雙螺桿壓縮機的案例
雙螺桿壓縮機大內容積比錐形轉子的設計與性能研究
雙螺桿壓縮機大內容積比錐形轉子的設計與性能研究
任純吉１，趙 鑫１，王 君*１，武 萌１，王增麗１，耿茂飛２
（１.中國石油大學（華東）新能源學院，山東青島２６６５８０；
２.壓縮機技術國家重點實驗室，合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥２３００３１）
［摘 要］：內容積比是雙螺桿壓縮機的重要性能指標，為了最大限度地提高其內容積比，設計了交叉軸錐形螺桿轉子，實現了雙螺桿壓縮機內容積比較大程度的提高。從容積變化和泄漏通道長度方面分析了雙螺桿壓縮機錐形螺桿轉子的工作性能，并與傳統等徑螺桿轉子進行對比。結果表明：在轉子旋轉軸夾角為１０°～２０°時，內容積比的提高幅度可達２４.６％ ～４７.５％。錐形螺桿轉子對端面泄漏有較大的改善，力學性能方面有顯著優點。
［關鍵詞］：雙螺桿壓縮機；錐形轉子；內容積比；性能分析
中圖分類號：ＴＨ４５ 文獻標志碼：Ａ
文章編號：１００６－２９７１（２０２２）０２－００１５－０６
１ 引言
雙螺桿壓縮機是一種容積式壓縮機，具有內壓縮的特點，因其結構簡單、可靠性高、適應性強等優點，廣泛應用于冶金、化工、食品、制藥等行業，近年來受到越來越多的關注［１～２］。內容積比是衡量螺桿壓縮機工作性能的重要參數，雙螺桿壓縮機的增壓部件是一對相互嚙合的陰陽螺桿轉子，轉子型線和螺桿的幾何特性直接影響雙螺桿壓縮機的工作性能，因此改進螺桿轉子的結構對提升雙螺桿壓縮機的壓縮性能及改善泄漏具有重要意義。
邢子文，等［３～５］在雙螺桿壓縮機的轉子型線方面做了大量的工作，提出了計算轉子接觸線長度的方法，并研發了螺桿轉子的設計軟件。文獻［６～７］提出的變螺距螺旋線的雙螺桿壓縮機，提高了螺桿壓縮機的內容積比，增大了壓縮比。
展開 單螺桿壓縮機 VS 雙螺桿壓縮機
雖然單螺桿和雙螺桿僅一字之差，很容易讓人聯想到系出同門，讓人誤以為單螺桿與雙螺桿是“近親”。但實際上這兩種類型的壓縮機無論在原理還是結構上都有非常明顯的不同。只是在成套后的結構、布局和工作流程上，大體相同。而且在產品的應用范圍上高度重疊，互為競爭機型。
本期我們就來探討下單螺桿壓縮機和雙螺桿壓縮機的不同
。
（示意圖，不對應文中任何產品信息）
單螺桿壓縮機
1、單螺桿機的基本結構
故名思議，相對于雙螺桿壓縮機，單螺桿壓縮機只有一根螺桿，其螺桿同時與兩個或兩個以上的星輪嚙合。螺桿型面、星輪端面、螺桿兩端蓋板共同圍成若干封閉容積，實現氣體的壓縮。
螺桿和星輪根據其外形可分為圓柱形（C）和平面形（P），這兩種類型可組合成四種形式的單螺桿壓縮機：CP型、PC型、PP型、CC型。
CP型是最常見的單螺桿壓縮機形式，我們在以下的講解中也僅以此種形式的單螺桿壓縮機為例。
CP型單螺桿壓縮機的結構：由一個圓柱螺桿和兩個對稱分布的平面齒輪組成嚙合副，裝在機殼內。螺桿螺槽、機殼(氣缸)內壁和星輪齒構成封閉容積。
展開 【Simerics技術分享】雙螺桿壓縮機注油過程3D動態仿真
雙螺桿壓縮機注油過程3D動態仿真
除潤滑齒輪外，不同類型的容積式壓縮機普遍采用噴油來冷卻壓縮氣體、密封泄漏間隙提高壓縮機氣體流量和效率。
本文將詳細介紹雙螺桿壓縮機注油過程的3D全瞬態CFD仿真，采用體積分數(VOF)法對氣液兩相流動進行模擬，通過對比有油和無油情況下的模擬結果，對注油冷卻和密封效果進行評價。
通過該算例Simerics MP+ 軟件VOF模型的有效性、強大性及計算速度得到了有效地驗證。
1
雙螺桿壓縮機基本原理
雙螺桿壓縮機是一種做回轉運動的容積式氣體壓縮機械，隨著螺桿轉子的轉動，陰陽轉子間的齒間容積沿轉子軸線從吸氣端運動到排氣端，且齒間容積由小到大再變小，發生周期性的變化，完成吸氣、壓縮和排氣過程。
除潤滑齒輪外，不同類型的容積式壓縮機普遍采用噴油來冷卻壓縮氣體、密封泄漏間隙提高壓縮機氣體流量和效率。
本文將詳細介紹雙螺桿壓縮機注油過程的3D全瞬態CFD仿真，采用體積分數(VOF)法對氣液兩相流動進行模擬，通過對比有油和無油情況下的模擬結果，對注油冷卻和密封效果進行評價。
通過該算例Simerics MP+ 軟件VOF模型的有效性、強大性及計算速度得到了有效地驗證。
展開 雙螺桿壓縮機流固共軛傳熱CFD分析 附基于SCORG和Simerics MP 的CFD雙螺桿泵數值模
概述
雙螺桿壓縮機是一種做回轉運動的容積式氣體壓縮機械，隨著螺桿轉子的轉動，陰陽轉子間的齒間容積沿轉子軸線從吸氣端運動到排氣端，且齒間容積由小到大再變小，發生周期性的變化，完成吸氣、壓縮和排氣過程。
Simerics | 雙螺桿壓縮機流固共軛傳熱CFD分析
雙螺桿壓縮機是一種做回轉運動的容積式氣體壓縮機械，隨著螺桿轉子的轉動，陰陽轉子間的齒間容積沿轉子軸線從吸氣端運動到排氣端，且齒間容積由小到大再變小，發生周期性的變化，完成吸氣、壓縮和排氣過程。
壓縮機內溫度的變化對壓縮性能和效率有著至關重要的影響，為了準確地預測壓縮機的熱動力學特性，在CFD模擬中需要對金屬部件與工作流體之間的傳熱進行適當的分析與評估。
本文基于Simerics-MP+軟件，利用混合時間尺度耦合法求解不同介質間耦合傳熱的問題。該方法可以解決熱傳播的時間尺度差異問題。通過比較在有和沒有考慮共軛傳熱情況下的模擬結果，評估流固共軛傳熱對雙螺桿壓縮機性能的影響。結果表明本文所使用的方法是有效、快速和友好的，可以很容易地應用于工業壓縮機系統。
展開 雙螺桿壓縮機CFD模擬，這樣做才專業！
Simerics-MP+作為專業的運動機械CFD模擬專家，在螺桿壓縮機流固共軛傳熱領域具備獨特的優勢：
Simerics-MP+具備螺桿壓縮機轉子網格導入接口，可直接將螺桿壓縮機轉子部件的網格快速導入并完成動網格設置；
Simerics-MP+引進一種先進的共軛傳熱求解的新方法—混合時間尺度耦合法（Mixed Timescale Coupling method），這種方法可以解決熱量傳播過程中的時間尺度問題，快速獲取可靠結果；
Simerics-MP+內置的應變應力求解器可進行單向流固耦合求解，將轉子壁面溫度反饋到固體結構進行熱應力和熱膨脹變形的求解；
Simerics-MP+具有高效的求解功能，其求解器基于傳統的CFD求解器進行了優化，相較于傳統的CFD工具，其求解速度更快。結合強大的網格技術，Simerics-MP+可以順利進行系統級的CFD分析工作。目前Simerics-MP+在系統級分析領域已積累較多經驗。
4 雙螺桿壓縮機案例
本文以N35無油雙螺桿壓縮機為研究對象，陽轉子的運行速度為6000rpm到14000rpm，陽轉子直徑為127.45mm，陰轉子直徑為120.02mm，兩個轉子之間的中心距離為93.00mm。轉子的長徑比為1.6，陽轉子的包角為285.0度。同時考慮流體域和固體域，以實現兩者之間的共軛傳熱問題。
4.1 流體模型
采用專業的網格生成軟件SCORG進行雙螺桿轉子部分流體域的網格劃分。在SCORG中根據不同的旋轉角度創建了一系列的轉子網格文件。
展開 有限元仿真在螺桿壓縮機應用研究
[2] 吳寶志.螺桿式制冷壓縮機[M].北京：機械工業出版社，
1998.[3] 張天翼，湯雁翔.基于有限元分析的螺桿壓縮機殼體結構[J].壓縮機技術，2017，（04）：16-19.
[4] GB/T 19410-2008，螺桿式制冷壓縮機[S].
[5] 徐鵬，鐘檢長.船用螺桿壓縮機轉子受力有限元分析[J].機電設備，2015，（05）：77-80.
[6] 王軍利，李托雷，雷帥，任志貴，薛旭東，魏萬行援流熱固耦合下的雙螺桿壓縮機轉子結構特性研究[J]援機床與液壓.
[7] 李托雷，王軍利，雷帥，張文升，李志峰，馮博琳.流固耦合下雙螺桿壓縮機轉子結構特性研究[J].壓縮機技術，2019，(05)：05-11.
[8] 饒靜，張國海，周斌，楊宗浩，張重陽.某型號螺桿壓縮機建模及流場仿真分析[J].機電技術，2019，(03)：50-54.
[9] 黃蘭.雙螺桿壓縮機內部流場分析及噪聲控制[J].陜西:陜西理工大學，2016.
作者簡介：李日華（1987-），男，本科，主要從事螺桿壓縮機和智能裝備研發。
E-mail：lrhua16@163.com
文章來源：壓縮機技術
展開 【技術分享】獨一無二的螺桿機械仿真技術！
圖1 SCORG+Pumplinx聯合解決方案
螺桿機械數值分析案例
在進行螺桿機械的性能分析時，客戶往往不能滿足于一維的熱力學預測，而希望能對螺桿壓縮機或泵進行更為詳細的三維CFD數值分析，獲得螺桿機械流場的壓力、速度、溫度以及空化預測，以及更為精確的性能特性曲線。
聯合SCORG與PumpLinx即可實現螺桿機械的三維非定常數值分析。
下圖為某雙螺桿壓縮機的三維模型，提取后的流體域部分由吸入段、排出段和轉子部分構成。
圖2 雙螺桿壓縮機幾何模型
SCORG為專業的雙螺桿機械型線分析和前處理軟件，通過輸入雙螺桿機械陰陽轉子型線數據和齒數、節距及軸徑等相關參數，即可自動生成雙螺桿壓縮機轉子部分結構網格。
圖3 轉子區域網格
圖4 嚙合間隙處網格
SCORG與PumpLinx實現無縫集成，SCORG生成的轉子結構網格可直接輸入至PumpLinx。PumpLinx內置有螺桿壓縮機的數值分析模板，通過輸入螺桿壓縮機的齒數、轉速、旋轉中心等運行參數，即可自動設置螺桿壓縮機轉子部分的動網格，進而進行流場數值分析。
在PumpLinx中調用雙螺桿壓縮機模板并設置動網格后，設置該分析模型的邊界條件和介質參數，即可對該壓縮機進行熱流體分析預測，部分參數如下圖所示。
圖5 邊界條件及物性參數
通過對該雙螺桿壓縮機進行6000rpm和8000rpm兩個工況的預測分析，并與試驗值進行對比分析，驗證了數值結果的準確性，同時也為雙螺桿壓縮機的產品優化及性能分析提供了一種更為便利和經濟的手段。
展開 檢修課堂丨橡膠運行部·螺桿式壓縮機的結構及操作介紹
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修
課
堂
螺桿壓縮機的結構和操作介紹
雙螺桿壓縮機是由一對相互嚙合、旋向相反的陰陽轉子，陰轉子為凹型，陽轉子為凸型。隨著轉子按照一定的傳動比旋轉，轉子基元容積由于陰陽轉子相繼侵入而發生改變。
螺桿壓縮機仿真：Simerics 螺桿壓縮機網格模板介紹
螺桿式壓縮機又稱螺桿壓縮機，分為單螺桿式壓縮機及雙螺桿式壓縮機。由于其結構簡單、易損件少，能在大的壓力差或壓力比的工況下工作，排氣溫度低，對制冷劑中含有大量的潤滑油不敏感，有良好的輸氣量調節性，螺桿式壓縮機廣泛地應用在冷凍、冷藏、空調和化工工藝等制冷裝置上。此外，以螺桿式壓縮機為主機的螺桿式熱泵廣泛應用在采暖空調方面，有空氣熱源型、水熱泵型、熱回收型、冰蓄冷型等。
其中，單螺桿壓縮機主要由一個圓柱形螺桿、兩個平面星輪和機殼組成的。螺桿和星輪組成嚙合副裝在機殼內，由螺桿槽、星輪、機殼組成密封容積變化的氣腔。當螺桿主軸在外部電機的驅動下運轉時，星輪也隨著螺桿運轉。兩個星輪將螺桿分成對稱獨立的封閉空間，當螺桿轉動時,星輪在螺旋槽內相對運動，改變星輪、螺旋槽、機殼組成的密封空間的大小，實現吸氣、壓縮、排氣的過程。
圖1 單螺桿壓縮機
單螺桿壓縮機雖然具有零部件少、重量輕、機械效率高、噪聲低和振動小等優勢，但由于其結構緊湊，壓縮機轉子齒頂密封齒與殼體之間的泄露間隙非常小，使得其三維CFD仿真變得十分困難。
展開 制冷壓縮機振動噪聲控制技術
圖2 雙螺桿式制冷壓縮機流-熱-固耦合變形預測
在結構設計方面，基于轉子軸系結構建立轉子軸系的動力學模型，在轉子齒間氣體力和軸系自身不平衡質量離心力的耦合作用下，預測轉子軸系的振動激勵源及其頻譜特性，通過衰減齒間氣流脈動、提高轉子軸系的動平衡精度等級等措施，減小轉子軸系的不平衡質量，抑制轉子軸系的振動激勵。基于轉子軸系的激勵源特性，優化轉子軸系的結構剛度和軸承阻尼，提升轉子軸系的臨界轉速，抑制轉子軸系振動響應；改善殼體等結構部件的剛度和阻尼，偏移結構部件的固有頻率，偏離振動激勵源的共振區，抑制結構部件的振動響應。在裝配工藝上，基于螺桿式制冷壓縮機運行工況，考慮壓縮機工作過程中壓力場和溫度場分布，計算轉子變形量和殼體的變形量，根據各自的變形量設置理想的配合間隙，不僅可減小泄漏量、提升能效，而且可以防止因間隙過小異常接觸而產生的異常振動。
1.2.2 流致性振動噪聲
雙螺桿式制冷壓縮機流場-聲場聯合仿真預測技術是解決流致性振動噪聲問題的關鍵。筆者團隊基于雙螺桿式制冷壓縮機的結構參數，應用CFD數值仿真技術，建立壓縮機工作過程的非定常流場，分析流場的壓力云圖和壓力時域特性，開展流場和聲場的聯合仿真，預測氣動聲學特性，如圖3所示。從圖3（e）和（f）壓力時域和噪聲頻譜的計算結果可以看出，雙螺桿式制冷壓縮機氣流脈動具有顯著的周期性，其前四階的氣動噪聲相對較大。將流場和聲場的預測結果反饋給結構設計，實現雙螺桿式制冷壓縮機流場與聲場的優化。
圖3 雙螺桿式制冷壓縮機流場-聲場聯合仿真預測
基于雙螺桿式制冷壓縮機的流場和聲場特性，設計氣流脈動衰減裝置，抑制氣流脈動誘發的振動噪聲。
展開 
壓縮機為什么會有振動噪聲？噴油螺桿、無油螺桿和離心機我們挨個分析
其次，通過試驗研究來驗證并完善流場及聲場的數值模型，分析壓縮機幾何特性對流場及聲場的影響，將結果反饋到壓縮機減振降噪設計上，如轉子/葉輪型線和間隙、吸排氣流道等部件的優化設計，源頭上抑制流致性振動噪聲。最后，針對已經研發定型的空壓機產品，開發氣流脈動衰減腔、聲波干涉器和穿孔管消聲器等，路徑上衰減流致性振動噪聲。
2.1 噴油螺桿空壓機
噴油螺桿壓縮機振動噪聲主要來源于陰陽轉子嚙合過程中產生的機械振動，通過齒輪、軸承和殼體向外傳遞振動，輻射噪聲。壓縮機屬于容積式壓縮機，存在內壓縮過程，不可避免的產生氣流脈動，通過吸氣孔口和排氣孔口向外輻射。隨著機械加工裝配精度的提升，機械性振動噪聲得到控制，流致性振動噪聲成為制約著壓縮機振動噪聲的主要因素。噴油空壓機噪聲以低頻為主，主要集中在陰陽轉子嚙合頻率的前6倍頻，尤其是前4倍頻更為顯著。
根據噴油螺桿機振動噪聲的特點，基于聲波干涉技術，在排氣端面上設計一款氣流脈動衰減裝置，即利用旁支流道與主流道的流程差，產生兩路幅值相等、相位相反的氣流脈動，相互抵消，從排氣源頭上衰減排氣氣流脈動，如圖2所示。通過壓縮機的振動噪聲測試分析，結合理論研究，設計出一套定制化的減振降噪技術方案，使200kW機組法蘭面振動下降到10m/s^2以內，改善了50%，空壓機遠場1m距離處噪聲改善5.0dBA，降低到80dBA以內。
2.2 無油螺桿空壓機
相對于噴油壓縮機，無油壓縮機采用同步齒輪驅動，轉子間不接觸，避免了轉子嚙合過程中機械振動噪聲的產生，以氣動噪聲為主。但無油空壓機缺少了潤滑油對波長較短的中高頻聲波的衰減，導致中高頻噪聲突出，噪聲頻帶寬，整機噪聲偏大，壓縮機近表噪聲甚至超過120dBA。
展開 壓縮機噪音故障經驗總結，不錯。。。
一、壓縮機
1. 雙螺桿壓縮機
雙螺桿壓縮機整機系統主要由電機、壓縮機、管路、閥門和壓力容器等組成，在運行過程中會受到氣體力、慣性力、摩擦力等載荷的作用，激發壓縮機機殼、整機底架、管道系統及支撐結構等，零部件的振動。這些振動如不采取適當的措施加以限制，則會帶來一系列問題。
螺桿壓縮機噪聲主要分為，機械性噪聲和流體動力性噪聲。螺桿壓縮機在電機交變應力的作用下，引起機械設備中的構件及部件碰撞、摩擦、振動，從而產生機械性噪聲，常見的控制方法有在源頭上控制噪聲源，如減少運動部件的沖擊，提高轉子及其裝配件的動平衡等。
2. 離心壓縮機
當離心壓縮機喘振時，將會隔幾秒定期地發出一個深沉而又吼哮的噪音。此時，壓縮機已處于不穩定狀態下運行，轉子在軸承間往復滑動，而且止推軸承、轉子這種水平方向的移動，不可避免地要損壞壓縮機軸封。
每一次的喘振表明了轉子在軸承間又一次的滑動，這種喘振的聲音越高，轉子水平方向的作用就越強，危害性也越大，會導致由輕喘振到壓縮機的完全自行破壞。
引起喘振的原因和補救方法：
排出壓力太高，把壓縮機后冷器的接收器放空以降低被壓，或者把進入后冷器的冷卻水閥門打開。
吸入氣體溫度高，多數的裝置都備有在壓縮機的吸入口上游注入少量輕的液烴類設施，液體蒸發冷卻了吸入壓縮機的熱氣流，也可以要求上游工序降低進入壓縮機的氣體溫度。
3. 活塞式壓縮機
活塞式壓縮機的噪音與振動主要是機械方面的原因，同時由于工藝方面的排污不及時，油和水進入氣缸同樣也會產生噪音。
壓縮機的氣缸里面掉入一些機械雜質，或活塞和缸蓋的間隙過小，壓縮機在轉動時氣缸里就會發出“當當”的金屬碰擊聲，發出這種聲音時要立即停車檢修。否則，就會發生重大的設備損壞事故。
展開 考慮流動損失的螺桿壓縮機容積效率計算研究
吳霞俊
（神鋼無錫壓縮機股份有限公司，江蘇無錫２１４１４５）
［摘 要］：容積效率的準確計算是螺桿壓縮機熱力計算的重要組成部分。現有的半經驗法根據低馬赫數工況下的實驗數據提出了考慮泄漏、進氣溫度修正和充氣修正的方法。隨著螺桿壓縮機設計和制造技術的進步，螺桿壓縮機趨向大型化和高速化，原有的計算方法在高馬赫數的工況下，不能很好的吻合實驗數據。
作者基于Ｌ林德的半經驗容積效率計算方法提出了考慮流動損失的容積效率計算方法，取得了較好的效果。
［關鍵詞］：螺桿壓縮機；容積效率；流動損失；馬赫數；修正
１ 引言
螺桿壓縮機因兼顧活塞式壓縮機和離心式壓縮機的優點，其使用領域不斷擴大。容積流量作為螺桿壓縮機最重要的指標之一，其計算的準確性直接關系到螺桿壓縮機的正常使用以及系統的能耗。容積效率的正確計算是螺桿壓縮機熱力學計算的重要組成部分。
目前有關螺桿壓縮機容積效率的計算，主要有經驗法、半經驗法和數值模擬法。數值模擬法主要應用于理論研究中，經驗法和半經驗法主要用于工程實際中。經驗法需要計算者擁有豐富的螺桿壓縮機設計經驗和歷史數據積累。理論和經驗相結合的半經驗法則對計算者的經驗要求可以大大降低。邢子文［１］、彭學院［２］、Ｎ.Ｓｔｏｓｉｃ［３］等對噴油螺桿壓縮機的工作過程進行了大量的研究，在容器效率方面的研究重點為轉子內部的壓縮過程中的泄漏研究，深入研究了潤滑油的分布和對間隙泄漏的影響。邢子文［１］分析了影響螺桿壓縮機容積效率的因素和基于經驗的容積效率取值范圍和取值方法。國內黃忠［４］等基于制冷噴油螺桿壓縮機的研究，提出了考慮泄漏和進氣溫度影響的容積效率的半經驗法的計算方法（Ｈ法），李慶剛［５］等基于實驗數據對Ｈ法進行了修正，得到了比較理想的計算制冷螺桿壓縮機螺桿效率的方法。
展開 技術探討：帶有閃蒸器的單螺桿壓縮機制冷系統
因此，復疊式制冷系統和雙級壓縮制冷系統獲得了很多的關注。
（示意圖，不對應文中任何具體產品）
1. 存儲環節
復疊式制冷系統在實際應用過程中，存在三個方面的缺點:
第一，復疊式制冷系統設計過程較為復雜，初 期投入成本相對較高;
第二，復疊式制冷系統工作過程中的中間溫度很難控制;
第三，壓縮機工作一段時間后，在開始降溫的過程中，系統的 COP變化較為明顯，不利于系統保持在某一最佳工況。
基于低碳的創新理念，需要尋求一種經濟有效的制冷系統來提高制冷效率。在常規的單級壓縮制冷系統中，系統在低溫工況下運行時，壓縮機的排氣溫度會過高，系統的制冷效率較低。
單螺桿壓縮機體積小、重量輕、占地空間小， 在運行的時候較為穩定，整機的易損耗零件非常少、工作效率高，因此單螺桿壓縮機在行業中得到了迅速的發展與應用。但在制冷系統中，通常會加入閃蒸器來提高整個系統的制冷能力。本文，我們就來來探討下這個問題。
2. 閃蒸器補氣增焓系統模型
2.1 熱力學模型
本文以直徑為117mm的單螺桿壓縮機為研究對象，建立了帶有閃蒸器的單螺桿壓縮機制冷機組的補氣增焓EVI數學模型。研究了蒸發溫度為-20℃~-5℃的制冷系統的最佳補氣壓力。分析了-10℃蒸發溫度為，冷凝溫度為45℃工況時制冷系統的性能參數隨補氣壓力的變化情況。
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