螺杆式空压机的工作原理解析

（一）理论工作过程

理论工程过程是指在下述假定条件下完成的工作过程，即：

（1）气体在流动过程中没有摩擦，吸、排气过程无压力损失。

（2）在整个工作过程中无热量交换。

（3）工作容积完全密封，无泄漏。

螺杆式压缩机转子的每个运动周期内，分别有若干个工作容积依次进行相同的工作过程。因此，在研究螺杆式压缩机的工作过程时，只需讨论其中某一个工作容积的全部过程，就能完全了解整个机器的工作，这一工作容积称为基元容积。

设转子回转一周，基元容积完成压缩机的一个工作过程。因此，基元容积的容积变化是转子转角参数的函数，如图10-37所示。在图10-37中，Vm表示基元容积所能达到的最大容积。

1.理想工作过程

按容积式压缩机压缩气体的原理，为了充分利用工作容积实现气体的压缩，应在基元容积扩大时，与吸气孔口连通，开始吸气过程，在基元容积达到最大容积时，结束吸气过程；然后，基元容积在封闭状态下减小，并在与排气孔口连通前，压力升高到排气压力，完成压缩过程；最后，随着基元容积的进一步减小，所有高压气体逐渐从排气孔口排出。图10-38所示为这种理想工作过程。

图10-37　基元容积的容积随转子转角的变化

图10-38　理想工作过程

由于吸、排气孔口位置等压缩机构参数的影响，会使压缩机的工作过程与上述的理想工作过程有所不同。

2.内、外压力比不相等的工作过程

设压缩机的基元容积与排气孔口即将连通之前，基元容积内的气体压力pi为内压缩终了压力。内压缩终了压力与吸气压力之比，称为内压力比；而排气管内的气体压力pp称为外压力或背压力，它与吸气压力的比值称为外压力比。

螺杆式压缩机吸、排气孔口的位置和形状决定了内压力比；运行工况或工艺流程中所要求的吸、排气压力决定了外压力比。与一般活塞压缩机不同，螺杆式压缩机的内、外压力比彼此可以不相等。

在排气压力大于内压缩终了压力的情况下，基元容积与排气孔口连通的瞬时，排气孔口中的气体将迅速倒流入基元容积中，使其中的压力从pi突然上升至pp，然后再随着基元容积的不断缩小而排出气体，如图10-39（a）所示。

在排气压力低于内压缩终了压力的情况下，基元容积与排气孔口连通的瞬时，基元容积中的气体会迅速流入排气孔口中，使基元容积中的气体压力突然降至pp。然后，再随着基元容积的继续缩小，将其余的气体排出，如图10-39（b）所示。

(www.xing528.com)

图10-39　内外压力比不相等的工作过程

由此可见，内、外压力比不相等时，总是造成附加能量损失，如图10-39中的阴影面积所示。另外，由于内、外压力不相等，还会伴随着强烈的周期性排气噪声。

（二）实际工作过程

图10-40　螺杆式压缩机的实测指示图

螺杆式压缩机的实际工作过程，与上述的理论工作过程有很大差别。这是因为在实际工作过程中，基元容积内的气体要通过间隙发生泄漏，气体流经吸、排气孔口时，会产生压力损失，被压缩气体要与外界发生热交换等。螺杆式压缩机的实测指示图（示功图）如图10-40所示。

1.气体泄漏的影响

螺杆式压缩机中气体的泄漏，可分为内泄漏和外泄漏两类。泄漏使压缩机的排气量和效率都有所降低，在低转速压缩机中，泄漏损失是影响压缩机性能的主要因素。

当泄漏的气体不会直接影响到压缩机的排气量时，称为内泄漏。气体从具有较高压力处泄漏至不处于吸气过程的基元容积，即属于内泄漏。内泄漏使基元容积中气体的温度升高，导致压缩过程功耗增加。另外，由于内泄漏的加热作用，也会间接降低压缩机的排气量。

直接影响排气量的气体泄漏，称为外泄漏。泄漏到处于吸气过程的基元容积中的气体，或直接泄漏到吸气孔口的气体，均属外泄漏。显然，外泄漏会直接使排气量减少、轴功率增加。

2.气体流动损失的影响

实际气体流动时，不可避免地存在沿程阻力损失和局部阻力损失。当气流具有脉动时，这种损失将会更大。

沿程阻力损失是由气体黏性引起的，它的大小与流速平方成正比，并与流动状态、表面粗糙度以及流动距离等因素有关。局部阻力损失是因截面突变引起的，它的大小与截面突变的情况有关，并与流速平方成正比。由此可见，提高转速将使气流速度增加，从而导致流动损失显著增加。

3.流体动力损失的影响

螺杆式压缩机中的流体动力损失，主要指转子扰动气体的摩擦鼓风损失、喷液机器转子对液体的扰动损失等。流体动力损失与随转子转速的增加而明显增大，在高转速压缩机中，流体动力损失对效率起主要影响。

4.热交换的影响

气体进入压缩机时，会与机体发生热交换，使吸气结束时温度升高。这样，换算到吸气状态的排气量就减少了。

由于螺杆式压缩机的实际工作过程受多种因素的影响，故无法用较简单的公式对其进行描述。在现代的螺杆式压缩机研究和设计中，均广泛采用计算机模拟的方法。

螺杆式压缩机工作过程的计算机模拟，是以基元容积为研究对象，对其吸气、压缩和排气过程进行详细的分析，有效地考虑泄漏、喷油及换热等因素对工作过程的影响，并在此基础上建立描述这些过程的一组偏微分方程。利用计算机数值解法，联立求解上述方程，即可求出各过程中基元容积内气体的压力、温度等微观特性，并以这些数据为基础，求出压缩机的排气量、轴功率等宏观性能。