动力用螺杆压缩机为主要应用对象；第三代为非对称齿形 SRM， 4+6 齿，主要线段由生成摆线和圆弧包络线组成，其效率较第二代提高10%，广泛用于喷油和无油螺杆压缩机；第四代， 1982 年后以 SRM-D 齿形为代表， 5+6 齿， 4+5齿， 5+7 齿，主要线段为线生成式曲线，无尖点，凡第四代齿形均为节能型。 近年来，人们逐渐对内部进行喷油的双螺杆压缩机产生了兴趣。由于精密的专用数控转子加工铣床和磨床已 经使任何型线的加工变得很方便
22、，大量的研究工作在型线方面。其次阴、阳螺杆齿数从 6： 4 发展到 6： 5。 日本的神钢与日立公司，在将近 50 年的时间里不断成功地开发出了节能明显的各种系列螺杆压缩机。从某种程度而言，日本的空压机节能技术的发展代表了当今世界空压机技术的发展方向。 双螺杆压缩机在我国的发展历程较短，是一种比较新颖的压缩机，但其发展很快。目前，我国的喷油内冷却的动力用双螺杆压缩机比功率已达 5.56KW（ /min），已超过国外产品最好的比功率 5.54KW（ /min）。封闭式螺杆空压机噪声可达 60-85dB(A),国外螺杆压缩机无故障运行在 7* h，国内螺杆压缩机寿命可达 4* h。西安交大刑子文教
23、授开发的“ SCCAD”螺杆设计计算软件，已转交给多家海内外企业应用。螺杆压缩机在国外占据 80%以上移动式空压机市场，国内市场因柴油机方面的原因占份额不大，只有外资产品占有较少市场，螺杆空气压缩机占螺杆压缩机总量的 85%，制冷空调方面螺杆压缩机约占 12%。可以说，我国的个别企业的螺杆压缩机已经达到国际先进水平。 今后螺杆压缩机的市场份额仍将不断扩大，特别是无油螺杆空气压缩机和各类螺杆工艺压缩共 46 页 第 9 页 机，会获得更快的发展。目前， 有人开始研究两螺杆啮合过程中磨损问题和润滑油在齿面上的分布，以提高转子寿命。有文献报道已可做到无磨损啮合。在制冷中，对于 Co 作制冷剂的跨临界
24、循环，用螺杆压缩机与螺杆膨胀机组成一体的机组已经被开发。未来主要是进一步提高螺杆压缩机的性能，扩大其应用范围。 1.4 双螺杆压缩机的基本结构和工作原理 1.4.1.基本结构 通常所称的螺杆压缩机指的是双螺杆压缩机。双螺杆压缩机的发展历程较短，是一种比较新颖的压缩机。 双螺杆压缩机是一种容积式的回转机械。由一对阴、阳螺杆，一个壳体与一对端盖组成。在倒“ 8”形的气缸中， 平行地配置着一对相互啮合的螺旋形转子，分别称为阴、阳转子。它们和机体之间构成一个“ V”字形的一对密封的齿槽空间随着转子的回转而逐渐变小，并且其位置在空间也不断从吸气口向排气口移动，从而完成吸气 -压缩 -排气的全部过程。 一
25、般阳转子与原动机连接，由阳转子带动阴转子转动。在压缩机机体的两端，分别开设一定形状和大小的孔口。一个供吸气用，称作吸气孔口；另一个供排气用，称作排气孔口。双螺杆压缩机的总体结构见图 1。 1.4.2.工作原理 螺杆压缩机的工作循环可分为吸气、压缩和排气三个过程。随着转子旋转，每对相互啮合的齿相 继完成相同的工作循环，这里只研究其中一对齿。 （ 1） 吸气过程 图 2 示出的螺杆压缩机的吸气过程，所讨论的一对齿用箭头标出，阳转子按逆时针方向旋转，阴转子按顺时针方向旋转，图中的转子端面是吸气端面。机壳上有特定形状的吸气孔口如图 2 粗实线所示。 图 2 双螺杆压缩机的吸气过程 a）吸气过程即将开始
26、 b）吸气过程中 c）吸气过程结束 图 2（ a）示出的是吸气过程即将开始时的转子位置。在这一时刻，这一对齿前端的型线完全啮合，且即将与吸气孔口连通。 随着转子开始运动，由于齿的一端逐渐脱离啮合而形成 齿间容积，这个齿间容积的扩大，在其内部形成了一定的真空，而此齿间容积又仅与吸气口连通，因此气体便在压差作用下流入其中，如图 2（ b）中阴影部分所示。在随后的转子旋转过程中，阳转子齿不断从阴转子的齿槽中脱离出来，齿间容积不断扩大，并与吸气孔口保持连通。 共 46 页 第 10 页 吸气过程结束时的转子位置如图 2（ c）所示，其最显著的特征是齿间容积达到最大值，随着转子的旋转，所研究的齿间容积不
27、会再增加。齿间容积在此位置与吸气孔口断开，吸气过程结束。 （ 2） 压缩过程 a）吸气过程即将开始 b）吸气过程中 c）吸气过程结束、排气过程即将开始 图 3 示出螺杆压缩机的压缩过程。这是从上面看相互啮合的转子，图中的转子端面是排气端面，机壳上的排气孔口如图中粗实线所示。在这里，阳转子沿顺时针方向旋转，阴转子沿逆时针方向旋转。 图 3 双螺杆压缩机的压缩过程 图 3（ a）示出压缩过程即将开始时的转子位置。 随着转子的旋转，齿间容积由于转子齿的啮合而不断减少。被密封在容积中的气体所占据的体积也随之减少，导致压力升高，从而实现气体的压缩过程，图 3（ b）。压缩过程可一直持续到齿间容积即将与排气孔口连通之前。 （ 3） 排气过程
