单螺杆压缩机的应用及优化

单螺杆压缩机的基本概念是1960年法国辛麦恩（B.Zimmern）发明，最初用于空气压缩机，20世纪70年代开始应用于制冷压缩机。

1.结构和工作原理

单螺杆压缩机包含一个单独圆柱形螺杆转子和一副星轮一起工作。转子和星轮在型式上和相互几何形状关系上有着很宽广的变化范围。图7-71示出用于制冷的常见型式的单螺杆式制冷压缩机断面图。该压缩机的螺杆转子有6个螺旋槽，具有圆柱形的外圆面和球形根部形状，在转子两侧装有两个星轮，每个星轮有11个齿。转子外壳开有两个槽，以便星轮的齿通过。外壳上有直径方向相对的两个排气口用一个总管连接起来。压缩机通过转子主轴进行驱动，而星轮则通过直接啮合作用而以主轴转速的11/6运转。单螺杆的几何形状决定了由转子直接将功传至气体，除了摩擦损失外，无任何功率通过啮合点传送主星轮。

单螺杆压缩机运转可分为吸气、压缩和排气三个阶段。如图7-72所示。和双螺杆压缩机不同，在转子两侧对称配置的星轮分别构成双工作腔，各自完成吸气、压缩和排气过程，所以单螺杆压缩机的一个基元容积在转子旋转一周内，完成了两次吸气、压缩和排气循环。

单螺杆压缩机的基本几何形状如图7-73所示。目前实用化的基本尺寸关系如下：DN=D_s；d=0.8D_s；W_r=0.15D_s。这样，压缩机的理论输气量可用下式表示：

式中 q_Vth——理论输气量（m³/h）；

K₁——和转子尺寸有关的系数；

K₂——和啮合角度有关的系数；

D_s——螺杆转子外径（m）；

DN——星轮直径（m）；

n——螺杆转子转速（r/min）。

在上述实用化基本尺寸条件下，K₁可取0.364，而K₂则决定于螺杆转子的啮合角度。

图7-71 单螺杆式制冷压缩机断面图

1—螺杆转子 2—内压缩比调节滑阀 3—星轮 4—轴封 5—输气调节滑阀 6—轴承

图7-72 单螺杆压缩机的工作原理图

a）吸气 b）压缩 c）排气

图7-73 单螺杆压缩机的基本几何形状

D_s—螺杆转子直径 d—轴间距离 DN—星轮直径 θ_s—螺杆转子啮合角度 W_r—星轮齿宽

2.喷油和非喷油压缩机

单螺杆压缩机亦用喷油来达到密封、冷却和润滑的目的。在很高的速度和压力比范围内，具有平坦的效率曲线，因此排温较低，噪声亦降低，并能承受少量返液。喷油单螺杆压缩机通常使用R22、R134a和氨为制冷剂，目前容量从15～1100kW。喷油螺杆亦需油分离器来除去高压气体中的油。当需要高的油分离要求时，在循环制冷剂中，仅可留有5mg/kg的含油量。大部分压缩机能靠压差而不用油泵来喷注油。在采用油泵的压缩机中，油泵约需消耗总功率的0.3%～1.0%。

在有的单螺杆压缩机中，喷油可被喷液替代，即从贮液器中抽出一部分液体制冷剂进行喷注。因为从转子传送至星轮的功率，仅用于克服很小的摩擦损失，喷液只需进行冷却和密封。喷液中亦可带少量润滑油以润滑轴承。非喷油螺杆有很多优点，它不需油分离器、油泵和外部油冷却器，压缩机还允许带液运行。

图7-74和图7-75分别示出喷油和非喷油系统的制冷剂循环原理图。

图7-74 喷油系统油和制冷剂的循环原理图

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图7-75 非喷油系统制冷剂的循环原理图

3.经济器

和双螺杆压缩机一样，单螺杆压缩机也可采用经济器来改善压缩机的性能效率。一般压力比大于3.5时采用经济器。图7-76示出使用闪发式经济器的p-h图，其中高压液体通过一膨胀装置进入处于中间压力的容器，制冷剂膨胀时，所产生的气体进入压缩机的经济器连接口。这样，通过蒸发器的制冷剂液体，可提供较大的单位质量制冷量，同时，这种流程的容量的增加率，大于功率的增加率。但当双螺杆压缩机卸载时，例如在满负荷70%～80%运行时，这种增效将变为零，因为中间压力降为蒸发压力。但单螺杆压缩机具有两个压缩腔，每一腔有一滑阀，可以独立操作，这样可以使经济器气体进入压缩机的一侧，没有经济器的一侧滑阀可以操作为零负荷，这样，可以在整机的50%负荷下运行，而另一侧仍采用经济器来提高效率。

图7-76 闪发式经济器的p-h图

有些单螺杆压缩机采用一种离心式经济器的专利技术，取代传统的闪发式经济器。它利用离心力将所产生的闪气和液体分离。这样离心式经济器就可以制成很小，甚至可置于电动机腔内。图7-77所示为一台半封闭带离心式经济器的单螺杆压缩机。

4.容量控制

和所有容积式压缩机一样，单螺杆压缩机也可通过变速和吸气节流来达到容量控制，但最好的方法还是采用变容积排量的方法。

图7-77 半封闭带离心式经济器的单螺杆压缩机

1—离心式经济器叶轮 2—经济器主体冷却电动机 3、8—容量调节滑阀 4、7—星轮 5—螺杆转子 6—排气阀

图7-78 滑阀调节输气量和滑阀调节内容积比的原理图

a）滑阀1、2分别处于输气量大和内容积比最小位置 b）滑阀1、2分别处于输气量减少和内容积比增大位置

1—输气量调节滑阀 2—内容积比调节滑阀

单螺杆压缩机可采用两个活动滑阀来达到容量控制。部分负荷时，每个滑阀产生一个槽口来延迟压缩过程的开始点，这样齿槽有效容积就减少，也就减小了压缩机的输气量。但单靠这样会影响内容积比，造成欠压缩，使部分负荷效率下降。为了解决这个问题，可安装一容量调节阀来同时减小排气孔口，或用一个只控制容量的阀，再加上第二个能单独改变容积比的滑阀。图7-78所示为后一种调节原理图。

5.性能

图7-79和图7-80示出所有单螺杆压缩机的典型效率曲线。图中V_i是压缩机的内容积比，它决定于压缩机的设计。和双螺杆压缩机一样，单螺杆压缩机有固定的内容积比，它等于在起动时的齿槽容积和该齿槽和排出孔相连时的容积之比。近代设计的用于制冷的单螺杆压缩机，都装有在压缩机运行时可变容积比的装置。它是一简单滑阀，可超前或延迟排气孔口位置。

图7-79 R22压缩机典型效率曲线

———固定内容积比 ---可变内容积比

图7-80 R717压缩机典型效率曲线

———固定内容积比 ---可变内容积比

由于单螺杆压缩机设有进、排气阀和极小的余隙容积，因此能带来较高的绝热效率。但很重要的是当选择固定的内容积比压缩机时，应选择正确的内容积比值，不能将制造厂提供的运行工况和转速进行外推。螺杆压缩机在不同转速时，会和额定转速的性能有明显的差别。

6.应用

单螺杆压缩机已经广泛应用于采用卤代烃、氨和碳氢化合物作为制冷剂的制冷领域。一种单星轮半封闭式的品种，在国外已经愈来愈广泛地应用于超级市场的制冷系统中。喷油和非喷油半封闭压缩机，亦已广泛地用于空调和热泵装置，其容量从140～1800kW。