1、专业学位硕士学位论文Y 965349半封闭双螺杆制冷压缩机的研究与开发Research and Development of a Semi-hermetic Twin ScrewCompressor作者姓名： 鄞埋玉 一学科、专业： 剑全点低温王提学 号： Q2lQQQ5指导教师：缝鸣整援瑟卤邑直互完成日期： 2Q蚯生5目!Q目大连理工大学Dalian University ofTeclmology大连理工大学专业学位硕士学位论文摘 要本文从螺杆压缩机的基本结构与原理入手，介绍了螺杆压缩机及转子型线的发展历程以及当今的研究热点。较为详尽地介绍了“N”型线的特点及SCORPATH(螺杆压缩机优化
2、转子型线和热力过程)软件包的内容。并介绍了任务背景及设计任务。此后，阐述了转子型线及转子的设计过程，包括型线和转子设计的基本要求及几个重要的几何参数的确定等，详述了转子的力矩特性和转子啮合的间隙布置。在SCORPATH的帮助下，为新压缩机设计了一对“N”型线转子，并得到了转子的所有的几何参数和转子的受力及气体力矩。阐述了新压缩机的总体结构和布局，对压缩机的几个重要结构作了说明并进行了详细的计算，包括轴向、径向吸气口和轴向、径向排气口。结合转子的几何参数对新压缩机的热力性能进行了计算。根据转子的受力情况，利用新寿命理论计算了轴向、径向轴承的寿命及摩擦，并校核了转子的几个危险截面的强度。用新压缩机
3、的样机装配了一台冷水机组进行试验，并对试验结果进行了分析，重点说明了输气系数。将新压缩机的能效指标与大冷厂已有产品和海外著名产品进行了比较。本文在阐述过程中，采用了大量的图形和表格，使文章文形象、直观。本文提供了一套较为完整的螺杆压缩机设计计算方法，压缩机在设计过程中采用了一些新思想，可为老产品的改造和新产品开发提供参考和借鉴。关键词：型线：转子；半封闭螺杆压缩机半封闭双螺杆制冷压缩机的研究与开发Research and development of a semi-hermetic twin screw compressorAbst tactTkis paper introduced the
4、basic structure and operation principle of screw compressor，aswell as the development of the rotors profiles and new research directionDescribed thecharacteristics ofN”profile and the use of SCORPATH program fScrew CompressorOptimal Rotor Profile And Thermodynamics)in detailAnd introduced the task o
5、f this paperand task backgroundAfter this，it expatiated on the designing process of profile and rotors，such as the basicrequirements of designing work and the determining ofthe important geometricai parametersExpanded on the torque characteristic of rotors and the management of meshing clearanceUnde
6、r the help of SCORPATH，a pair of rotors for new compressor was designedAll thegeometrical parameters and forcetorque ofthe rotors were calculatedThis paper also introduced the total structure and layout of new compressorCalculatedthe important s缸ucnlreincluding suction ports and discharge portsCombi
7、ned rotorsgeometrical parameters，calculated the thermodynamic performance of new compressorAccording to the rotors force，calculated the life of bearings and frictionAnd checked thestress intensity of dangerous rotor sectionUsing a chill unit tested the compressorAnalyzed the test result，especially t
8、he volmneefficacyCompared the performance ofnew compressor winl that ofothersThis paper used many figures and tablesSo it presents a visual aspectThis paper gives a set of design method for screw compressorDuring the design ofcompressor，some new ideas were usedThis can be used for reference during r
9、etrofitting oldcompressors and designing the IlewsKey Words：profde；rotor；semihermetic screw compressor独创性说明作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。大连理工大学专业学位硕士学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文
10、作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名豪I虱易导师签名： 红， 芝!年土月日大连理工大学专业学位硕士学位论文1绪论11螺杆压缩机综述111基本结构螺杆压缩机包括单螺杆压缩机和双螺杆压缩机，通常不加说明是指双螺杆压缩机本文研究的也是双螺杆压缩机。螺杆压缩机的基本结构如图11所示。图11螺杆压缩机结构示意图Fig11 Structure
11、schematic ofthe screw compressor在压缩机的机体中，平行地放置着一对互相啮合的螺旋形转子，具有凸齿的称为阳转子，具有凹齿的称为阴转子。一般阳转子的轴端伸出机体，与原动机相连。阳转子带动阴转子作回转运动。在每一转子的两端，均设置径向轴承来进行径向定位。在两转子的一端设置止推轴承来进行轴向定位。对于中小型的压缩机，径向轴承多采用圆柱滚子轴承，而大型压缩机径向轴承多采用滑动轴承。止推轴承多采用四点接触球轴承或多联装的角接触球轴承。大型的压缩机工作时的轴向力很大，多在两转子的一侧或两侧设置平衡活塞来减轻轴向轴承的负荷。转予轴伸出机体的部位要设密封装置，将压缩机内部与环境隔
12、绝开来，多采用机械密封。对于封闭式压缩机来说，电机装在机体的内部，所以不需要轴封。在压缩机机体的两侧，分别开设一定形状和大小的孔口，一个用作进气，一个用作排气。半封闭双螺杆制冷压缩机的研究与开发112工作原理螺杆式压缩机为容积式压缩设备。通过两啮合转子的转动来对气体进行压缩，气体从转子的一端进入齿槽，沿着齿槽的方向被压缩，从转予对角线的另一端排出齿槽。每对啮合齿的工作循环是相同的，这里取一对齿作说明。a吸气过程如图12所示。图中的转予端面为吸气端面，旋转方向见图中箭头所示。随着两转子的旋转，在吸气端面上一对啮合齿开始脱开啮合，形成了齿间容积，气体从上部的进气口进入该齿间容积，如I)所示。转子继
13、续旋转，螺旋形的齿间容积逐渐延长，外部气体也不断进入该容积中，最终在整个转子长度方向上，形成了两条完整的螺旋形齿间容积，该对齿槽的吸气量达到了最大，如H)所示。此时吸气过程结束。I)吸气开始图12吸气过程Fig12 Suction ProcessII)吸气结束b压缩过程如图13所示。图中的转子端面为吸气端面，旋转方向见图中箭头所示。吸气结束后，转子继续旋转，在吸气端的底部两转子齿开始进入啮合，吸气结束时形成的两条完整的螺旋形齿间容积此时形成一个“v”字形的齿间容积。由于啮合的进一步发展，“v”字形的容积被不断地推向排气段，其容积也在不断地减小。大连理工大学专业学位硕士学位论文图13压缩过程Fi
14、g13 Compression processc排气过程如图14所示。端面及旋转方向已在图中标出。当压缩过程进行到一定程度时，“V”字形的齿间容积在排气端面与排气口发生连通，排气过程开始，如I)所示。转子继续旋转，“v”字形的容积不断减小，最终消失，如)所示，此时该对齿槽的排气结束。I)排气开始 II)排气结束图14排气过程Fig14 Discharge process从以上的描述可以看出，气体的压缩是依靠转子与机体所形成的一个一个的封闭容积的减小来实现的。是具有内压缩的压缩过程。1，13螺杆压缩机特点、分类及应用范围螺杆压缩机与传统的活塞压缩机都属于容积式压缩机，其主要部件的运动又与离心压缩
15、机相似，它具有以下一些优点：可靠性高。螺杆压缩机零部件少，没有易损件。运动部件少，其数量只有活塞压缩机的15110 a因此运行可靠，寿命长，检修期限长，操作和维修方便。动力平衡性好。螺杆压缩机没有不平衡惯性力，机器可高速平稳运行，对基础要求不高。输送能力大，体积小，重量轻。适应性强。具有强制输气的特点，排气量受排气压力的影响小，在较广泛的压力范围内具有较高的效率。多相混输。压缩机转子齿面间有间隙，能耐液体冲击，可输送含液气体。螺杆压缩机也有一些缺点：造价高。螺杆压缩机转子齿面是空间曲面，需在价格昂贵的专用机床上加工。另外对于转子和机体的加工精度要求也非常高。不适合高压场合。由于受转予的刚度、强
16、度及轴承寿命的限制，螺杆压缩机只适应中、低压范围。微型化困难。螺杆压缩机靠间隙密封，机器太小效率过低，转子直径一般在75ram以上。分类：分类方式有多种。按运行方式分，可分为无油压缩机和喷油压缩机两类。无油是指气体在压缩时不与润滑油接触，这种压缩机在运行时两转子不直接接触，而是由阳转子通过同步齿轮带动阴转子旋转，同步齿轮既传递动力，又使两转子间保持间隙，该类压缩机单级压缩比较小，一般在4以下。喷油压缩机在工作时向被压缩气体喷入润滑油，起到润滑、密封、冷却等作用，这种压缩机不需同步齿轮，由阳转子直接驱动阴转子旋转，因而结构更简单，该类压缩机单级压比可达15。按被压缩气体种类和用途不同，可分为空气
17、压缩机、制冷压缩机和工艺压缩机。按级数分可分为单级压缩机和双级压缩机。单级是指工作气体在压缩机内只经过一个压缩过程，适合压比较低场合。双级是指工作气体在压缩机内经过两个压缩过程，适合压比较高场合应用范围：大连理工大学专业学位硕士学位论文螺杆压缩机广泛应用于矿山、化工、动力、建筑、制冷等工业部门，在宽广的容量和工况范围内夺取了其它类压缩机的很大的市场份额。目前螺杆压缩机的销量已占到容积压缩机总销量的80以上。I)喷油螺杆制冷压缩机。制冷螺杆压缩机都采用喷油的方式运行。按与电动机连接方式的不同，可分为开启式、半封闭式和全封闭式三种。开启式转子通过联轴器与电机相连，需要在轴上装轴封来防止制冷剂和润滑
18、油的泄漏。半封闭式的电机与压缩机做成一体，中间用法兰连接，防止了制冷剂和润滑油的泄漏，并且用制冷剂冷却电机，消除了开启式机组中电机冷却风扇的噪声。全封闭式与半封闭式差不多，只是将电机和压缩机装在一个容器中。全封闭式螺杆压缩机产量很小，国际上只有一、两家生产商在生产。开启式压缩机适应的工作范围广，冷量范围大，可做成大型机，最大的转子直径可达620ram。开启式主要应用于工业制冷及大型冷库。半封闭压缩机一般只有中小型，大型化困难，最大的转子直径大概200ram，对于大负荷场合，多采用多机头机组。目前半封闭压缩机广泛用于建筑物的中央空调系统中，产量远远超过开启式。由于半封闭压缩机结构紧凑、噪声小、没
19、有泄露等优点，最近几年，它的应用范围得到了拓展，开始用在热泵系统及低温系统中，挤占了一些原本属于开启式的应用领域。2)喷油螺杆空气压缩机。这类压缩机主要用来提供动力用空气。由于油分离技术和气体净化技术的发展，这类压缩机越来越多地应用到了对空气品质要求高的场合，挤压了无油空压机的市场。3)喷油螺杆工艺压缩机。主要用来压缩各种工艺流程气体。4)干式螺杆压缩机。用来压缩空气和工艺气体，一般转速较高，压比较低。5)其它螺杆机。为了降低干式压缩机的排气温度，提高单级压力比，发展了喷水压缩机。还有螺杆真空泵和螺杆膨胀机等。114螺杆压缩机及型线的发展历程20世纪30年代，瑞典的Lysholm1I开始研究螺
20、杆压缩机，并在1939年发展出了世界上第一台以螺旋齿啮合为原理的无油双螺杆压缩机。英国的Howden公司在1946获得许可开始生产螺杆压缩机。由于当时各种技术条件的限制，发展缓慢，无法与活塞压缩机竞争。50年代，由于容易加工的转子型线出现了，螺杆压缩机的应用逐渐广泛起来。60年代由于加工技术的发展以及喷油技术的引进，螺杆压缩机进入了快速发展的阶段。Howden公司在1961年生产出第一台喷油且有负荷控制的螺杆压缩机pJ，并主要应用于制冷领域，随后推广到工艺气体领域。进入70年代，世界上很多公司在SRM公司专利的基础上发展了自己的型线嘲，螺杆压缩机的性能得到了很大的提高。80年代以来，随半封闭双
21、螺杆制冷压缩机的研究与开发着计算机技术的发展以及对型线的进一步研究，加上专用加工设备和加工方法的进一步发展，双螺杆压缩机获得空前的发展，效率和可靠性全面超过活塞压缩机，尤其在制冷、空调领域获得广泛应用。螺杆压缩机的发展与转子型线的发展密不可分，型线的每一步发展都带动了螺杆压缩机的大发展，从某种程度上说，螺杆压缩机的发展主要就是转子型线的发展。为了描述，可将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，反之称为不对称型线。只在转子节圆内部或外部一边具有型线的称为单边型线，在两边都具有型线的称为双边型线。随着对转子型线设计原则韵逐步理解和转子加工
22、方法的不断改进，以及计算机在转子型线设计中的应用，螺杆压缩机的转子型线的发展大致经过了三代。1)对称圆弧型线第一代型线是对称圆弧型线，既有单边型线又有双边型线。组成齿曲线是圆弧、点和摆线。这种型线容易设计、制造和测量。主要应用于早期的干式螺杆压缩机中。这种型线的最大缺点是泄漏三角形面积很大，容积效率低。图15为一双边圆弧对称型线及啮合线，从b图中可以看出，啮合线的顶点1与阴阳转子孔的交点w相距很远，说明泄漏三角形面积很大。图15双边圆弧对称型线及啮合线Fig15 Symmetric circular profile and their meshing line叶z2)不对称型线第二代型线是以对
23、点、直线和摆线等组成齿曲线为代表的不对称称型线。随着喷油技术的发展，喷油螺杆压缩机获得了广泛的应用。喷入的油能对狭窄的接触线间隙、啪气端面间隙及齿顶间隙进行很好的密封，从而大幅减少泄漏量，但对称齿型的大的泄漏。符_，。一，一。一一十、_。、大连理工大学专业学位硕士学位论文三角形不能被喷入的油有效地密封，从而发展了各种各样的不对称齿形。图16为双边不对称摆线圆弧型线及啮合线。从b图中看出，泄漏三角形非常小。嘶炎图16双边不对称摆线圆弧型型线Fig16 Asymme研c circul孤-cycloid profile锄1d tleir meshing line3)新的不对称型线进入80年代后，由于
24、人们对型线的进一步理解及计算机在螺杆压缩机领域上的应用，出现了各具特色的第三代转子型线。图17就是一个很成功的例子。冬1 i矽 仝 7 k。 。汐Q 谀 孵 心炎 朽二图17 SRM-D型线及啮合线Fi昌17 SRM-D profile md tlleir meshing line进入90年代，转子型线更加多样化，已能够根据压缩机的具体应用场合，设计出专用的转子型线。其中一种以齿条生成为原理的“N”型线很独特。见图18。半封闭取螺杆制冷压缩机的研究与开发图18N型线Fig18 N profile第二代和第三代型线都是不对称型线，但第三代型线极少使用点、直线和摆线，而基本上都是采用圆弧、椭圆、抛
25、物线、双曲线、曲线包络线等曲线，使得转子齿面由“线”密封改为带“密封”，提高了密封效果，而且有利于形成润滑油膜及减少齿面的磨损，提高转子寿命。115研究热点制造技术的发展以及许多理论和实践上的研究成果不断地应用于生产实际，使螺杆压缩机在各领域中得到了迅速发展，特别是在制冷空调领域。围绕着提高压缩机的性能，国际上近十几年来的研究工作，有以下几个热点：(1)型线几何和转子几何；(2)间隙、气体泄漏和油的影响； (3)压缩机数学模型和计算机模拟技术；(4)其它方面的研究1)型线几何和转子几何转子的端面型线在很大程度上决定了螺杆压缩机的性能。衡量型线的效率主要有以下几个因素： (1)小的接触力； (2
26、)光滑的力矩传递和可靠的油膜形成能力； (3)较短的啮合线和较小的泄漏三角形： (4)大的面积利用率； (5)容易且高效的生产最近10年来，研究机构和压缩机生产商推出了很多新型线，如Hyper型线、SRMG型线f24】、西安交大的X31和X32型线【”、N型线等【19】。新型线的产生与螺杆啮合原理的研究息息相关。邓定国【17】详述了转子端面型线生成的解析法；刑子文【l】总结了型线与转子几何的计算方法；这些方法都是采用了“转子生成转子”的思想。Stisic将齿轮与齿条的啮合原理应用于螺杆压缩机端面型线的研究中，大连理工大学专业学位硕士学位论文发展了N型线。Dmytro Zaytesv则利用啮合线
27、与端面型线的关系，依据啮合线来生成、修改端面型线u埘。螺杆压缩机中决定泄漏量大小的两个重要参数-接触线长度和泄漏三角形面积都由端面型线和转子几何参数决定，准确地计算接触线长度和泄漏三角形的面积是准确评估型线性能的前提，反过来又可指导我们设计出性能更优越的转子型线。2)间隙、气体泄漏和油的影响双螺杆压缩机的热力学性能受泄漏通道的影响非常强烈。这些泄漏通道有的是由于工作的需要而在设计中预留的间隙，有的是机器本身的几何特性决定的。间隙设计是螺杆压缩机中的重要问题，螺杆压缩机是靠间隙来密封气体的，间隙必须足够小以提高容积效率，同时，由于制造缺陷及工作时温度、压力、负荷引发的变形不可避免，必须留有足够的
28、间隙来防止部件问的干涉。螺杆压缩机中有三个非常重要的间隙： (1)齿间间隙； (2)转子排气端面与机体间隙； (3)转予齿顶与机体孔间隙。在螺杆压缩机中，转子啮合形成一条接触线，接触线上有一层油膜用来传递力矩，必须保证接触线处有足够的间隙(即齿间间隙)以保证机器的安全运行，同时还要使该间隙尽量小以减少泄漏。齿间间隙的获得方法有加工修正法和型线、型面修正法。近几年，Stosic等研究人员和机构提出了一种新的型线修正法，来获得独特的法向齿间间隙的分布【6一。日立公司根据转子热弹性变形的分析结果，对转子齿型修正、刀具热补偿设计、转子配合间隙的确定进行了研究和实验，发现采用热补偿设计法与传统的设计方法
29、相比，运转中转子间隙大幅减小，压缩机效率大幅提高【9】。Stosic等人研究转子偏离理想位置的情况，将三维问题转化为端面上的二维问题进行研究，进而研究转子的干涉【l o】。由于间隙与很多因素有关系，间隙值的确定是一项非常复杂和困难的工作，到目前为止，还没有完全解决这一问题。在设计过程中，还要依靠经验的帮助。喷油螺杆压缩机性能的重要保证是向工作腔中喷入适量润滑油。润滑油起到润滑、密封、降噪、冷却的作用。润滑油在降低压缩功的同时还增加了粘性剪切力和搅拌功。喷入的油的状态、运动及它所参与的热力过程非常复杂，同由于润滑油中溶有制冷剂，更加大了它的复杂程度，至今没有一个很好的理论上的解释。Stosic、
30、John Sf、西安交大都对润滑油的状态和热力过程进行了一些深入的研究1,23331。3)压缩机数学模型和计算机模拟技术近些年来，研究人员对压缩机工作过程的计算机模拟进行了大量的研究。在新产品的设计过程中，设计人员可以通过模拟程序快速地预测新机器的性能，并以此为依据对设计进行修改，可加快新产品的设计周期：而对于已有产品或新产品样机，为了得到它半封闭双螺杆制冷压缩机的研究与开发的全性能曲线，需要做大量的试验，这是一个既费时间又费金钱的工作，通过模拟程序，可以大大减小这个工作量。NStosic、John sFleming、Dmy打o Zaytesv、西安交大等研究人员和机构都对此作了研究，提出了自
31、己的模拟程序1,6,16m221。要进行计算机模拟，首先要建立压缩机热力学过程的的数学模型，而对于热力学过程的研究主要有三个方面：传热、泄漏和气体的流动。传热是螺杆压缩机中的重要问题。在喷油螺杆压缩机中，喷入的油与工质问产生强烈的热交换，由于喷入的油的运动和分布非常复杂，所以油与工质的换热计算有较大难度。不同的学者针对润滑油和油与工质的换热提出了不同的数学模型。而对于壁面与流体的换热，也有不同的模型【6331。评价螺杆压缩机性能优劣的重要指标是容积效率，而泄露是影响容积效率的最主要因素。螺杆压缩机采用间隙密封，它的泄漏通道有5条：阴阳转子接触线、转子齿顶与机体孔密封线、泄漏三角形、吸气端面间隙
32、和排气端面间隙。由于润滑油的存在，泄漏的计算也较复杂。由于各通道的几何形状、工作状态差别很大，应选用不同的数学模型。在某一确定工况下，压缩机的性能既跟转子型线有关，又与喷油位置、喷油量、内容积比等参数有关，同时这些参数之间又有复杂的相互影响。NStosic开发了一套螺杆压缩机的优化程序，它以压缩机的性能指标为优化目标，输入参数既包括几何参数又包括运行工况参数16。该软件包包含了压缩机几何参数计算模型、热力过程数学模型、流体流动数学模型及其它过程模型，例如流体泄漏模型、喷油模型、热交换模型、摩擦损失模型等。利用它，为设计人员为某一确定工况设计出最优的压缩机提供了帮助。近几年，计算机流体分析技术(
33、CFD)也应用于压缩机的研究，可以对压缩机的内部进行更详细的研究(包括压缩机内部流场、油气分布等)。KOVA等人在这方面做了大量的研究工作，取得了一些成果llq。4)其它方面的研究在加工方法上，Hokoyd公司新开发的转子磨床将螺杆压缩机转子的加工水平提高了一大步刚。该机床将磨床、砂轮修整器、三坐标测量仪集成在一台机床上，可在加工过程中对工件进行测量并自动修整砂轮，可使转子齿的加工误差控制在5 u m以内。对于铣削刀具，通过优化刀具轮廓和加工中的参数，可以提高转子精度和刀具使用寿命【25】。12课题的提出与主要内容121背景我国螺杆压缩机的研究工作从1960年代末起步，1976年几个主要的制冷
34、厂家联合设计和试制制冷螺杆压缩机，由于当时的各种条件所限，压缩机的质量较差。随着社会大连理工大学专业学位硕士学位论文经济的转型以及对螺杆压缩机的进一步认识，从1980年代中期，各大制冷厂家开始致力于螺杆压缩机设计和制造水平的提高，螺杆压缩机进入了快速发展的阶段。大连冷冻机厂引进先进的转子铣床，并与研究机构合作开发新型线，先后开发了“D87”齿型和“大工D型线”等第三代型线3钔。开发了转子直径从125mm315mind的开启式喷油螺杆压缩机系列，在制冷空调领域，特别是在工业冷冻和食品冷冻冷藏领域获得了极大的成功。进入上世纪90年代，半封闭螺杆压缩机由于其特别之处在中央空调领域推广开来，大连冷冻机
35、厂也抓住机遇，大力发展半封闭螺杆压缩机。在借鉴国外产品的基础上，大冷先后开发了110mm，136ram，173mm的半封闭螺杆压缩机，并成功推向市场【2“。进入新世纪，压缩机技术进一步发展，国外优秀的螺杆压缩机产品大量进入国内市场，与这些国夕产品相比，国内产品在某一些方面存在差距。为了提高产品水平，大冷开始进行螺杆压缩机产品的调整和升级换代的工作。首先从Holrolyd公司购买了国际上最先进的转子磨床，使转子的加工公差达到lOu ITI以下，为提高加工精度提供了保障。接着又与伦敦城市大学合作，引进了NStosic教授的“N”型线。由于生产和生活水平的提高，中央空调市场非常之大，而中央空调系统中
36、的制冷机大多采用半封闭螺杆压缩机。目前无论在国际市场或国内市场，单以台数来计，半封闭螵杆压缩机的生产数量远远超过开启式。由于半封闭压缩机的一些优点，它的应用范围在不断扩大，已经超出了中央空调的范围，例如热泵系统和低温系统。由于我厂半封闭螺杆压缩机是在90年代中期开发出来的，借鉴的产品是80年代末90年代初的产品，十几年来螺杆压缩机技术有了新的发展，目前产品存在进一步提高性能的潜力，同时为了将新引进了转子磨床和“N”型线应用到半封闭螺杆压缩机中，厂里决定重新设计半封闭螺杆压缩机，并派遣包括本人在内的设计人员到伦敦城市大学进行半年的螺杆压缩机设计培训。122本文的主要内容本文结合作城市大学培训内容
37、，以“半封闭双螺杆制冷压缩机的研究及开发”为题，参考我厂已有产品，重新设计一台转子直径136mm的半封闭螺杆制冷压缩机。主要内容如下：1介绍“N”型线及Sc0RPATH(螺杆压缩机优化转子型线和热力过程)软件；2转子型线及转子的设计：3压缩机结构设计及吸、排气口的设计计算；4压缩过程热力计算；5轴承寿命及转子强度的计算； 兰塾塑翌堡壁!幽垫塑堑壅量墅叁6压缩机性能试验。一12一大连理工大学专业学位硕士学位论文2 N型线及SCORPATH软件21 N型线一个主要的螺杆转子型线的生成方法是在在一个真实的转子端面上布置一些型线曲线，作为原始曲线，然后按照共轭条件在另一转子上生成相应的次级曲线。称之为
38、转子生成法。任何曲线都可以作为原始曲线，传统上圆弧、直线和点最常用，生成的次级曲线为圆弧包络线和摆线【l】。另一个型线生成方法是齿条生成法。通过一个假想的齿条(直径无限大的转子)，按照齿轮啮合原理，来生成阴阳转子的型线。这个方法有一个好处是可以简化某些计算。齿条上的曲线段也是预先设置好(或由转子上的某段曲线生成)的。1978年，融nder对齿条生成法作了研究，并开发了Rrider型线【24】，如图21所示，其中cD，D。E，FA，A毋为圆弧，EF，BC为直线。图2I Rinder型线Fig21尉nder profile1996年NStosic教授进一步发展了齿条生成法，开发了“N”型线，并申请
39、了专利，它采用转子一齿条复合生成法嘲。如图22所示为N型线的一个例子。生成转子的齿条曲线分成8段，分别为：BF段：一段小圆弧FG段：生成转子上部渐开线的一段直线G-H段：阴转子上的-d,段圆弧H2G2在齿条上生成的包络线HA段：阳转子上的一小段圆弧HlAl在齿条上生成的包络线AB段：一段抛物线半封闭双螺杆制冷压缩机的研究与开发BC段：生成转子下部渐开线的一段直线CD段：一段小圆弧D-E段：生成转子内外圆的一段直线齿娶F西薰F-G直线G-H四弧包络线H-A圆弧包络线A-B抛物栽BC直线cD四弧DE直线图22 N型线齿条曲线及转子型线Fig22 N profile rack and rotorsN
40、型线有一个明显的优点，它既使阴转子有很大的刚度，又有非常大的流通面积，在相同的转子尺寸的条件下，N型线的面积利用系数在已知的型线中是最大的。另外它还有两个特点：第一，它在一个小的泄漏三角形的条件下在整个转子长度上能够保持一个完整的密封；第二，在齿条上靠近节圆处的接触带是直线，它在两转子上形成渐开线，这样两转子在节圆附近的相对运动接近纯滚动。22 SCORPATH软件该软件是NStosic教授在2001年开发出来的，它主要由3部分组成。第一部分计算型线及转子的几何参数。包括型线数据、面积利用系数、啮合线、啮合线间隙、密封线长度及面积、泄漏三角形、吸排气口位置及形状等参数，也包括加工刀具的几何参数
41、。其中很多参数又被绘制成图形，便于观察及使用。第二部分在给定的几何约束的条件下计算热力过程和流动过程，包括基元容积及压力随转角的变化、理论排量、泄漏量、制冷量、轴功率、绝热效率等参数，还计算了转子的扭矩、受力情况、接触力等。很多参数也被绘制成了图形。第三部分计算真实介质的热物理性质，有理想气体、真实气体要大连理工大学专业学位硕士学位论文素定义的真实气体及多种不同的制冷剂及制冷剂混合物。第一部分和第三部分可以单独使用。下面简单介绍一下软件的输入，输出界面及一些参数。主界面如图23所示。两个主要的下拉菜单：profile和calculate。前者用来选择转子齿数搭配，后者用来选择计算项目。选择了齿
42、数搭配后，比如阳阴转子56，进入参数输入主界面，如图24所示。在该界面内，输入参数分成几部分，geometry，workfluid，workconditions，oilparameters，tool，clearance和optimization。图23 SCORPATH主界面Fig2，3 SCORPATH main interface半封闭双螺轷制冷压缩机的研究与开发图24 SCORPATH参数输入主界面Fig24 SCORPATH input pammemr imerfac,在geometry中，首先选择型线类型。SCORPATH中共有7种型线，如图25 a各参数意义如下：A一转子中心距oz
43、1阳转子齿数；Z2-一阴转子齿数；L，n转子长径比；e一转子齿偏心距，只对C型线有用；图25型线类型Fig25 type ofprofiles大连理工大学专业学位硕士学位论文R，R0，R1，R2，R3，R蝴别为型线或齿条上的特征圆弧，具体见图26；Gapl转子啮合间隙；Ga口R一转子齿顶间隙：GapA一转子端面间隙；1lr一阳转子齿顶型线角；o l，o r阳转子节圆处压力角；审。I_阳转子扭转角；由Ir_一内压缩终了角；巾0一内压缩开始角；br内容积比：n齿条上的抛物线指数：B转子材料弹性模量；图26特征尺寸Fig26 characteristic sizes在geometry中还包括一个转子
44、约束关系的子输入界面，如图27。意义如图28所示。半封闭双螺杆制冷压缩机的研究与开发图27转子约束Fig27 constraints ofrotor图28转子约束尺寸Fig28 sizes ofconstraint在work fluid中，可以选择单一的制冷工质，也可以自己组合制冷剂的混合物作为工作流体，如图29和210。K一绝热指数；Rgas气体常数；z气体压缩因子在work fluid中，各参数意义如下：wdp一阳转子齿顶速度；Po一蒸发压力；P卜冷凝压力；T、，ap一蒸发温度：T s一机体表面温度；To一吸气温度Tr一排气温度估计值：18一大连理工大学专业学位硕士学位论文mn冷凝温度；X
45、守一吸气干度在oil parameters中，各参数意义如下：mo一油与蒸气的质量比；o润滑油喷入的位置：Doil一喷入的油滴直径；Toi卜一喷入的油温度；p一油的密度；Visc_一油的粘度在t001中，各参数意义已在界面中说明。图29单一的工质Fig29 single refrigerant!澍。慧蒜答IST；i1厣牙万_习-一2再四面习-j3I葡面涓百习厂可；4I_习_5厂羹_ri勰：厂翻图210混合工质Fig210 mixed refrigerant半封闭双螺杆制冷压缩机的研究与开发在clearance中，还包括一个啮合间隙子界面，如图211。软件的计算结果输出将在本文的以后章节中介绍。
46、图21I啮合间隙布置Fig21 I distribution ofmeshing clearan大连理工大学专业学位硕士学位论文3压缩机的设计工况目前我厂的半封闭螺杆压缩机主要用来组装冷水机组，该文开发的新的压缩机首先也是用在冷水机组中。随着技术的发展及市场的发育，半封闭螺杆热泵机组越来越流行，该新开发的压缩机还应兼顾热泵机组上的应用。因此该压缩机设计上采用两个计算工况，分别为空调工况和热泵工况。另外，还要考虑到在盐水机组中的应用。31空调工况工质：R22冷凝温度：tk-40蒸发温度：to=2过冷度：tC=5吸气过热度：tH奎5冷凝压力：1 5335bar蒸发压力：5308bar32热泵工况工
47、质： R134a冷凝温度：tk-65蒸发温度：to=2过冷度：tC=5吸气过热度：tH=5冷凝压力：18893bar蒸发压力：3146ba半封闭双螺杆制冷压缩机的研究与开发4转子的设计转子是螺杆压缩机中最关键的部件，压缩机性能的好坏在很大程度上是由转子决定的。转子的设计最重要的就是型线设计。对于型线，有一些基本的要求：a)满足啮合要求，运转平稳；b)应形成长度较短的连续的接触线，以减少接触线处的泄漏；c)型线的泄漏三角形面积应较小，以减少此处的泄漏量；d)吸气封闭容积应小，以减少功耗：e)型线的面积利用系数应尽量大，以提高效率；f)力和力矩传递平稳，运转可靠，噪声小；g)工艺性好，便于制造；h
48、)其它，如气动损失小，强度高等。应该指出的是，以上有些因素是互相影响的，某一因素达到了最佳值往往导致另一些因素的恶化。例如为了减小泄漏三角形面积，就会不可避免地增加转子接触线的长度。所以要综合考虑，以达到整体最优。41齿数比的选择增加转子齿数可以在相同的内容积比的条件下得到较大的排气口。较大的排气口可以降低排气流速减小排气压力损失。目前制冷螺杆压缩机趋于采用比传统的4：6更多的齿数搭配，5：6甚至6：7。并且更多的齿数搭配使得相邻的两个工作腔的压差变小，从而减小了转子间的泄漏。更多的齿数搭配和大扭转角能够让两转子同时多处接触，减小震动和噪音。然而更多的齿数意味着较小的转子排量，使得压缩机的体积
49、相对变大，同时齿数增多也增加了制造费用。本设计采用5：6齿数搭配，阳转子5齿，阴转子6齿。42扭转角增大扭转角通常伴随着减小转子间密封线长度，亦即降低转子间泄漏。目前制冷螺杆压缩机的设计趋向于采用大扭转角，然而增大也是有极限的，并且大的扭转角也降低了转子的排气量。本设计中阳转子扭转角为296。43转子气体力矩转子力矩包括驱动力矩、摩擦力矩、气体力矩和接触力矩。驱动力矩只在阳转子上，与转子旋转方向相同，摩擦力矩与旋转方向相反，气体力矩与接触力矩情况比较复杂。大连理工大学专业学位硕士学位论文为了说明气体力矩，我们考虑转子三个不同状态的横截面，如图41中1，2和3。A和B为工作腔的分界点，它们或在齿顶或在转子啮合线上。假设在转角为e时刻，某一工作腔中的压力为p(e)。给l，2和
