螺杆压缩机结构与参数分析

一般将双螺杆压缩机称为螺杆压缩机。由于其具有结构紧凑，能适用于大压比的工况，对湿行程不敏感，有良好的输气量调节特性、维护方便等特点，是制冷和空调工程的一种理想的主机。20世纪50年代后，当它开始用于制冷装置时，就显示出许多独特的优点，很快就占据了大容量活塞式压缩机的使用范围，而且正向中等容量范围迅速延伸。采用的制冷剂有R22、R717、R134a、R407C、R404A、R507和其他HFCS。其功率范围约为150～2000kW，甚至更大些。这类压缩机也分为开启式、半封闭式和全封闭式、单级和多级机等。

1.螺杆压缩机工作原理

螺杆压缩机是靠气缸中一对螺旋转子相互啮合旋转，造成由齿型空间组成的基元容积的变化，实现了对制冷剂气体的压缩。图7-53是典型开启式螺杆压缩机的一对螺旋齿转子、气缸和两端端盖的结构外形图。由图可知，压缩机∞形的气缸3里有一对转子，其中一个有凸齿的称阳转子6，另一个有凹齿槽的称阴转子2，气缸的左右由吸气端盖1和排气端盖5封住，一对转子就支承在左右端盖的轴承上。转子之间及转子和气缸、端盖间留有很小的间隙。在吸气端盖和气缸上部设有轴向和径向进气口，在排气端盖和滑阀端部设有轴向和径向排气孔口。

螺杆压缩机的工作原理见图7-54（各分图是由下向上的仰视图。当压缩机运转时，阳转子带动阴转子（也有由阴转子带动阳转子的结构），由阴阳转子凹凸齿槽、啮合密封线与气缸和端盖内壁所围成的人字形基元容积不断变化。当基元容积由最小向最大变化时，它与径向和轴向吸气口相通，进行吸气过程（见图7-54a、b、c）。当基元容积达到最大时，便与吸气口隔开，吸气结束。此后，基元容积由最大逐渐变小，开始气体的压缩过程（见图7-54d、e）。当基元容积内气体压力升到一定值时，便开始与轴向和径向排气口接通，进行排气过程（见图7-54f），直到基元容积变为零为止。上述过程，随着转子连续运转，重复地进行。

图7-53 开启式螺杆压缩机的螺旋齿转子、气缸和两端端盖的结构外形图

1—吸气端盖 2—阴转子 3—气缸 4—滑阀 5—排气端盖 6—阳转子

图7-54 螺杆压缩机的工作原理

a）吸气开始 b）吸气 c）吸气结束 d）压缩 e）压缩结束 f）排气

同活塞式相比较，螺杆压缩机在工作过程中无吸、排气阀片。因此，当吸排气口确定后，其吸气终了容积V₁与压缩终了容积V₂之比V₁/V₂，称为内容积比V_i就确定了。在螺杆压缩机工作过程中，内压缩终了的压力p₂与吸气终了压力p₁之比p₂/p₁称为内压力比π_i。π_i与V_i在等熵压缩过程中有如下关系：

式中 κ——工质的绝热指数。

制冷剂气体在基元容积内压缩终了时的压力p₂，与排气管道内压力p_dk（或冷凝压力p_c）无关，p₂不一定等于p_dk，而决定于内容积比V_i，因此，出现如图7-55所示的三种情况：

1）在p₁吸气压力下，基元容积的压缩终了压力p₂已升到高于排气管道中的压力p_dk时，才与排气口相通，进入排气过程。由于p₂＞p_dk，基元容积中产生突然的等容膨胀过程，多消耗的压缩功如图7-55a中阴影面积所示。

2）基元容积内被压缩气体终了压力p₂小于p_dk时，就与排气孔口相通，此时，排气管道中气体倒流入基元容积，在其中产生等容压缩过程，使气体压力骤然升到p_dk，然后进行排气过程，多消耗的压缩功如图7-55b中阴影面积所示。

3）图7-55c中所示的压缩过程，是基元容积内终了排气压力p₂等于排气管道中的压力p_dk，只有在这种情况下，压缩机无额外功消耗，运行的效率最高。

图7-55 螺杆式压缩机压缩过程p-V图

a）p₂＜p_dk b）p₂＞p_dk c）p₂=pdk

由此可见，为了达到p₂/p₁随时都和p_dk/p_so相一致，希望在变工况运转时，能实现内容积比的自动调节。对于内容积比V_i为固定值的压缩机，一般选用的内压力比π_i略低于制冷或热泵系统的额定运行压力比。

2.螺杆型线和主要结构参数

（1）螺杆型线 在螺杆压缩机发展史上，螺杆型线一直是人们研究的核心。它直接影响输气量、效率和噪声。20世纪60年代的SRM双边对称型线，在转子相互啮合时有一个较大的泄漏三角形，使相邻基元容积沟通，引起较高压力基元容积气体向较低压力基元容积泄漏。20世纪70年代初期，出现了单边非对称齿型，基本上消除了泄漏三角形。为了提高输气量和容积效率，型线又从增大面积利用系数C_n着手

式中 A_o1、A_o2——图7-56上阴阳转子齿间阴影面积；

z₁——阳转子齿数；

D_o——转子公称直径（mm）。

图7-56 几种转子齿型

a）德国GHH公司CF齿型 b）神户β齿型 c）瑞典Stal齿型

C_n值在0.47～0.50之间。为缩短两转子之间接触线长度着手进行研究，先后出现X齿型、西格马（Sigma）齿型，德国GHH公司的CF齿型（见图7-56a）。现在各种新的型线层出不穷，如日本日立的α齿型、神户β齿型（见图7-56b）、瑞典斯达尔（Stal）（见图7-56c），极大地提高了螺杆压缩机的性能。

（2）转子齿数 按常规，转子齿数少，面积利用系数C_n增大，增加压缩机的输气量；增加齿数，则可加强转子刚度和强度。通过型线的改进，目前较多的齿数也能挖掘出较高的C_n值。传统的阴阳转子齿数比是6∶4，例如Sigma、CF齿型的6∶4。日立公司通过阴阳转子的齿数比为5∶4、6∶4、6∶5、8∶6的对比研究试验，认为6∶5有较高的效率。但目前又出现瑞典斯达尔S80型压缩机7∶5和美国开利（Carrier）的06T型压缩机7∶6齿数比。所以，齿数比研究还在继续。

（3）长径比 螺杆压缩机转子长度L与其公称直径D₀之比称为长径比λ（λ=L/D₀）。当输气量不变时，降低长径比λ，则转子公称直径D₀变大，提高了转子刚度和强度，轴向吸排气孔口的面积变大，减少了吸排气流动损失，提高了容积效率。增大长径比λ，则转子公称直径D₀变小，可以减少气体力作用在转子螺旋面上产生不平衡轴向力，以致可省去平衡活塞。一般λ值取1～1.5之间，下限称短导程，上限称长导程，转子直径为63～350mm之间，适应于广阔的输气量使用范围。

（4）扭转角和扭角系数C_φ 转子的扭转角是指转子上的一个齿，在转子两端端平面上投影的夹角，它表示转子上的一个齿的扭曲程度。

当转子的凸形和凹形的扭转角较大时，基元容积的一对相啮合的齿，在排气端还未完全脱开，而在进气端却已开始与吸气口隔断，结果引起理论基元容积充气不足的现象。扭角系数C_φ就是用来衡量理论基元容积利用程度的参数。当阳转子扭转角为300°、270°时，C_φ值分别为0.97和0.985。

我国规定的制冷用螺杆压缩机直径系列可参见表7-9。

表7-9 螺杆压缩机直径系列 （单位：mm）

（续）

3.螺杆式压缩机的输气量、功率和压缩效率

（1）理论输气量 从工作原理可知，螺杆式压缩机理论容积输气量q_Vth为

q_Vth=60L（z₁A₀₁n₁+z₂A₀₂n₂） （7-30）

根据双螺杆啮合原理，阳阴螺杆的齿数z₁、z₂和转速n₁、n₂有z₁n₁=z₂n₂的关系。齿间面积A₀₁、A₀₂因计算困难，引进面积利用系数C_n，并考虑螺杆扭转角较大造成吸气不足的扭角系数C_φ，对于阳转子为主动转子的机器，则上式变成

螺杆式压缩机的实际容积输气量q_Va为

q_Va=q_Vthη_V （7-32）

式中 η_V——容积效率。

影响螺杆压缩机容积效率的因素，与活塞压缩机有不同程度地相似，只是由于螺杆式压缩机无余隙容积，所以几乎不存在再膨胀的容积损失，使其η_V随压力比增大并无很大的下降，这对热泵用压缩机而言是十分有利的。

值得强调的是：螺杆压缩机中螺杆转子间啮合间隙处的泄漏，螺杆转子与气缸内壁、端盖间的间隙处的泄漏，都会构成影响η_V的重要因素。螺杆压缩机工作过程中的气体泄漏有两种情况：一种为外泄漏，基元容积中压力升高的气体，向吸气通道或正在吸气的基元容积中泄漏，直接影响容积效率；另一种为内泄漏，是具有较高压力气体向较低压力的基元容积中泄漏，它只影响压缩机的功耗，对容积效率没有影响。

向螺杆的压缩腔内喷油，使各啮合间隙处都蒙上一层油膜，会起到良好的密封作用、润滑作用和冷却作用。如今几乎所有螺杆式压缩机，都采用喷油措施来达到这些目的。泄漏与两螺杆转子接触线长度和间隙面积有关，而且还同螺杆喷油的油温和喷油量有关。油温度低，油粘度加大，则密封效果好。试验证明，接触线长度短，间隙值小，油温低和增加一定喷油量，有利于容积效率的提高。

图7-57给出了使用R22工质的螺杆压缩机，在不同内容积比V_i时，容积效率η_V与压力比π之间的关系。

（2）功率和效率 螺杆压缩机的功率和效率的定义及计算式均与7.2节相同。影响螺杆压缩机轴效率η_e的主要因素是指示效率η_i和机械效率η_m。η_i受到气体流动所造成的动力损失和压缩机内部的内泄漏影响。图7-57上给出了使用R22工质的螺杆压缩机，在不同内容积比V_i时，轴效率η_e和容积效率η_r与压力比π的关系。

图7-57 R22螺杆压缩机的效率曲线

4.螺杆压缩机的容量调节

正如所有容积式压缩机一样，容量调节可由转速或吸气节流来调节。理想的容量调节应是：①从100%～10%连续调节；②有高的部分负荷效率；③能卸载起动；④不改变可靠性。容量调节的最佳选择应是变容积和变速调节两种方法。

（1）容量调节滑阀 用于容量调节的滑阀是一个平行于转子方向滑动的调节阀。它们被安装在接近高压，面对着两个转子孔。可旁通变容量的气体返回吸气侧，其旁通量取决于滑阀的位置。

1）调节排出口孔的容量调节滑阀。此种型式的滑阀被置放在高压侧区域。它不但调节容量，而且在部分负荷时，还改变径向排出孔口的位置，其轴向排出孔口被设计成能提供最佳部分负荷性能而不损失满负荷性能。图7-58所示为最常用的一种原理图。

2）不调节排出口孔的容量调节滑阀。滑阀被置放在高压侧区域外，仅调节容量，不调节径向排出孔口的大小。

第一种是常用的，是现有调节方法中的最有效的一种。由于它能在部分负荷时，间接地修正内容积比，可以不通过大的滑阀移动而达到大的容量降。

图7-58 滑阀卸载原理

（2）容量提升阀 容量提升阀或柱塞阀可以调节压缩开始时间，这是一种有级调节方法。但这种方法不能像滑阀那样提供部分负荷时的最佳效率，因为在部分负荷时，会造成欠压缩。图7-59示出容量提升阀的卸载原理。

图7-59 容量提升阀的卸载原理

5.容积比

所有具有固定进排气孔口位置的回转式压缩机中，转子内压力比决定于进排气孔口的位置。螺杆压缩机的内容积比，定义为压缩机开始时的齿间容积和同一齿间在开始通向排气时的容积的比值。然而吸气孔口的位置应保证齿间容积为最大，这样容积比就仅决定于排气孔口的位置。

仅仅是吸气压力和压缩机的内容积比，决定着在排气开始前的内部压力。但是，冷凝温度和蒸发温度决定着和压缩机相连管道中的排气压力和压力比。在内部压力和系统压力之间存在任何不协调，会造成欠压缩或过压缩，从而降低系统的运行效率。图7-55说明过压缩、欠压缩和正常情况的压缩过程p-V图。

如果系统运行压力基本不变，则有可能固定压缩机的内容积比以便提高运行效率。压缩机制造厂提供三种或四种排气口尺寸以供选择来适应常见的运行工况。

6.可变容积比(www.xing528.com)

有些双螺杆压缩机能在运行时调节压缩机的容积比至最有效的比值，以适应当时的运行工况。在固定容积比压缩机中，滑阀移动至机器吸气端，碰到转子壳体时将停止。大部分常见的可变容积比的机器中，该部分的转子壳体已经由一个第二滑阀所代替，即可移动的滑阀挡块，该挡块可被推动至滑阀孔的不同位置（见图7-60）。

图7-60 固定和可变容积比结构

a）固定低V_i b）固定高V_i c）可变V_i

通过正反方向移动该滑块，排气径向孔在运行中可重新定位，以适应最佳压缩机的容积比。所增加的灵活性，可允许在不同吸气和排气压力下保持最佳效率。固定容积比和可变容积比螺杆压缩机，在采用R22及氨制冷剂时，满负荷运行的相对效率比较见图7-61。从图中可知，具有可变容积比的压缩机效率曲线，在一个宽广的压力比范围内均有最高的效率。此外，它还有噪声低、排气温度低、寿命长等许多优点。

7.喷油

螺杆压缩机有干式和湿式两种不同型式。由于干式需要高的转子转速和同步齿轮，因此目前广泛应用的是湿式，也称为喷油式，压缩机的容量范围为10～3000L/s。喷油的目的是为了密封、冷却和润滑。由于油能充满所有泄漏途径，即使在25∶1的单级高压力比，亦能保证容积效率超过85%（氨，转子直径190mm）。油将大部分压缩热吸收，能保持排气温度低于88°C。这样，就有可能运行在高压力比而不致使油分解的危险。润滑作用保护轴承、密封和转子间的接触。螺杆压缩机的这种承受油的能力，亦允许压缩机进气中带一定量液体制冷剂的能力，只要液体制冷剂不是足以使转子处于液体阻滞状态。

图7-61 双螺杆压缩机效率曲线

a）氨制冷剂 b）R22制冷剂

———固定容积比 ---可变容积比

8.油分离和油冷却

喷油螺杆需要进行油分离，以使油循环使用。一般捕集式油分离设备，能使循环制冷剂中少于5mg/kg的含油量。有些小型压缩机（主要指整体紧凑式机组）中，分离能力小或没有分离设施，则其排气中可能会有大于质量分数7%的润滑油。

喷油一般采用两种方法：①利用油泵产生高于排气压力200～300kPa的油压，这样要消耗压缩机功率的0.3%～1.0%；②利用油箱（排气压力）和喷油口齿间，在压缩过程中的低压之间的差值，自动喷油。

由于油吸收相当数量的压缩热，必须进行冷却。有以下三种冷却方法：

1）在压缩过程中直接喷入液体制冷剂，其制冷剂是相当于理论排量的0.02%左右，喷液量受排气温度控制。

2）利用小型制冷剂泵，将液体直接喷入排气管道。

3）在压缩机外进行冷却，冷却源可以是：①单独水冷却；②冷水机组中的冷水冷却；③水冷机组中的冷凝器冷却水冷却；④来自蒸发冷凝器的水箱水冷却；⑤风冷式油冷却器；⑥液体制冷剂冷却；⑦高压液体循环（热虹吸）。

9.经济器

螺杆压缩机可在吸气口和排气口之间增加一个二次吸气口，该吸气口能接受压力大于主蒸发器压力的二次吸气负载，或接受经济器液体过冷容器的闪蒸气。

压缩机运行中，当气体从吸气管道吸入转子齿间后，该两齿即封闭而开始压缩过程，补充加气，可通过一合适的孔口加入封闭齿间，该孔口连接至一中间气源，其压力稍大于此时的齿间压力，正常的吸气和中间加气就一起被压缩至排气状态。

在采用经济器时，一部分高压液体在中间压力下蒸发，以将其余的高压液体过冷。此时对吸气量是稍有影响的，但压缩机由于增加了进入蒸发器液体的吸热能力而提高了制冷能量。压缩机必须承担的仅是进入齿间的闪蒸气所增加的质量流量。因此，大多数情况下，在容量改进的同时，会提高效率。

经济器在压缩比大于2以上是有效的，液体的过冷可通过直接蒸发式壳管式换热器，或板式换热器、闪发容器，或壳盘管式中间冷却器来完成。

10.开启式螺杆压缩机组

开启式螺杆制冷压缩机广泛应用于石油、化工、制药、轻纺、科研方面的中低温装置；食品、水产、商业的低温加工贮藏和运输；以及工厂、医院及公共场所等大型建筑的空气调节等。因为它有自己的特点，所以一般以压缩机组型式出售。

压缩机组由压缩机、电动机、联轴器、油分离器、油冷却器、油泵、油过滤器、吸气过滤器、控制台等组成。图7-62、图7-63分别表示单级螺杆制冷压缩机的系统图与外观图。图7-64示出JZKA12.5C型产品的性能曲线。JZKA12.5C型产品主要技术数据如下：转子公称直径125mm；转子长度190mm；转速2960r/min；制冷工质R717、R22；理论排量263m³/h。

11.半封闭式螺杆压缩机

螺杆压缩机具有体积小，重量轻，系统简化，部件少，噪声低，性能可靠等优点，在封闭式螺杆机中得到充分体现。为此，近几年来封闭式螺杆压缩机发展异常迅速。06N型半封闭螺杆压缩机为其中的一种，图7-65示出该压缩机的结构。

图7-62 单级螺杆制冷压缩机组系统图

（大连冷冻机股份有限公司提供）

1—起动旁通电磁阀 2—停车旁通电磁阀 3—电动机 4—螺杆压缩机 5—吸气截止阀 6—加油阀7—吸气过滤器 8—吸气温度计 9—吸气压力表 10—吸气止回阀 11—排气压力高保护继电器 12—排气压力表 13—安全阀 14—油温度计 15—油温度高保护继电器 16—油分配总管 17—油压表 18—回油电磁阀 19—排气温度计 20—油分离器 21—排气温度高保护继电器 22—油面镜 23—油加热器 24—油冷却器 25—精滤器前后压差保护 26—油精过滤器 27—油泵 28—油压调节阀 29—机旁操纵台 30—起动控制柜 31—油粗过滤器 32—排气止回阀 33—排气截止阀

06N型半封闭式螺杆压缩机是专为R134a设计，5+6齿；转子直径φ104mm。它通过采用航空精密技术加工的斜齿轮进行传动，改变传动比和电动机规格共有5个品种（30kW、37kW、45kW、53kW和60kW）；压缩机采用中间抽气冷却电动机，不但能保证电动机温度接近理想状态，而且比吸入气体冷却方式提高COP约1%；吸入接管法兰位于压缩机下部，直接与满液式蒸发器相连，减少吸入压力损失；采用不同工作条件下的最佳内容积比，以保证效率高，噪声低和寿命长。同时，采用稳定性好、简单且无内部损失的数个容量调节活塞。以上措施使30HXC系列水冷机组的COP=4.42～4.64，与老机组相比约提高17%～24%。在润滑系统上仍用差压供油方式，但在起动时，先用预润滑油泵供油，以保证不损伤高精度转子和滚动轴承。随着排气压力和温度的不同，适时调整过热度，使油粘度始终处于较佳状态。由内装式可不拆卸更换的过滤器保证油的可靠润滑，使工作寿命得到保证。两级消声措施大幅度降低气流脉动噪声，第一级与压缩机构成一体，第二级为外部消声器，内填高效吸声新材料以抑制残余气流脉动，将在可听见声音频率内的声能转换为热量，而不产生压力损失。

图7-63 单级螺杆制冷压缩机组外形图

（大连冷冻机股份有限公司提供）

1—油冷却器 2—操纵台 3—油泵 4—排气截止阀 5—油分离器 6—电动机 7—油过滤器 8—螺杆压缩机 9—吸气截止阀 10—吸气过滤器

图7-64 JZKA12.5C性能曲线

（大连冷冻机股份有限公司提供）

图7-66示出HSK74型半封闭式螺杆压缩机断面图。图7-67示出HSK7471—90型半封闭式压缩机性能曲线，制冷剂为R134a，排气量为250m³/h，转速为2900r/min。

12.全封闭螺杆压缩机

由HARTFORD公司生产的MSC（Medium Screw Compressors）型压缩机，是世界上最早批量投产的全封闭式螺杆制冷压缩机，由于它具有噪声低，振动小，电动机效率高，寿命长等优点，被许多厂家用作冷水机组主机。该公司的全封闭式螺杆制冷压缩机有4个型号，即MSC1210、1212、1214和1218，转子直径为φ127mm，长径比分别为1.0、1.2、1.5和1.8。压缩机的阴转子与电动机直连，阳转子由阴转子驱动，转子表面经过激光渗碳硬化处理，以提高使用寿命，它们的排气量分别为262.4m³/h、328.6m³/h、394.4m³/h和473.3m³/h。图7-68为MCS型空调用全封闭式螺杆压缩机结构图。图7-69是比泽尔公司VSK型系列全封闭螺杆式压缩机结构图，电动机配用功率10～20kW，它的结构特点是卧式布置，输气管调节不设滑阀，采用电动机变频调节。表7-10列出MCS型R22全封闭螺杆压缩机的全性能参数。

图7-65 06N型半封闭螺杆压缩机断面图

（上海一冷开利空调设备有限公司提供）

a）压缩机部分 b）电动机部分

1—阳转子 2—阴转子 3—过滤网 4—传动齿轮 5—电动机定子 6—电动机转子 7—电动机轴

图7-66 HSK7471型半封闭式螺杆压缩机断面图

1、4—滚动轴承 2—阳转子 3—安全卸压阀（差压式） 5—单向阀 6—排气温度控制元件 7—内容积比控制 8—喷油口 9—内置电动机 10、11—能量调节/起动卸载 12—阴转子 13—电动机保护元件 14—接线盒

图7-67 HSK7471—90型半封闭式螺杆压缩机性能曲线

a）制冷量随蒸发温度变化 b）消耗功率随蒸发温度变化

表7-10 MCS型全封闭螺杆压缩机的全性能参数

图7-68 空调用全封闭式螺杆压缩机结构

1—排气口 2—内置电动机 3—吸气截止阀 4—吸气口 5—吸气止回阀 6—吸气过滤网 7—过滤器 8—输气量调节油活塞 9—调节滑阀 10—阴阳转子 11—主轴承 12—油分离环 13—挡油板

13.单机双级螺杆压缩机

低温螺杆压缩机较为常用的机型为开启式压缩机，因为半封闭和全封闭压缩机的电动机与压缩机被安装到同一个机体内部，在低温条件下，低温压缩机的能效比相对其在空调系统中应用时要低得多，这时候发动机的发热量对系统的制冷量影响很大，而开启压缩机由于电动机外置可以避免这种情况，同时开启式压缩机可采用高效油分离器，保证制冷剂的含油量相对较少，可以保证低温应用时蒸发器和冷凝器的效率最大化，一些半封闭压缩机应用于空调是采用内置油分离器，当应用于低温是为了提高油分离器的分离效率，特别地将油分离器设计成外置式。

为了适应高压比工况，提高效率，特别是在低温条件下应用，瑞典Stals、日本前川制作所、神户特钢和日立制作所等公司研制了单机双级螺杆式压缩机，如图7-70所示，采用电动机直接驱动低压级的阳转子，通过它再驱动高压级阳转子。一般情况下，冷冻冷藏的压缩机，高低压机容量比为1∶3，也可以1∶2，根据工况要求，还可以多种组合。表7-11是前川螺杆式单机双级压缩机在电动机同步转速3000r/min下的排气量参数，型号中的32、25、20等数字分别表示高压级、低压级转子直径。

图7-69 VSK型全封闭式螺杆式压缩机结构图

图7-70 单机双级螺杆式压缩机结构图

表7-11 前川（Mycom）螺杆式单机双级压缩机的排气量参数

（续）