螺杆式空压机构造详解

（一）主要结构

1.喷油螺杆空气压缩机

喷油螺杆空气压缩机分为固定式和移动式两类，其主机的结构设计基本相同。喷油螺杆空气压缩机的机体不设冷却水套，转子为整体结构，内部无须冷却，压缩气体所产生的径向力和轴向力都由滚动轴承来承受。排气端的转子工作段与轴承之间有一个简单的轴封，通过在机壳或轴上开出凹槽，并向里边供入一定压力的密封油，即可很好地起到密封作用。另外，在喷油螺杆空气压缩机中没有同步齿轮，通常也不设容积流量调节滑阀和内容积比调节滑阀。

通常喷油螺杆空气压缩机，小齿轮直接安装在转子轴上，大齿轮可以安装在两端用轴承支承的另外一根轴上，也可以直接装在原动机轴的末端。

图10-41所示为LGY-12/7及LGY17/7型喷油螺杆空气压缩机的主机结构。这两种压缩机采用内置的增速齿轮驱动阳转子，通过采用不同的增速齿轮，就可方便地得到具有不同容积流量的压缩机。在转子的排气端采用面对面配对安装的单列圆锥滚子轴承，同时承受压缩机中的径向力和轴向力，并使转子双向定位。机体由吸气端盖、气缸和排气端盖三部分组成，在吸气端盖上设有轴向吸气孔口，而在气缸上的径向吸气孔口部位则设计了缓冲空间。同时采用轴向和径向排气孔口，分别开设在排气端盖和气缸上。另外，在外伸轴处设有可靠的油润滑机械密封。

图10-41　中型喷油螺杆空气压缩机主机结构

1—圆锥滚子轴承；2—排气端盖；3—阴转子；4—气缸体；5—吸气端盖；
6，7—增速齿轮；8—圆柱滚子轴承；9—阳转子；10—定位销

LGY-17/7型喷油螺杆空气压缩机的主要技术参数：阳转子直径为262.5 mm；阴转子直径为210 mm；转子长度为375 mm；转速为1 800 r/min；吸气压力为0.1 MPa；排气压力为0.8 MPa；排气温度＜100℃；排气量为17 m3/min；轴功率为100 kW；冷却方式为风冷；驱动方式为原动机通过压缩机内藏增速齿轮直联驱动。

2.无油螺杆空气压缩机

与喷油螺杆空气压缩机相比，无油机器的结构较为复杂。

LGW-40/7型无油螺杆空气压缩机结构如图10-42所示。该压缩机的转子之间不能直接接触，所以阳转子是通过高精度的同步齿轮驱动阴转子的，并且阴转子上的同步齿轮是可调的，以确保转子间的啮合间隙处于理想范围。为了减小转子由于热膨胀而产生的不均匀变形，向转子的中心通入循环油冷却。考虑到一般空气压缩机的负荷较小，故径向轴承和推力轴承都采用滚动轴承，以便对转子进行精确定位。在吸排气侧均采用波纹弹簧压紧的石墨环式轴封，以隔离压缩腔和轴承部位。另外，为了防止压缩空气吹进轴承和影响润滑，在最后一个密封单元之间的机体上开有通气孔，以导出泄漏的空气。

LGW-40/7型无油螺杆空气压缩机的主要技术参数：吸气压力为0.1 MPa；排气压力为0.8 MPa；吸气温度＜40℃；排气量为40 m3/min；轴功率为260 kW；驱动电动机功率为280 kW。

（二）主要零部件

1.机体

机体是螺杆压缩机的主要部件，它由中间部分的气缸及两端的端盖组成。在转子直径较小的机器中，常将排气侧端盖或吸气侧端盖与气缸铸成一体，制成带端盖的整体结构，转子顺轴向装入气缸。在转子直径较大的机器中，气缸与吸气和排气端盖是分开的，大型螺杆压缩机为了便于机器的拆装和间隙的调整，机体还可在转子轴线平面设水平剖分面。

图10-42　LGW-40/7型无油螺杆空气压缩机结构

1，6—圆锥滚子轴承；2—轴封装置；3—吸气端盖；4—阴转子；
5—机体；7—球轴承；8—同步齿轮；9—阳转子

如图10-43所示，机体可以设计成气体从顶部或底部进入，沿径向或轴向吸入机体。与吸气类似，排气也可设计在机体的顶部或底部，采用轴向或径向排气。

图10-43　机体上吸排气通道的布置方案

1）端盖

具有吸气通道或排气通道的端盖，有整体式结构和中分式结构两种。通常端盖内置有轴封和轴承，有的端盖同时还兼作增速齿轮或同步齿轮的箱体。

2）气缸

螺杆压缩机的气缸有双层壁结构和单层壁结构两种形式。

无油螺杆压缩机的气缸及排气侧端盖通常制成双层壁结构，夹层内通以冷却水或其他冷却液体，以保证气缸的形状不发生改变。如果排气温度小于100℃，也可采用单层壁结构，但为了增强自然对流冷却效果，在外壁上顺气流方向要设有冷却翅片。

喷油螺杆压缩机的机体多采用单层壁结构，如图10-44所示，其转子包含在机体中，机体的外侧即大气。双层壁结构气缸如图10-45所示，其外壁为承受全部压力的密闭壳，由于它是圆柱形的，因而并不会因压力而产生变形，也就不需要特别的加强措施。双层壁结构机体优点明显，外壁承受着连接法兰的负荷，以改善内部转子的受力状况，而且第二层壁是一个隔声板，有降低噪声的作用。所以，双层壁结构气缸的压缩机多用于高压力的场合。

图10-44　单层壁结构气缸

图10-45　双层壁结构气缸

3）机体的材料

机体的材料主要取决于所要达到的排气压力和被压缩气体的性质。当排气压力小于2.5 MPa时，可采用普通灰铸铁；当排气压力大于2.5 MPa时，则应采用铸钢或球墨铸铁。另外，普通灰铸铁可用于空气等惰性气体，铸钢或球墨铸铁可用于碳氢化合物和一些轻微腐蚀性气体。对于腐蚀性气体、酸性气体和含水气体，就要采用高合金钢或不锈钢。对于腐蚀性气体介质，也可采用在普通铸铁材料上喷涂或刷镀一层防腐材料的方法。

2.转子

转子是螺杆式压缩机的主要零件，其结构有整体式和组合式两类。当转子直径较小时，通常采用整体式结构，如图10-46（a）所示；而当转子直径大于350 mm时，转子常采用组合式结构，如图10-46（b）～图10-46（d）所示。

图10-46　转子结构

（a）整体式；（b），（c），（d）组合式

图10-47　无油压缩机转子内部冷却系统

当排气温度较高时，为了减小转子的变形，无油螺杆压缩机的转子可采用内部冷却的结构。图10-47所示为一种无油压缩机转子内部冷却系统。

在螺杆式压缩机中，有时在阴、阳转子的齿顶设有密封齿，并在阳转子齿根圆的相应部位开密封槽，如图10-48所示。密封齿数及其位置，有多种方案可供选择。以阴转子为例，图10-49中示出了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共三种方案。另外，有时还在转子的端面，特别是排气端面，加工成许多密封肋，其形状如图10-48中A—A、B—B剖视图所示。这种密封齿可与转子作为一个整体，也可以镶嵌在铣制的窄槽内。

图10-48　转子密封齿

(www.xing528.com)

图10-49　密封齿方案

大多数的无油螺杆压缩机转子齿顶设有密封齿，其目的是使压缩机在实际运行工况下的间隙尽可能小。在刚开始运行后的一段时间内，密封齿能对加工误差、转子变形和热膨胀进行补偿，从而使压缩机在工作时能保持非常小的均匀间隙，使泄漏量尽量减少。当压缩机被逐步加载到额定的运行工况和相应的排气温度时，可以得到压缩机在该工况下的最高效率。但当压缩机在更高排气温度下运行一段时间，再回到低排气温度工况下运行时，压缩机的效率将降低一些。这是因为密封齿在过高的温度下会产生更多的磨损，从而导致运行在较低温度工况时，泄漏量增大。另外，在非正常情况下，密封齿还能起到应急保护作用。如当转子振动、轴承损坏，致使转子与气缸接触时，密封齿可防止引起大面积的咬伤，避免出现严重事故。

在喷油螺杆压缩机中，由于排气温度较低、转子热胀较小，一般不设置密封齿。因为设置齿顶密封齿会导致螺杆压缩机的泄漏三角形面积增大，而且还会给加工带来困难，加大制造费用。另外，当螺杆式压缩机转子型线的齿顶圆附近截面足够小时，型线本身就可以起到齿顶密封齿的作用。

螺杆压缩机转子的毛坯常为锻件，一般多采用中碳钢（中45号钢等），有特殊要求时也有采用40Cr等合金钢或铝合金的。为了便于加工、降低成本，目前也有采用QT600-3球墨铸铁的。

3.轴承

在螺杆式压缩机的转子上，作用有轴向力和径向力。径向力是由于转子两侧所受压力不同而产生的，其大小与转子直径、长径比、内压比及运行工况有关。轴向力是由于转子一端是吸气压力，另一端是排气压力，再加上内压缩过程的影响，以及一个转子驱动另一转子等因素而产生的，轴向力的大小是转子直径、内压比及运行工况的函数。

由于内压缩的存在，排气端的径向力要比吸气端大。由于转子的形状及压力作用面积不同，两转子所受的径向力大小也不一样，实际上阴转子的径向力较大。因此承受径向力的轴承负荷由大到小依次是：阴转子排气端轴承、阳转子排气端轴承、阴转子吸气端轴承和阳转子吸气端轴承。同样，两转子所受轴向力大小也不同，阳转子受力较大。轴向力之间的差别比径向力的差别大得多，阳转子所受轴向力大约是阴转子的4倍。

螺杆式压缩机常用的轴承有滚动轴承和滑动轴承两种。在螺杆式压缩机设计中，无论采用何种形式的轴承，都应确保转子的一端固定，另一端能够伸缩。一般情况下，转子在排出侧轴向定位，在吸入侧留有较大的轴向间隙，让其自由膨胀，以便保持排出端有不变的最小间隙值，使气体泄漏为最小，并避免端面磨损。

在无油螺杆空气压缩机中，通常采用高精度的滚动轴承，以便得到高的安装精度，使压缩机获得良好的性能。由于无油螺杆压缩机的转速很高，在选择滚动轴承时，应保证其有足够长的寿命。无油螺杆压缩机工作在中压或高压工况时，滚动轴承的计算寿命往往较低，因此，无油螺杆压缩机的轴向或径向轴承有时也采用滑动轴承。

在喷油螺杆空气压缩机中，由于轴向力及径向力都不大，故都采用滚动轴承。承受轴向力的轴承总是放在排气端，以获得最小的排气端面间隙。通常，用分别安装在转子两端的圆柱滚子轴承承受转子的径向载荷，用安装在排气端的一个角接触球轴承承受轴向载荷，并对转子进行双向定位。在一些机器中，用一对背靠背安装的圆锥滚子轴承或角接触球轴承同时承受径向和轴向载荷。

4.轴封

1）无油螺杆压缩机的轴封

在无油螺杆压缩机中，压缩过程是在一个完全无油的环境中进行的，这就要求在压缩机的润滑区与气体区之间设置可靠的轴封。轴封不仅需要能在高圆周速度之下有效地工作，并且必须有一定的弹性，以适应采用滑动推力轴承时转子可能产生的轴向移动。另外，轴封的材料还必须能耐压缩机所压缩气体的化学腐蚀。目前无油螺杆压缩机的轴封主要有石墨环式、迷宫式和机械式三种。

图10-50所示为最常用的石墨环式轴封，这种轴封包括一组密封盒。密封盒的数量随密封压力的不同而不同，一般为4～5个，且排气侧的密封盒多于吸气侧的密封盒数。石墨环4在轴向靠波纹弹簧2压紧在密封盒5和保护圈1的侧面上，以防止气体经石墨环的两侧泄漏。

图10-50　石墨环式轴封

1—保护圈；2—波纹弹簧；3—引气环；4—整圈石墨环；5—密封盒

石墨环式轴封的密封环由摩擦系数较低的石墨制成，且石墨具有良好的自润滑性，可使石墨环与轴颈接触。为了保证强度和使环孔的热膨胀率与转子轴材料的热膨胀率相同，在密封环上装有钢制支承环。

石墨环式轴封采用环状波纹弹簧，把密封环压向密封表面，以防止气体经石墨环的两侧面泄漏。当轴的旋转中心发生变化时，借助于环孔和弹簧的作用，密封环也移动到新的位置并保持在这一位置，从而防止了磨损现象的产生。

图10-51所示为无油螺杆压缩机中采用的迷宫式轴封。在这种轴封中，密封齿和密封面之间有很小的间隙，并形成曲折的流道，使气体从高压侧向低压侧流动产生很大的阻力，以阻止气体的泄漏。密封齿可以放在轴上，与轴一起转动，也可以做成具有内密封齿的密封环，固定在机体上。多数情况下，密封齿加工在与轴固定的一个轴套上，当密封齿损坏时便于更换。

在无油螺杆压缩机中，无论采用石墨式轴封还是迷宫式轴封，都可用压力稍高于压缩机内气体压力的惰性气体充入轴封内，以阻止高压气体向外界泄漏。

当无油螺杆压缩机的转速较低时，还可以采用如图10-52所示的有油润滑的机械式轴封，这种轴封工作可靠，密封性好。然而，这种轴封需要少量的润滑油流过密封表面，这些润滑油可能会混入所压缩的气体中。如果所压缩气体不允许有这种少量的污染，则需在轴封和压缩机腔之间开一个排油槽。在无油螺杆压缩机的工作转速下，采用有油润滑的机械式轴封时，所消耗的功是比较大的。

图10-51　迷宫式轴封

图10-52　无油螺杆压缩机的机械式轴封

2）喷油螺杆空气压缩机的轴封

这类压缩机都采用滚动轴承，为了防止压缩腔的气体通过转子轴向外泄漏，在排气端的转子工作段与轴承之间加一个轴封。这种轴封可以做得非常简单，如图10-53所示，只要在与轴颈相应的机体处开设特定的油槽，通入具有一定压力的密封油，即可达到有效的轴向密封。

喷油螺杆空气压缩机转子的外伸轴通常都设计在吸气侧，只有在利用吸气节流的方式调节压缩机的气量时，外伸轴上的轴封两侧才可能会有一个大气压力的压差。但由于此处的轴封必须防止润滑油的漏出和未过滤空气的漏入，故在小型空压机中，通常采用简单的唇形密封。在大、中型空压机中，采用如图10-54所示的有油润滑机械密封。

图10-53　转子轴排气端封

图10-54　螺杆式空气压缩机转子外伸轴处的轴封

1—机体；2—端盖；3—转子外伸轴；4—动环；5—弹簧；6—静环

5.同步齿轮

在无油螺杆压缩机中，转子间的间隙和驱动靠同步齿轮来实现。同步齿轮有可调式和不可调式两种结构，通常多采用可调式结构。如图10-55所示，小齿圈1及大齿圈2都套在轮毂3上，调整小齿圈1，使之与大齿圈2错开一个微小角度，即可减少与主动齿轮之间的啮合间隙。间隙调整适当以后，将小齿圈1、大齿圈2与轮毂3用圆锥销4定位，再用螺母5将大小齿圈及轮毂固定。为防止螺母松动，螺母5之间用防松垫片6连接。

图10-55　可调式同步齿轮

1—小齿圈；2—大齿圈；3—轮毂；4—圆锥销；5—螺母；6—防松垫片

螺杆式压缩机同步齿轮的齿圈材料可用40CrMo钢，轮毂材料通常为40中碳钢。大小齿圈应组合在一起加工，齿面需经调质处理，硬度以230～270HB为宜。

6.内容积比调节滑阀

图10-56　内容积比调节滑阀

螺杆式压缩机工作过程的重要特点之一是具有内压缩过程，压缩机的最佳工况是内压比等于外压比。若二者不等，无论是欠压缩还是过压缩，经济性都会降低。显然，增大或减小排气孔口的尺寸，将改变齿间容积内气体同排气孔口连通的位置，从而改变内压比。如图10-56所示，通过一种滑阀调节方案，就可以获得变化的排气孔口，从而实现内容积比和内压比的调节。

在实际使用中，还有另外一种较简单的内容积比调节方法，即采用若干个与滑阀完全独立的旁通阀来调节排气孔口的大小。旁通阀可以是轴向的，也可以是径向的。有时还可把旁通阀设计为自动调节，以便对内压缩终了压力与压缩机排气压力之间的压差做出最快的反应。旁通阀不仅可以在压缩机满负荷时使用，也可以在任何载荷情况下使用。