蘇肖雅，歐陽新萍，舒濤

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

0 引言

單螺桿壓縮機在20世紀60年代被ZI MMERN[1]提出后，逐漸在軍事、機車、航天、化工、石油、制冷等行業(yè)得到應用。在低溫制冷領域，螺桿壓縮機相比于活塞式壓縮機具有更高的性價比和適用性[2]。與雙螺桿壓縮機相比，單螺桿壓縮機不僅具備雙螺桿壓縮機結構簡單緊湊、單位容積利用率高和無氣閥組件等特點，還具有自身獨特的優(yōu)點[3]：單機容量大，無余隙容積；結構合理，具有理想的力平衡性；主機壽命長；維護簡單，易損件少。但是由于單螺桿壓縮機制造工藝要求高、嚙合型線設計復雜、國內制造技術相對落后等因素，其普及性并沒有雙螺桿壓縮機這么高。我國從上世紀70年代開始推動單螺桿壓縮機的研發(fā)，國家科研人員、相關企業(yè)等進行了大量的試驗和技術研究。文命清等[4]對變頻螺桿壓縮機的發(fā)展現狀進行了總結，認為變頻是螺桿壓縮機日后的主要節(jié)能方向；陳清[5]將可變容積比技術應用于單螺桿壓縮機中，認為該技術可以提高壓縮機在不同工況下的滿負荷性能系數。

單螺桿壓縮機的核心部件是由螺桿和星輪組成的嚙合副。嚙合副性能的優(yōu)劣將直接影響壓縮機性能，需要從氣密性、齒面特性及加工工藝性這三方面進行全面考量[6]。嚙合副型線的類型主要有以下幾種：第一類型線——“直線-直線包絡面嚙合副”[7]、第二類型線——“圓臺（柱）-圓臺（柱）包絡面嚙合副”[8]、“直線包絡型”和“圓臺二次包絡型”[9-10]。除了上述經典的嚙合副型線外，吳偉烽等[11]在多直線包絡單螺桿壓縮機的設計基礎上，提出了多圓柱包絡嚙合副以及相應的型線方程，其耐磨與密封性能將有效提高，從而提高單螺桿壓縮機的壽命和容積效率。王可等[12]提出的螺桿槽側面線型屬于圓柱包絡嚙合線，槽底是多直線型包絡面，不僅能保證整機安全、可靠運行，還利于加工的工藝性，確保制造、裝配精度。

星輪作為單螺桿壓縮機的關鍵部件，各位學者也對其進行了多方面的研究。為了研究星輪的幾何參數對壓縮機性能的影響，張淑存等[13]分析了單螺桿壓縮機的結構，建立了中心距與螺桿星輪直徑之間的關系，并根據數值模擬的計算結果，對螺桿星輪直徑比的取值范圍提出了建議。王增麗等[14]側重于研究星輪的幾何參數對壓縮機性能的影響，分析得到壓縮機的排氣量隨星輪螺桿直徑比的增大而增大；在排氣孔口位置不變時，排氣過程的流動阻力損失隨著星輪螺桿直徑比的增大而線性增加。在星輪的理論研究方面，吳偉烽等[15]對直線包絡嚙合副的星輪齒側理論型面進行了研究，直線包絡嚙合副星輪齒的理論型面由二次包絡面、包絡直線和軌跡面這3部分組成，二次包絡面和軌跡面區(qū)域均在特定星輪齒轉角范圍內存在接觸線，但并不是同時存在的，為單螺桿壓縮機星輪齒型面的設計提供了理論依據。YANG[16]確定了帶圓錐齒星輪的單螺桿壓縮機的數學模型，為后續(xù)的單螺桿壓縮機的發(fā)展提供了理論支持。星輪齒的磨損問題已經成為制約單螺桿壓縮機進一步發(fā)展的技術瓶頸。李挺等[17]在充分了解星輪齒的磨損過程后，認為提高加工精度和采用高耐磨材料并不能解決磨損問題，采用耐磨損型線才是解決這個問題的最終途徑，其中包括多圓柱包絡型線的實現和基于油膜作用力的型線參數優(yōu)化。同樣是為了解決星輪的磨損問題，周雷等[18]設計了一種分體式的浮動星輪，詳細分析了塑料星輪片厚度、材料密度、彈性模量、星輪軸承處摩擦系數等關鍵因素對浮動星輪耐磨特性的影響，通過理論計算和實驗研究驗證了其良好的耐磨性能，明顯提高了壓縮機的效率。有著與浮動星輪異曲同工之妙的是，馮全科等[19]提出了單螺桿噴液懸浮嚙合技術和消除星輪液擊技術，是基于多圓柱展成包絡螺桿齒面來實現的，使得星輪齒和螺槽在相互滑動過程中形成潤滑液膜的能力，可以隨著位置的不同而變化，有效地解決了星輪齒與軸承的磨損問題。

由上述分析可以看到，單螺桿壓縮機性能優(yōu)越，但其型線設計復雜以及嚙合副的加工制造技術要求高，這是單螺桿壓縮機發(fā)展的瓶頸所在。為了降低嚙合副型線的設計加工難度，本文設計了一種鏈式星輪單螺桿壓縮機，使得壓縮機核心部件構造簡潔，制造方便，加工成本低。

1 基本結構與工作原理

1.1 基本結構

鏈式星輪單螺桿壓縮機是在傳統(tǒng)單螺桿壓縮機的基礎上設計的一種新型的螺桿壓縮機。目的是簡化單螺桿壓縮機的型線以及解決加工難度高的問題。其基本結構如圖1所示。

圖1 鏈式星輪單螺桿壓縮機的基本結構

電機通過主動軸1帶動轉子轉動，轉子與星輪齒嚙合并與筒體、吸氣或排氣端蓋形成吸氣或排氣封閉容積，轉子帶著星輪齒向左平移，隨著星輪齒的移動，封閉容積逐漸變小，從而形成壓縮效果。與轉子嚙合的星輪齒帶動整個鏈式星輪圍繞兩個或多個鏈輪轉動，鏈輪被殼體包裹。在殼體中注入潤滑油并淹沒下部的星輪齒。星輪齒轉動經過下部時，與潤滑油接觸并攜帶潤滑油至轉子，產生潤滑、密封以及冷卻效果。

1.2 工作原理

鏈式星輪單螺桿壓縮機的工作過程如圖2所示：電機驅動螺桿軸轉動，螺旋轉子驅動鏈式星輪轉動。螺桿轉子的齒間凹槽、星輪齒、和氣缸內壁組成一個獨立的基元容積，與活塞式壓縮機的氣缸容積類似。平行移動的星輪齒相當于活塞式壓縮機的活塞，隨著轉子和星輪的不斷移動，基元容積的大小發(fā)生周期性變化。鏈式星輪單螺桿壓縮機和常規(guī)單螺桿壓縮機一樣，無吸/排氣閥。

圖2(a)為吸氣、壓縮過程，陰影的齒槽為制冷劑充滿該基元容積并處于吸氣終了狀態(tài)。隨著螺桿的轉動，外部星輪齒進入氣缸侵入螺旋槽，隔開吸氣腔，吸氣結束。隨著螺桿的繼續(xù)轉動，星輪齒不斷向左推移，該基元容積不斷減小，形成壓縮效果。實際上，該壓縮機的吸氣與壓縮是同時進行的。螺旋槽被星輪齒隔開的兩個基元容積，左邊的基元容積由于星輪齒的不斷推進而體積變小，右邊的基元容積由于星輪齒的不斷向左推移而體積變大，從而吸氣。圖2(b)為排氣過程，基元容積的右端是星輪齒、左端是排氣端蓋，再加上螺旋槽壁和氣缸內壁構成封閉的空間。排氣端蓋上一定的弧度區(qū)域開有排氣孔，當螺旋槽左邊旋轉到端蓋的排氣孔區(qū)域時，被壓縮的氣體排出。本次設計的壓縮機安裝有滑閥，可以通過滑閥調節(jié)排氣孔的位置，從而調節(jié)壓縮終了容積，進而調節(jié)壓縮終了壓力。

圖2 鏈式星輪單螺桿壓縮機工作原理圖

1.3 結構優(yōu)勢

將星輪齒的旋轉運動變?yōu)檠芈輻U軸向的直線運動，使螺桿和星輪齒的嚙合方式變得簡單。在這樣的嚙合方式下，螺旋齒、螺旋槽或星輪齒的橫截面形狀可以是簡單的矩形、梯形或平行四邊形形狀，使得型線變得十分簡單。螺桿和星輪齒的結構因此變得簡單、易加工。

1.4 主要問題

1）鏈條的柔性可能導致星輪齒與螺旋槽之間的嚙合緊密性受到影響，本文采用支撐軸的方式予以解決；

2）星輪齒進出吸氣端蓋和排氣端蓋的密封問題，密封方案是關鍵。

2 主要部件設計

2.1 轉子的設計

單螺桿壓縮機轉子的齒槽數z與所需要的內壓力比有關，齒槽數越多，轉子齒間面積越小，則齒槽長度與齒間面積之比增大，從而提高了內壓力比。本次設計的壓縮機在壓縮方式方面更接近于雙螺桿壓縮機，綜合考慮壓縮機效率以及星輪結構參數，本次設計取轉子齒槽數為6，而6槽對應的內容積比為7～10，故取8為此次所設計的壓縮機的內容積比。

壓縮機的壓縮過程可看作為等熵絕熱壓縮過程，其等熵絕熱功率為：

式中：

Pad——壓縮機的等熵絕熱功率，W；

ps——壓縮機吸氣壓力，Pa；

qvs——壓縮機實際容積流量（吸氣壓力下），m3/s；

κ——被壓縮氣體的等熵指數。

此次設計的壓縮機主要為制冷用壓縮機，因此考慮制冷工質的吸排氣壓力范圍，取此次設計的壓縮機的吸氣壓力為0.2 MPa。

目前單螺桿壓縮機的輸入功率范圍為10 kW～1,000 kW?？紤]到此次設計為新型壓縮機，其結構要求轉速略小于一般單螺桿壓縮機，因此，本次設計的壓縮機輸入功率取較小的20 kW。根據式(1)可計算出壓縮機實際容積流量：

2.2 鏈式星輪的設計

2.3 吸排氣口設計

3 壓縮機的運行設計

3.1 密封與潤滑

3.2 泄漏分析

4 總結