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螺杆压缩机发展综述
本文转自《压缩机》杂志

　　空压机
 虽然螺杆压缩机现在已经是一种发展比较成熟的产品，但由于以计算机建模与数值分析为主的工程科学的介入，我们还可以在设计过程中做出更大的改进，提高效率、减小机器尺寸、降低制造成本等。另外，为了达到最优化的设计，轴承技术与润滑的改善也是十分重要的。

Center for Positive Displacement Compressor Technology, City University, London, UK
N Stosic, I K Smith and A Kovacevie

摘 要：螺杆压缩机已发展成为一种比较成熟的产品并已形成具备较高竞争力的市场，尤其是在喷油空气压缩机领域。尽管人们广泛地误认为在改善螺杆压缩机的设计和制造工艺方面已经几无良策，但在大量厂家的不懈努力下，更加精密高效的喷油螺杆压缩机不断问世。即便是设计细节上的较小改善，也有可能使压缩机的效率得到较大程度的提高，因此，在采用新型技术和手段提高机器性能方面还有一定的空间。转子新型加工工艺、针对额定工作状态的转子和压缩机的设计最优化以及特殊用途压缩机的专门设计等创新措施都是使得螺杆压缩机不断改进和发展的重要因素，并开创了迄今不为人知的高性能压缩机的开发制造方式。同时，一种将压缩过程和膨胀过程组合在一起的机型的问世大大扩展了螺杆式机器的应用范围，尤其是在制冷系统中的应用。另外，本文还就最近运用计算流体力学（CFD）对螺杆压缩机展开研究的案例进行了评述。

关键词：螺杆压缩机优化设计新型设计理念压缩-－膨胀机

前言

 目前，容积式压缩机的全球年产量为1.5亿余台，其中大多数被应用于空气动力和制冷系统。过去的30年间，转子型线的改进使螺杆压缩机内部泄漏彻底减少，同时技术日益成熟的机床可以将形状较为复杂零件的加工公差控制在工程允许的 3μm以内，以致传统的往复式压缩机在许多应用领域逐步被螺杆压缩机所替代。人工分析计算的方法是设计者预测压缩机性能的主要手段，并且在此过程中取得了一些技术上的突破，但其适用范围和准确度与现代数控机床和装配过程相比却逊色很多。因此，先进的分析手段增大了技术创新的可能性，进而提高螺杆压缩机的性能，降低制造成本，进一步扩大螺杆压缩机的应用范围。

 转子型线的改进依然是提高螺杆压缩机性能最有效的手段，依靠经验确定转子齿型和转子大量采用通用型线的历史将被逐步完善的先进、合理、高效的转子加工工序所改写，从而取得良好的应用成效。另外，改善的压缩机内部流动模型有助于更好地进行孔口设计，轴承负荷及其脉动的准确判定有助于选择更为合适的轴承。最后，如果可以较为准确地估计由于压缩机内部温度及压力变化引起的转子和机壳的扭转变形，我们就可以在机器的加工过程中采取相应的措施以便将温度及压力脉动的不良影响降至最小。本文涵盖了可能引发螺杆压缩机技术创新的最新流动模型与分析方法，以及利用这些手段提高机器性能、扩展应用范围的典型案例。

背景

 螺杆压缩机的主要部件就是位于机壳内部的一对可以相互啮合的螺旋齿状转子。阳转子与阴转子相互啮合形成一系列的工作腔，如图1所示，阴影部分表示转子被机壳包围的区域，气体的压缩过程在该区域进行，而非阴影部分则表示转子与外部压力相通的区域。图1（a）中的非阴影部分与低压孔口相对应，图1（b）中轴端 B和D之间小面积非阴影部分则与高压孔口相对应。将转子前端和顶部的机壳内壁剖去一定厚度形成吸气孔口，气体由吸气孔口进入转子前端齿槽与机壳内壁构成的基元容积。随着转子的旋转，基元容积与吸气孔口隔离，形成逐渐减小的封闭容积，由吸气过程转入压缩过程，气体压力不断提升，当封闭容积末端与高压排气孔口连通时，压力基本恒定不变的气体排出，完成排气过程。

 螺杆压缩机的一个已被实验很好验证了的特点是：如果将转子的转动方向颠倒，机器就会像膨胀机一样，气体从高压孔口进入，由低压孔口流出。而倘若将吸气与排气孔口分别开设在与图1所示位置相反的一侧，转子转向不改变（与作为压缩机时的转向一致），也会达到膨胀机的效果。当机器作为压缩机运转时，需要向A轴提供动力驱使机器转动；而作为膨胀机工作时，机器将会自动运转并将产生的动力通过A轴向外传送。
为使机器有效地运作，必须保证在阴阳转子以及转子与机壳之间形成贯穿工作容积整个循环过程的接触线，接触线的长度随转子的转动角度变化。如图2所示，在机壳的转子气缸孔与转子接触线顶点有一个在机壳长度方向上延伸的小缺口，形成“泄漏三角形”。通过泄漏三角形，压缩或膨胀气体向邻近齿间容积泄漏。设计者的目标就是要选择合适的转子型线，使齿间面积最大的同时，使泄漏三角形、接触线长度和阴阳转子间的接触应力最小。虽然螺杆压缩机设计原则的提出已有百余年之久，但是一直没有一种转子型线能够很好地满足上述设计原则，直到1973年SRM‘A’型线研制成功，从此，螺杆压缩机开始进入工业市场。

 相对其他复杂回转机械来说，螺杆压缩机的设计制造还是比较简单的。由于螺杆压缩机的回转运动部件只有两个转子，所以它可以可靠地高速运转。高精度的转子齿型铣削与磨削加工可以较低的成本将齿间间隙控制在30～503μm之间。与早期的机器相比，内部泄漏已经大幅减少。可见，螺杆压缩机已经成为精密、高效的机械，并且能够适用于较大的压力与排量范围。因此，容积式压缩机的大部分市场与应用场合已被螺杆压缩机占据。

 如今，螺杆机械作为压缩机兼膨胀机被用于不同的场合，其工作介质可以是气体、干蒸汽或在机器内部发生相变的多相混合物等，按照润滑、冷却方式的不同，可以分为喷油式螺杆机械、压缩或膨胀过程中喷入其他流体的螺杆机械，以及干式螺杆机械。机体的几何形状取决于转子齿数、转子齿型还有不同组成齿曲线构成的齿段的相对比例。实践告诉我们，没有对所有应用场合都十分理想的结构和配置，为了获得最佳的机型，详细的热力学分析与设计参数的变化对机器性能影响的估算都是十分必要的。因此，在最优化分析处理过程中制定严格技术标准是研发一台优良机器的先决条件。同时，这些准则有助于进一步提高现有的螺杆机械设计水平并扩展其应用范围，在市场竞争中争取到更多的优势。

空压机转子

 不同用途的压缩机，对性能的要求也是不同的。比如，长期运转的制冷压缩机与工艺压缩机要求高效率，而空压机，特别是用于移动场所的空压机，对机器尺寸和成本的要求高于对效率的要求。

 螺杆压缩机现已基本成为干式和无油空压机的专用机型，并正逐步攻占工艺压缩机的市场。在制冷领域，随着往复式与叶片式压缩机应用的减少，螺杆压缩机的应用将会持续增长。

 当前，一般应用场合中的螺杆压缩机阳转子的外径在75到620mm之间，排气量为0.6~600m3/min。干式螺杆压缩机的单级压比可达3.5:1，而喷油螺杆压缩机的单级压比可高达15:1。一般来说，级间压差可达 15bar，但其最大值往往可以超过40bar。如今，喷油螺杆空压机的容积效率已经超过，且受排气量与其他性能指示影响的比功率已经降低到以往所无法达到的数值。

螺杆压缩机主要制造商

 瑞典的Svenska Rotor Maskiner（SRM）公司是螺杆压缩机设计与研发的先驱，并依然处于领先地位。英国的Compair，比利时的Atlas-Copco，美国的 Ingersoll-Rand和Gardner Denver以及德国的GHH是螺杆空气压缩机的主要生产商。而美国的York，Trane和Carrier则在制冷与空调压缩机行业中处于主导地位。另外，日本也有一些知名的螺杆压缩机制造商，比如 Hitachi、Mycom和Kobe-Steel等。近些年来，一大批较小的螺杆压缩机制造厂家被大型公司兼并、收购。在中国、印度还有中东或远东的其他一些发展中国家，广阔的市场吸引了包括全球知名主要制造商在内的制造螺杆压缩机的企业纷纷落户于此。英国的Holroyd公司虽然不生产压缩机，但却是全球最大的螺旋转子的制造厂家，也是加工转子所需的工具设计、机床制造的主导者。

螺杆压缩机刊物

 尽管螺杆压缩机的应用快速增长，基于螺杆压缩机设计的公共刊物却比较少。20世纪60年代初期，前苏联有一些螺杆压缩机的教材出版发行。前苏联的 Sakun[1]在书中对如何构造圆弧、椭圆弧和摆线等转子组成齿曲线以及后来被命名为SKBK的一种非对称型线作出了全面分析。书中提到的型线构造方法采用的是包络线近似的方法。Amosov et al.[2]也在介绍螺杆压缩机的手册中提到这一理论，对转子加工刀具的齿廓进行了论述，并给出了SRM非对称型线与传统的Lysholm型线的再生产方法。在两本德国教材中，Rinder[3]运用一种基于齿轮啮合理论生成转子型线的方法实现了对SRM非对称型线的重建，Konka[4]则详细阐述了螺杆压缩机工程应用方面的问题。而在英国，最近才出版发行了一些关于螺杆压缩机的教材，O'Neil[5]主要研究的是工业压缩机，Arbon[6]涉及到旋转双轴式压缩机。就在最近，中国的邢子文教授[7]编著了一部综合性的螺杆压缩机教材。
一些压缩机制造商的螺杆压缩机技术手册以及大量的说明书都提供了涉及到技术层面的信息，但这些都是商业机密或企业有所限制，获得这些资料是比较困难的。像SRM数据手册等一些技术资料虽然在螺杆压缩机文献中被较多地引用，但这些资料也只有取得SRM特殊许可后才可获得。

 毫不夸张地，过去的30年间，数以千计的关于螺杆压缩机的专利纷纷问世，仅SRM一家就拥有750多项专利。它们覆盖了螺杆压缩机设计的多个方面，但主要还是针对转子型线的。SRM关于一种对称型线[8]、一种非对称型线[9]、“D”型线[10]和“G” 型线[11]的专利代表了螺杆压缩机型线加工的技术发展水平。其他成功的型线专利还有Atlas -Copco、Kaeser、Compair、Gardner Denver、Hitachi以及Ingersoll-Rand。近些年来，一些高效型线例如文献[17-18]涉及到的型线被分别授予复盛、汉钟等规模较小的企业。文献[19-20]论述了一种对主要组成齿曲线借助滑轨进行加工的新型型线生成方法。

 虽然所有的专利型线都是在严格精密的加工过程中生成的，但很少有将加工方法记录成文发表的，以致于很难实现型线的重建。因此，如何加工对称圆弧型线的详细记述直到该型线申请专利26年后才被发表出来。无独有偶，一种基于传统齿轮传动规律的SRM非对称型线的加工方法在专利问世9年后才被发表。更有趣的是，在SRM“D”型线问世13年后的1995年，一位获得SRM许可的人为了得出它的解析算法，专门设立基金支持一所高校的研究项目对SRM“D”型线进行分析。

 大多数螺杆压缩机的显著特征，譬如喷油、依据转子末端螺旋线形状开设吸排气孔口、轴向力补偿方式、卸载、滑阀和经济器孔口等，也都被注册为专利，尤其是SRM公司，其他公司当然也不甘落后。可见，在螺杆压缩机领域，专利鉴定专家与工程师同等重要。

 令人欣慰的是，一批批探讨螺杆压缩机的论文在技术文献中得以发表，比如比较有影响力的文献[21-22]。近年来，以螺杆压缩机技术为主题的论文逐步得到国际制冷学会[23-24]与英国机械工程师学会[25- 26]的认可与重视，从而使近几年来研究螺杆压缩机的论文在期刊或其他刊物中的发表数量超过了以往论文的总和。
目前，全球至少有三个部分或全面针对螺杆压缩机的压缩机国际会议：美国的普渡大学压缩机工程与制冷会议、针对工业压缩机的英国机械工程师学会（IMechE）的压缩机与系统国际会议和德国机械工程师协会的螺杆压缩机会议。在上述组织中发表的探讨螺杆压缩机的论文中，涵盖转子型线加工与压缩机设计的文章却是寥寥无几。

 普渡论文在大量文章中被频繁引用，例如文献[27-29]。多特蒙德学报中包含一些令人关注的螺杆压缩机论文。Rinder[19]基于传统齿轮加工过程提出了一种利用滑轨加工转子型线的完全可再生产的方法，但是由于转子齿型较小的紧密度，该方法并未在工程上成功应用。Sauls[30]对齿型及加工控制进行了较为详细的论述。Kauder和Harling的研究成果则是解决工程实际问题的高校研究项目的成功案例。尽管数量相对较少，伦敦压缩机会议也有一些值得关注的论文，例如文献[32-33]。

 讲述齿轮的教材为螺杆压缩机的转子齿型设计提供了有利参考，但所有这些都局限于传统的结合特定工作环境的齿轮理论，并不能与螺杆压缩机的转子齿型直接关联。而Litvin[34]的研究却包含对螺杆压缩机转子齿型直接适用的齿轮理论，属于一个特例。

螺杆压缩机的最新发展

 由于间隙已经可以得到有效的控制，压缩机的内部泄漏明显减小。因此，螺杆压缩机技术的进一步完善只能寄希望于更为严苛准则的圈定。最迫切的需求就是转子型线的改进，以便使泄漏和转子接触表面相对运动产生的的摩擦最小的同时，保证有最大的齿间面积。

 转子型线貌似已经相当成熟，但是依然还有可能做出重大改进。最有望实现这一目标的就是借助滑轨进行转子齿型加工的方法，运用这一方法，可以使转子轻而坚韧，减小接触应力，并可批量生产。较小的接触应力，允许采用粘度小于油的流体进行润滑。

 另外，实现对设计参数的改变对压缩机性能的影响的准确预测也是十分重要的，比如间隙，转子齿廓，喷油位置及喷油速度，转子直径及转速等参数的改变引起的机器性能的变化。通过对机器性能的准确预测，并借助多种完善的技术，可以设计出外形更为合理的带孔口的机壳。这样，使流动损失减小，进一步提高转子转速，进而设计出更为高效的压缩机。

 轴承设计的最新进展使在一些场合中实现工质润滑成为可能。如今，密封措施也更为有效。所有这些进展都有助于制造出高效、轻便、成本低廉的螺杆压缩机。

 1、转子型线
 一般地，设计转子型线的过程是，首先直接给出一个转子上的组成齿曲线（称为一次组成齿曲线），再根据某种特定的规律求出另一个转子上的组成齿曲线（称为二次组成齿曲线）。理论上来说，一次组成齿曲线可以是任何形式的曲线，但传统上最常用的是圆弧。圆心在转子节圆或轴线上的一系列圆弧构成的一次组成齿曲线对应在另一个转子上的二次组成齿曲线也是与之相似的一系列圆弧。而圆心不在节圆或轴线上的圆弧与其他曲线（椭圆弧、抛物线、双曲线等）对应在另一转子上的二次组成齿曲线则是比较复杂的曲线集合，这样的曲线集合可以理解为一次组成齿曲线的轨迹线。相似地，转子型线上的点对应于另一转子的曲线是外摆线或内摆线。数十年来，我们选择理想的组成齿曲线集合的能力十分有限，制约了转子加工制造技术的发展。

 对称圆弧型线全部由圆弧组成。Lysholm[35]提出在高压侧采用一系列摆线来代替圆心位于节圆上的圆弧，开发出第一种螺旋转子非对称型线。SRM非对称型线在阴转子低压侧使用了一段偏心圆弧，稍后发展起来的SKBK型线则是在阳转子上采用了同样的曲线，随着研究的深入，这两种型线的组成齿曲线逐渐演变为外摆线或内摆线。SRM “D”型线全部由圆弧组成，并且几乎所有的圆弧都偏心配置在阳转子或阴转子上。所有的型线专利都需要详细说明一个转子上的一次组成齿曲线以及与之对应的另一转子上的二次组成齿曲线。所有这些型线都是根据传统的齿轮传动理论或其他一种近似的规律推导出来的。近几年，圆弧逐步被其他曲线所替代，比如复盛型线采用椭圆弧，Compare和日立型线采用抛物线，而“hyper”型线则使用内摆线。一种用内摆线替代圆弧与椭圆弧的最新型线可以使转子齿间面积与密封线长度之比达到最优。

 另一种开发转子型线的方法就是构造虚拟的或“非实物”的转子。所有体现齿轮传动规律的方程式都是与他们所处的坐标系无关的，那么选用一个与转子无关的坐标系给定的曲线集合构造一次组成齿曲线也是完全有可能的。运用这种方法，在很多情况下推导转子型线得出的方程式都是比较简单的，在同一坐标系中定义所有曲线也使设计过程得到简化。特别地，在此坐标系中还建立了一个滑轨模型，对于相当于一个半径无限大的转子的滑轨来说，这是合理的。这样，一些转子上的二次组成齿曲线就可以通过“滑轨生成法”得到。第一个滑轨生成法的专利申请得较早，但缺乏实用性。只有Rinder [19]和最近的Stosic[20]给出了转子型线滑轨生成法的详细论述。

 泄漏三角形与齿间面积选择的优化取决于压缩机的工作场合。小的压力差导致较小的泄漏量，因此，较大的横断面积带来的收益可能大于较大的泄漏三角形导致的损失。与此相近的观点决定了转子齿数的最佳选择，因为如果齿数较少，虽然可以增大流通面积，却导致较大的齿间压力差。

 由于日益精密的制造手段使转子齿间间隙不断减小，不管是否喷油，类似于转子直接接触的情况随之增多。转子的直接硬性接触致使阴转子很容易变形，接触应力增加，并最终导致转子“咬死”。因此，设计转子型线时应尽可能将“咬死& rdquo;的风险降到最低。

 数学建模与计算机模拟的发展，推动和简化了对新式型线的的深入探索。这种分析方法很有可能成为强有力的手段之一，进行过程分析与优化，用直观的变化替代以往通过繁琐的试验与不当的测试而验证的数值近似。因此，这种接近最优的螺杆压缩机转子型线设计在过去几年的时间里得到了快速发展，在不久的将来很有可能使机器性能得到进一步提高。但是，由于涉及到的几何形状与工艺过程比较复杂，为了建立正确的模型就必须做出大量的近似与假设，所以，很多资料上提到的计算机模型与数值计算结果在所做近似与精度等级方面往往是有差别的。由于缺少相当的实验验证，目前还无法完全确认各种建模理论的合理性，但计算机建模与优化的受青睐程度一直平稳提升，并越来越多地被用于设计的改进。

 几对螺杆压缩机转子的比较如图2所示。图中每对转子都用方括号内表示图形来源的数字标示。第一组转子（图2 a、c、e）的阳转子齿数是4，阴转子齿数是6，这种齿数组合在几乎所有的应用场合都被普遍采用的。在前面，我们首先讨论了对称型线，接着分析了史上最为成功的SRM非对称型线，然后又对SRM“D”型线进行了评述。从4/5齿数组合的“ Cyclon”型线（图2 g）可以看出，开发者在不改变压缩机整体尺寸的前提下如何提高机器排量方面做出了多大努力。

 数量最多的一组转子（图2 b、d、f、h）属于5/6齿数组合，鉴于可以为尺寸较小的转子提供一种介于大排量与大排气孔口之间具有较好负载特性的合适的折衷方案，这种齿数组合正逐步成为最流行的组合方式。这些转子在空气动力、制冷与空调等诸多应用场合都是比较适用的。该组转子包括 Lysholm非对称型线、SKBK型线、复盛型线和“hyper& rdquo;型线。至此提到的图2中的所有型线都属于“转子生成”型线，他们之间的主要差别在于阳转子的齿型。一般来说，这些阳转子的组成齿曲线主要是偏心圆弧，另外还有线段、椭圆弧和双曲线等。双曲线目前是实现上述折衷方案最有效的几何途径。

 Rinder和“N”转子（图2 i、j）属于“滑轨生成”型转子。滑轨上用于制造转子的一次曲线的选取与分配使横断面积增大，阴转子齿条的强度高于其他任何形式的螺杆压缩机转子对。这两种转子具有与其尺寸相对应的最佳输气量。另外，采用滑轨生成法制造而成的转子还具有以下特征：

 1．在整个接触过程中，转子间始终保持良好的密封，并且泄漏三角形面积较小。

 2．节圆附近的两条接触带在滑轨上表现为直线段，而在转子上则表现为渐开线。

 因此，采取滑轨生成法加工的转子间的相对运动非常接近最理想的运动形式纯滚动，这种转子加工方法更为精细的介绍请参阅文献[36]，该文献中还提到了一些滑轨组成曲线。

2、压缩机设计

 螺杆压缩机的发展趋势是在满足性能要求的前提下，减小机器的尺寸。这就意味着需要在保持较高效率的同时尽可能提高转子齿顶速度。在一般的实验中，广泛采用的轴承是滚动轴承，因为与滑动轴承相比，滚动轴承允许更小的间隙。另外，为使吸气与排气孔口处的气流速度降到最低，吸排气孔口需要开设得尽可能大。上述这些设计原则在任何应用场合中都是普遍适用的。与先进的转子型线一样，为了取得螺杆压缩机设计的最大进步，能够将损失降到最低的其他组件的改进也是非常重要的。所以，对转子与机壳之间的间隙进行合理选择也是很有必要的，尤其是在高压端。当间隙较小时，需要采用较昂贵的优质轴承，当通过预紧将间隙控制在允许范围内时，可以采用比较廉价的轴承。

 螺杆压缩机尤其是喷油螺杆压缩机通常在较高压力差下工作，单级压比较高，产生的轴向力与径向力较大。中小型压缩机一般采用滚动轴承。由于转子中心距受其一定的影响，为设计出满意的产品，滚动轴承的选用及校核也应慎重。值得一提的是，近期研发出的一种摩擦很小的滚动轴承提供了一个不错的选择，详细参见Meyers[37]。通常在转子的高压端设有两个轴承来分别承受轴向力与径向力。

 转子间的接触力大小取决于它们之间传递的扭矩，当阴阳转子直接接触时，接触力较大。当压缩机的驱动力矩由阳转子传送时，接触力相对较小。倘若将驱动力矩由阴转子传送，产生的接触力非常大，这是不允许的。

 喷入压缩机内的润滑油也有润滑轴承的作用，但是为了尽量减小摩擦损失，轴承的供油与回油系统是独立的。机体上的喷油孔口开设在由热力计算结果得出的气体温度与润滑油温度相等的位置，除此之外，喷油孔口应位于转子螺旋线上方，这样，润滑油可以从阴转子齿顶沿螺旋齿面切线方向进入机体，达到回收所喷入润滑油的动能的目的。

 为将吸排气孔口的流动损失降到最低，螺杆压缩机还应符合以下技术指标。进入压缩机的气体的流道应尽量避免弯曲，这就要求吸气孔口要开设在机壳上，另外，尽量扩大进气的流通面积从而降低吸气孔口处的气体流速。排气孔口的尺寸主要是由热力性能所要求的内压力比决定的，还应考虑降低排气流速和降低内部、排气孔口处流动损失的需要。机壳的设计加工要尽量减小其重量，还应配置加强筋以提高高压下的强度。

螺杆压缩机设计的最新案例

 下述压缩机的设计案例都是摘自最近发表的科技论文中，每个案例都满足上述的提到的所有设计原则。

 1、转子改良

 喷油螺杆空压机市场竞争异常激烈，不断寻求更为高效、低成本的设计方案是众多厂家一直努力的方向。但是，新产品的开发所需要投入的资金是非常高的，制造商想方设法使自己的现有机型在市场中尽可能长时间地保持较高的竞争力。通过对较老机型的深入研究发现，对于大部分机型来说，使它们重新具备较高竞争力所需要做的只是采用一种比较高效的新式型线替换原来的型线。例如Stosic [28]，将一个系列的喷油螺杆压缩机的转子型线全部由“N& rdquo;型线替代。

 转子型线替换的方法被广泛用于4/6齿组合、直径在102mm与204mm之间的标准非对称转子的改良，从而最大限度地提高压缩机的效率。图3给出了一对原有转子与经过改良后的转子。转子的这种改良方法是运用一个包涵几乎所有热力学与几何模型在内的程序来完成的。经过改良后，原有转子所有既定的几何尺寸，例如中心距、转子外径、转子根部直径、转子长度、平均齿间间隙等，都保持不变。但是，如果有必要，采用“ N”型线改良后的转子允许进一步减小齿间间隙，而制造成本却没有提高。除转子型线替换外，机器的其他部件没有变化，机体与轴承设计也不需进行任何改变。

 实验表明，转子改良后压缩机的排气量增加以上，绝热效率提高以上。同时，所需原动力增加，原有的电动机是足够满足这一需求的。压缩机在实验中表现出的高效率证实了这一性能预测。值得关注的是，如果对孔口、喷油等其他设计要素进行改良，很有可能会取得更大的进步。

 2、输送干空气用螺杆压缩机

 在McCreath[33]发表的一篇论文中，介绍了两部高效、无油的输送干空气用的螺杆压缩机。这两部机器采用的是图4所示的滑轨生成的3/5齿组合的转子齿型。

 合适的转子尺寸和转速、吸排气孔口的形状与位置是根据某种数学模型选定的，该数学模型的建立考虑了保证机器寿命与可靠性的轴承与密封选择等诸多因素的影响。图5，6所示的两种机器的排量范围都在350~1000m3/h之间，由于转子型线与加工制造工艺的改进，其容积效率与绝热效率与目前市场上相当的压缩机相比都有所提高。

 3、喷油螺杆压缩机的系列化设计

 Venumadhav[32]介绍了一种系列化的高效喷油双螺杆压缩机。文章中提到的系列化设计，是借助软件完成的，该软件包涵了多种型线、压缩机的热力与几何模型，并能够将计算结果直接输出到计算机辅助设计系统（CAD）。运用该软件可以选择合适的转子型线、尺寸及转速、吸排气孔口的形状与位置。该系列的5种不同型号的螺杆压缩机采用的都是4/5齿组合的由滑轨生成法加工的转子（图7 所示），阳转子直径分别是 73mm、102mm、159mm、225mm、与284mm，排气量从0.6m3/min到60m3/min不等。文章中也提到了其他一些能够提高压缩机效率、寿命与可靠性的现代设计理论，例如吸气孔口延迟隔离、排气孔口提前连通以及对改进的轴承与密封的详细介绍。

 在文献[32]中，作者是按照由制造模型到预生产型压缩机，再到生产单位的顺序逐步介绍该系列压缩机的。对该种压缩机模型的测试表明，所输送气体压力在 5~13bar范围时，其容积与绝热效率比目前流行的性能最好的机型相比都要高，从而证明其新型转子型线与设计加工过程的优越性。该系列最小型号的压缩机见图8所示，其阳转子外径只有74mm。

4、多功能螺杆膨胀压缩机 Expressor

 文献[38]介绍了一种替代蒸汽压缩系统中的节流阀的新措施。在工质两相膨胀过程中产生的能量可直接用于膨胀过程产生的部分蒸汽的复压缩。进行膨胀与复压缩过程的机器内部只有一对转子，且转子没有外部动力输入轴。在同一对转子上同时发生的膨胀与压缩过程的原理见图9所示。与只进行压缩或膨胀过程的转子相比，这种转子两侧都必须采取密封措施，见图10。文章作者Brasz等人将这种机器称为“Expressor& rdquo;，测试表明，Expressor的润滑与密封不需润滑油、内密封与同步齿轮。一套完整的Expressor如图11所示。

 最初的测试结果表明，Expressor膨胀-－压缩的整体效率可达55%，大概相当于70%的膨胀效率与的压缩机效率。可见，简易而又高效的 Expressor在大量的冷却系统装置中是一种成本高效的机器。膨胀与压缩过程最佳内容积比的确定与低压排出端的气液分离等，还需要更深入地研究。

 5、平衡转子另一种多功能螺杆压缩机

 最近对天然制冷剂的关注，使人们对将CO2作为制冷或空调蒸汽压缩系统工质产生了浓厚的兴趣。用CO2 作为制冷剂的两个主要制约因素是流经压缩机前后很高的压力差与节流过程造成的效率损失。为了克服节流损失，针对各式容积式压缩机的改进措施不断被提出，主要是针对叶片式压缩机的，回收膨胀过程中的部分能量补偿到叶片式压缩机中进行压缩过程。但是，至今仍无法确定用CO2作为制冷剂的机器能否在叶片间具有较高压力差的工况下稳定运行。

 由Expressor可知，当常规的卤烃类制冷剂较多时，双螺杆机型可同时用于膨胀与压缩过程。但是，这种机型的适用的压力范围却是有限的，因为较高的压力会导致较高的轴向与径向轴承负荷。即使只进行压缩过程，可以通过配置平衡活塞或类似的部件来抵消高压工况下过大的轴向力，但至今仍无有效的措施来抵消过大的径向力。而如果使用CO2制冷剂，就必须要减小径向力，以防止过大的转子位置偏差与过早的轴承磨损。
Stosic[39-40]表明，压缩与膨胀过程中产生的作用在转子上的力可以被部分平衡掉，从而达到消除轴向力与减小轴承径向负荷的目的。这样，可以减小螺杆压缩机在高压应用场合下的缺点。平衡转子的理念要求转子具有良好的密封并且进行压缩与膨胀的部分要完全隔离，如图12、13所示。当压缩机的主要机型是螺杆式时，如果使用较多的传统制冷剂，这种改进措施同样适用于蒸汽压缩系统。

 除了可以减小压力负荷，同时进行的压缩与膨胀过程还可有效减小CO2蒸汽压缩系统装置的节流损失。采取这种措施的机型也可用于非制冷场合，即便没有回收膨胀过程的能量，机器也可以在单级系统中高压运行，并且转子负荷较小。多功能转子也可用于多级压缩，例如将压缩机的两级都配置在同一对转子上。

螺杆压缩机中的计算流体动力学

 为了减少内部泄漏，制造出具有更小间隙的螺杆压缩机的努力从来没有停止过。由于在高压工况下运行时转子发生变形，为了提高压缩机的性能，在防止转子与机壳接触的同时更可靠地评价转子位置偏差与流体流量的相互作用是十分必要的。

 Kovacevic[29、41-43]开辟了螺杆压缩机设计的新篇章。他所介绍的用于将固体或液体进行数值网格化与计算液体流场和压缩机结构强度的三维数值分析过程，对更为可靠地预测压缩机在特定工况下的性能是很有帮助的。模拟计算的结果可以论证转子变形引起的工作间隙的变化对压缩机性能的影响。图 14、15分别是压力历史分布与变形量的算例。

 结论

 虽然螺杆压缩机现在已经是一种发展比较成熟的产品，但由于以计算机建模与数值分析为主的工程科学的介入，我们还可以在设计过程中做出更大的改进，提高效率、减小机器尺寸、降低制造成本等。另外，为了达到最优化的设计，轴承技术与润滑的改善也是十分重要的。与螺杆压缩机结构相似的螺杆压缩膨胀机的应用使在同一台机器上完成压缩与膨胀过程成为可能，从而扩大螺杆机器的应用范围。

 尽管现代转子齿廓加工工艺已相当先进，我们还可以在这方面做出进一步的完善。例如，目前最令人关注的转子滑轨生成法，运用这种方法加工的转子具有强度大、重量小、齿间面积大的优点，并且接触应力较小。
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（陈文卿翻译）

本文转自《压缩机》杂志

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