螺杆压缩机如何实现无级气量调节

2023-08-23 08:39:15

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螺杆压缩机如何实现无级气量调节

一、螺杆压缩机的特点

螺杆压缩机由一对平行、互相啮合的阴、阳螺杆构成，广泛应用于中大型制冷系统或炼化装置工艺气压缩机。螺杆压缩分单螺杆和双螺杆两种，通常说的螺杆压缩机指的是双螺杆压缩机。螺杆压缩机具有以下特点：

（1）螺杆式压缩机结构简单，机件数量少，没有像气阀、活塞环等易损件，转子、轴承等，强度、耐磨程度都比较高。

（2）螺杆式压缩机具有强制输气的特点，即排气量几乎不受排气压力的影响，在小排气量时不发生喘振现象，在宽广的工况范围内，仍可保持较高的效率。

（3）螺杆压缩机对液击不是很敏感，可以采用喷油冷却，故在相同的压力比下，排温比活塞式低得多，因此单级压力比高。

（4）采用了滑阀调节，可实现能量无级调节。

二、螺杆压缩机滑阀调节的原理

滑阀是用来对容量进行无级控制的，在正常开机时，该部件不加载，滑阀是由微控制板通过油压来进行控制的，最终改变压缩机的工作能力。

容量调节滑阀是螺杆压缩机中用来调节容积流量的一种结构元件，虽然螺杆压缩机的容积流量调节方法有多种，但采用滑阀的调节方法获得了广泛的应用，特别是在喷油螺杆制冷和工艺压缩机中，应用尤为普遍。如图1所示，这种调节方法是在螺杆压缩机的机体上，装一调节滑阀，成为压缩机机体的一部分。它位于机体高压侧两内圆的交点处，且能在与气缸轴线平行的方向上来回移动。

滑阀调节螺杆压缩机容积流量的原理，是基于螺杆压缩机的工作过程特点。在螺杆压缩机中，随着转子的旋转，被压缩气体的压力沿转子的轴线方向逐渐升高，在空间位置上，是从压缩机的吸气端逐渐移向排气端。在机体的高压侧开口后，当两转子开始啮合并试图提高气体压力时，其中有些气体便会通过开口处旁通掉。显然，旁通的气体量与开口的长度有关。当接触线移动到开口的末端时，剩下的气体就被完全封闭起来，内压缩过程就从这一点开始。螺杆压缩机对从开口处旁通气体所做的功，仅是用来将其排出，因此压缩机的耗功主要是压缩最终排出的气体所做的功和机械摩擦功之和。所以，当用容量调节滑阀调节螺杆压缩机容积流量时，可使压缩机在调节工况下保持较高的效率。

在实际压缩机中，一般并不是在机壳上开一个孔，而是采用多孔结构。滑阀在转子下面的一个槽中移动，可以对开口的大小实行连续调节。从开口处排出的气体将重新回到压缩机吸气口，由于实际上压缩机没有对这部分气体做功，它的温度也没有升高，故在它到吸气口主流气体之前也不需要冷却。

滑阀可以按控制系统的要求朝任一方向移动，其驱动方式有多种，最常见的是采用液压缸的方式，由螺杆压缩机本身的油路系统提供所需的油压。在少数机器中，滑阀是由电机经减速后驱动的。

理论上，滑阀的长度应该同转子一样。同样，滑阀由满负荷到空负荷所需的移动距离也需同转子一样，液压缸也应有同样的长度。然而实践证明，即使滑阀的长度稍微短一些，依然能实现良好的调节特性。这是因为当旁通开口在吸气端面附近刚开始打开时，其面积很小，此时气体的压力很小，而且转子啮合齿扫过开口所用的时间也很短，故只会有很少一部分的气体被排出。所以，实际滑阀的长度可减少为转子工作段长度的70%左右，剩下的部分做成固定的，这样便可减少压缩机的总体尺寸。

容量调节滑阀的特性随着转子直径的不同会有所不同，这是因为由滑阀移动而造成的旁通口面积与转子直径的平方成正比，而压缩腔内气体的体积却与转子直径的三次方成正比。值得注意的是，压缩机在压缩气体时，同时也把喷入油的压力提高，并使其最终随气体一起排出。为了使油能连续不断地排出，必须保留一定的排气容积。否则，在完全空载的情况下，油将在压缩腔中越积越多，导致空压机无法持续运行。为了使油能够被连续地排出，通常至少要有约10%的容积流量。在有的情况下，要求压缩机容积流量必须为零，此时通常在吸、排气之间布置旁通管，当需要完全0负荷时，就让旁通管打开，使吸、排气连通。

用容量调节滑阀调节螺杆压缩机的容积流量时，最理想的情况是在调节过程中能保持内压比与满负荷时一样。但是很明显可以看出，当滑阀移动使压缩机容积流量变小时，螺杆的有效工作长度变小了，内压缩过程经历的时间也变小了，故内压比肯定要减小。

在实际设计中，滑阀上都开有径向排气孔口，它随滑阀做轴向移动。这样，一方面螺杆机转子的有效长度在减小，另一方面径向排气孔口也在减小，以延长内压缩过程时间，加大内压缩比。当把滑阀上的径向排气孔口与端盖上的轴向排气孔口做成不同的内压比时，就可在一定范围的调节过程中，保持内压比与满负荷时一样。

利用容积调节滑阀同时改变螺杆机的径向排气孔口大小和转子有效工作段长度时，螺杆机的功耗与容积流量的关系，在100-50%的容积流量调节范围内，螺杆机消耗的功率几乎可与容积流量的减少成正比例地下降，表明滑阀调节具有良好的经济性。值得注意的是，在滑阀移动的后一阶段，内压比将不断降低，直到减少为1。这使得此时的功耗与容积流量曲线同理想情况相比，产生了一定的偏差。偏差的幅度，取决于螺杆机的外压比大小。如果由运动工况决定的外压比较小，则螺杆机的空载功耗可能只有满载时的20%，而外压比较大时，则可能达到35%。从这里可以看到，采用容量滑阀的一个显著优点，即螺杆机的启动功率很小。

采用调节滑阀结构时，滑阀的上表面充当了螺杆压缩机气缸的一部分，滑阀上有排气孔口，其下部还要起轴向移动的导向作用，因此对加工精度的要求非常高，会导致制造成本增加。特别是在小型螺杆压缩机中，滑阀的加工成本会占有很大的比例。另外，为保证螺杆机的可靠运转，滑阀与转子间的间隙，通常要比气缸孔与转子间的间隙大一些，在小型螺杆机中，这种加大的间隙也会使压缩机的性能严重下降。为了克服上述缺点，在小型螺杆机的设计中，还可采用几种形状简单成本低廉的调节滑阀。

一种简单的滑阀设计方案，气缸壁上开有与转子螺旋形状相对应的旁通孔，当这些孔没有被盖住时，气体可以从这些孔中排出。所用滑阀为“转动阀”，阀体是螺旋形的，当它旋转时，便可盖住或打开与压缩腔相连的旁通孔。由于此时滑阀只需转动，压缩机总体长度便可减少很多。这种设计方案可以有效地提供连续的容量调节。但由于其排气孔口大小不变，故从一开始卸载时，内压比就要下降。同时，由于气缸壁上旁通孔的存在，形成了一定量的“余隙容积”。此容积内的气体将反复经历压缩和膨胀过程，从而导致压缩机容积效率和绝热效率降低。

三、螺杆压缩机滑阀调节的过程

通过滑阀的左右移动，增大或减小有效压缩容积，调节输气量大小。当加载时：活塞左移带动滑阀左移，输气量增加；减载时：活塞右移带动滑阀右移，输气量减少。

四、螺杆压缩机滑阀调节的应用前景

一般无油螺杆压缩机并不采用调节滑阀的容量调节装置，这是因为这类压缩机的压缩腔不但无油，而且处于高温之下。这使得调节滑阀装置的采用在技术上有很多困难。

在喷油螺杆空气压缩机中，由于压缩介质不变和运行工况固定，通常也不采用调节滑阀的容量调节装置，通常采用变频电机以使压缩机结构尽量简单，适应人批量生产的需要。

值得指出的是，由于调节滑阀的容量调节装置，可使压缩机在调节工况下保持较高的效率，近年来，在无油螺杆压缩机和喷油螺杆空气压缩机中，也有采用容量调节滑阀的趋势。

在喷油螺杆制冷和工艺压缩机中，普遍采用容量调节滑阀来调节螺杆压缩机的容积流量。这种排气量调节方式虽然比较复杂，但可以对排气量进行连续的无级调节，并且效率也较高。

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