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双螺旋螺杆压缩机
第1部分：开发，应用和竞争力地位
J S Fleming1, Y Tang2 和 G Cook3
1动力学与控制，思克莱德大学，苏格兰格拉斯哥市
2 IMW工业有限公司，奇利瓦克，加拿大不列颠哥伦比亚省
3操作部门，豪顿压缩机有限公司，苏格兰格拉斯哥市
摘要：本文的第一部分描述的是双螺旋螺杆压缩机的起源， 其主要的发展，特点，应用和目前的竞争地位。它是由大活塞和较小的离心式压缩机先供应气体，它的这种类型现在在制冷应用范围内是优选类型。通过两个关键的进展使它的成功成为可能：（a）其中一个定量润滑转子驱动其他无定时齿轮。（b）引进了先进的机床质量能够可靠高效率地低成本维护生产转子。对超过它竞争对手的成功的技术的（还在不断增加）原因进行了说明，由于对涡卷式压缩机提出有竞争力的挑战，它曾经被生产成了大尺寸。本文的结论是，如果继续或更加突出双螺旋螺杆压缩机目前的主导地位，它需要三样东西：
1.一个好设计师的工作流程的电脑模型，它是全面，准确和普遍适用的。第2部分，它遵循和解决了这一问题。
2.一个好设计师设计的计算机辅助轮廓设计系统不限于预定的几何形式并且具有优化设施。
3.更快，更准确，更廉价的制造转子的方法。
关键词：双螺杆压缩机，开发，应用，竞争。
1 绪论
双螺杆压缩机在目前生产尺寸特点是转子直径范围是50-800mm。
1.1历史
这是二十世纪最后一个季度伟大的成功故事之一，其中制造单位增加了的数量是惊人的，由于主要先进制造技术的发展，其中在现代的第一个时期缺乏限制该机吸引力的东西，它开始于20世纪30年代 瑞典的Alf Lysholm教授[1]的工作。在当时燃气轮发电机组的发展给Lysholm带来的困难是离心式压缩机固有的浪涌特性。他尝试了用高速双螺杆压缩机替代它，它是来自一个容积式的免费浪涌。如果，此应用的不成功是由于有一个不特定的容量;这就是说，每个旋转单元的传递量过低。但是，双螺杆机的压缩机是成功的。它是一种新的压缩类型诞生和发展。它是一个巧妙的装置，它诞生在1878年的德国，专利授予HerrKrigar。（MS在1997年3月10日收到和在1997年12月15日被接受出版。）
1.2操作的原理
从本质上讲，该机由一组运行中的螺旋转子组成，像一对平行轴齿轮啮合并合适的装配在外壳孔中。压缩腔由螺旋的螺纹和壳体之间的容积所形成，如图1中插图所示。从零腔容积的位置开始，随着转子转动，从零增加到最大的腔容积，然后降低到再次为零，因而使得设备有气体压缩的能力，（或者，如果相反操作则膨胀产生能量。）两个端板刚性地连接到外壳完成压缩机的基本特征。(图. 2).它们具有一定形状和定位的端口，使气体在一端接纳压缩和在另一端排出。
（a） 气体填充了相邻叶
之间的叶间空间
（b）作为转子啮合气体被
截留在转子和壳体之间
（c）旋转减小由气体产生
的压缩所占据的空间
（d）压缩继续进行直到空间变
得暴露其气体通过排出口被
排出
图1 工作过程
图2 豪顿 XRV 163和204压缩机
1.3目前的应用
双螺杆压缩机广范的用于气体和蒸气的压缩，包括制冷剂在内，它们被广泛地应用于工业过程，主要在石油和天然气工业，但并不仅仅在这些行业。它们也被用作基于压缩空气用品厂的压缩机和增压道路车辆的内燃机。
在满足一个合理定容溢流下是非常适合无油压缩机的，各种需求颗粒在低压力比下，聚合或爆炸性气体，包括甲烷，乙烯，乙烷，丙烯/丙烷，乙炔，丁烷，燃烧气，尾气，煤气条，减粘裂化气，平台再循环气体，焦炉煤气和石灰窑气体，在许多其他国家，包括蒸汽机械蒸汽再压缩[2]。
喷油压缩机（也称为“溢油”）是一系列体积的流量结合一个高压力比，非常满足用于各种气体，其提供了一个兼容的可用润滑剂。典型的气体包括：氯氟烃，氟氯氟烃和氢氯氟烃制冷剂气体，氨，二氧化碳，天然气，甲烷，乙烯/乙烷，丙烯/丙烷，丁烷，氢，氦，氯，氯化氢，氯甲烷和填埋气，还有许多其它的。硫化氢或水蒸汽的气体中的显着量的存在通常不是这种类型，这是压缩机的一个问题[2]。
1.4无油润滑的变型
它是由两个变体产生的，无油和润滑。无油机器具有防止油与压缩气体混合的密封。一个转子带动其他正时齿轮，它通过无物理接触——叶到叶或叶到外壳。在一些应用中的水或液体溶剂注入到压缩腔，以限制排出温度，例如，以防止过早聚合或仅仅洗去气流中夹带的污染颗粒。
润滑机器润滑油通过轴承和在一些机器上进入，直接注射到压缩腔中的孔。简单的油布置提高了密封性和帮助冷却，并允许一个转子通过叶到叶接触润滑驱动另外转动的机械。油要求和被压缩气体是兼容的。其结果是，合成润滑油经常优先于矿物油。
一个成功的润滑双螺杆式压缩机[3]的发展在机器的发展历史上是最重要的发展。
1.5制冷压缩机的油管理
润滑机器的缺点当然是需要的油从分离器的管线中排出以除去加入到压缩机中的气体流中的油。除去油使得气体压缩应用的气体可用，其他元素并限制油的流量传递到制冷装置中。返回油给压缩机适当地冷却以便重新使用。在气流中实际油分离留下少量的油，其在制冷设备的其他原件具有潜在积累效率损失，尤其是在蒸发器中。其结果是，制冷剂 - 油组合的选择是制冷设备设计者的一个重要考虑因素;他们必须确保在遇到的各种情况下（停机，启动，运行稳定），故障不会因为石油积累而发生。
1.6制冷剂 - 油混溶的需要
在现实中，润滑压缩机中的制冷装置使用的工作流体是制冷剂 - 油混合物，而不是纯的制冷剂。它是富油在压缩机和排放管路中，并在冷凝器，膨胀阀和蒸发器制冷剂中丰富。制冷剂 - 油组合的选择具有良好传递性能，防止在热交换元件中的堵塞，并给压缩机提供足够的润滑，密封和冷却。制冷剂 - 油被选择的是高度可混溶的;优选的各个应和其他的溶剂以使混合后传输的更好。然而，制冷剂润滑油溶解于比纯油较低的粘度。这是设计者必须考虑的一个重要物理特征。 此外，在压缩期间，在压缩机的热力学性能上底舱和孔洞中的油有显著的效果，工作过程的数学模型中2部分提出试图解说。作为现已被禁止的氯氟烃的替代物是设计者新的问题，由于油中的制冷剂成分的溶解度引入多组分制冷剂的共混物。
1.7气态和液态制冷剂的注入
在追求更高的性能制冷设备的设计师们采用了一些植物掺杂物，其中有“节能”的安排，需要气态制冷剂直接注射到用于压缩过程的一小部分的压缩腔。此气体从在冷凝和蒸发压力中间的中等压力的一个箱（一个膨胀箱）到液体制冷剂，来自冷凝器的液体制冷剂已在两个（或更多个）阶段的第一阶段被扩大。这种安排有两种效果，这两者导致热循环收益。第一个是在其中，被与较高的液体含量的制冷剂供给蒸发器，具有提高制冷的能力。其中第二个是，在比吸入压力更高的压力被供给的一些循环气体压缩机，需要少做压缩功。在运行功率和制冷效率等（RE）的改善定量治疗方法已被Jonsson [4]，Pietsch和Nowotny [5]和Fleming等人报道[6]。
如果液态制冷剂被压缩时注入空腔可以实现减小压缩机排放温度。液体制冷剂闪点从空腔气体中“借”热，从而减少排放温度和提高容积效率，在多数情况下。在油的选择方面这给了设计者（可能更便宜的）更大范围，并以较低的温度梯度通过压缩机。
1.8一台机器必须选择适合的工作
设计师当然必须选择为特定任务时的压缩机兼顾运行条件，成本，性能，维护与可靠性。比如，润滑机器结合了高压缩比有比较低的排出温度，并且广泛用于制冷过程，显然，这里的压缩气体需要是无油的，以保持高水平纯度，无油机是必不可少的。
1.9容量和压力上升的控制
一种系统控制双螺杆式压缩机的运转必须满足由应用程序所要求的条件，通过按一定体积流量结合在吸入和排出端热力学状态定义或者在制冷应用和凉爽室温的情况下。
固定吸入和排放压力在气体压缩应用中是常见的。这里一个将被选择的最接近操作条件的固有压力比。另一方面，在制冷系统中，由于取决于其白天，白天到夜晚，夏天到冬天变化的环境条件，其排出压力控制问题更加困难。排放压力是通过环境条件和冷凝器特性相关联的饱和压力来确定制冷剂冷凝温度。此外，制冷效率（负载需求）将在许多应用中随时间变化。因此，双螺杆制冷压缩机需要在一定范围内的条件下运行：必须适应不同混合流速和结合不同吸气和排气压力，并且容纳效率符合当前需求。
原则上，容积式压缩机是通过改变速度控制容量，这是由于体积流量和速度成正比。双倍速度传递双倍扫过容积的数目。双螺杆压缩机的上速由转子尖端的流体力学和排出口限制，而较低的速度是由内部泄漏设定，在成为较大部分吞吐量时，有很多时间可用于它发生。
由内燃机驱动的变速双螺杆在便携单元被成功地用于提供压缩空气。然而，对于大多数应用的发动机的额外费用规则了这一点。同样的，变速交流发动机额外成本和效率是不充分的，直到最近，制造变速发动机驱动变得没吸引力。Lundberg[7]报告了一个变速驱动，由标准的用有转换器的变频器驱动高速电机的设计。他的报告有显著的收获，以更简单，更便宜，更轻的螺杆压缩机单元的形式淘汰冗余的滑阀，升压传动装置和起动设备。另据报道它的可靠性大大提高，由于更少的移动部件、软停止和启动，并降低了由于齿轮与滑阀产生的噪声。
容量控制是最常见的是对各种阀变量的控制，所有这些改变的空腔体积是在压缩的开始通过改变壳体的有效长度实现的。耦件在外壳壳体和简单的隙阀芯被使用，但变量具有内部容积压缩比（“VI ）和以后压力上升不合适的缺点，是不可能适合的，在循环的条件下，降低效率和能耗的增加是结果。双螺杆式压缩机有价值的特性是灵活性操作和坚固性。它能够在不匹配其设计内置压力比下操作，但在降低效率上，目前是需要一个认真考虑的问题。
幸运的是，滑阀已如期实现了，同时满足压力上升的条件和容量需求随效率的损失可以忽略不计。滑阀沿高压尖与独立可调止动许可容量滑动，以串联变化。尽管设计师是开放的是无限制的[9]，但这是一个受欢迎的设计。
最复杂的控制动作是通过简单地节流气体溢流吸入管路组合与速度控制实现此滑动停止。
1.10工作过程数学模型的文献综述
一些作者发表的论文在[10-16]页面，其描述的是热力学模型的工作过程。不同的细节他们有不同的处理方法。所有覆盖基本模型都有气体来应对润滑油的传热和内部泄漏，通过Stosic[10]，Fujiwara and Osada [11] and Xiao 等人处理的油用于注入空气压缩机，这是适当的。[12] 但不适合其制冷剂的闪点在油中的溶解状态和直接注入液体制冷剂决定的制冷压缩机。比如，Singh and Patel [13], Sangfors [14, 15] and Jonsson [16]的研究，包括所有在压缩腔内的溶解制冷剂的闪点而不是在端壳内的制冷剂。
2凸起轮廓和转子形状决定压缩机几何形状
2.1几何轮廓
一个伟大的廓形式是可能的，在20世纪30年代，第一个具有对称圆廓被Lysholm[1]实验后，许多此类型的轮廓被生产厂商所尝试。现代一组典型的转子制冷展示于图3。轮廓效率是由许多因素测得的，例如低接触力，平滑的扭矩传递和油膜形成能力（润滑机械），当然，短啮合线的长度，大腔容积，易于制造（润滑和无油机器）的可重复性。
轮廓理论和齿
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