分析了近年來螺桿壓縮機的研究現狀，詳細闡述了影響螺桿壓縮機性能的幾個關鍵問題及研究方法。螺桿壓縮機性能的進一步提高，主要應在型線設計與轉子幾何、熱力過程、加工制造等方面深入研究。

1、前言

　　先進制造技術的發展以及許多理論和實踐上的研究成果和發明創造不斷地應用于生產實際,使螺桿壓縮機在制冷、空調、空氣動力等領域中得到了迅速發展。真空技術網(http://www.jnannai.com/)縱覽近十幾年來螺桿壓縮機的研究文獻，圍繞提高螺桿壓縮機的性能，主要的研究工作有：(1) 型線幾何和轉子幾何；(2) 間隙、氣體泄漏和油的影響；(3) 熱力學( 泄漏、傳熱、油氣換熱的數學模型，排氣孔口流動) 過程的研究；(4) 刀具計算與研究，生產實際中的問題研究；(5) 轉子振動與噪聲，轉子碰撞、噴液螺桿機研究等。

2、型線幾何與轉子幾何

　　螺桿壓縮機結構簡單，其核心部件是一對相互嚙合的轉子，轉子的端面型線在很大程度上決定了螺桿壓縮機的性能，螺桿壓縮機性能的提高是伴隨著一代又一代轉子型線的成功開發和應用而發生的。轉子的端面型線由嚙合原理決定。自20 世紀30 年代Lysholm 第一個使用了對稱圓弧型線后，制造商嘗試了許多型線。衡量型線的效率主要有以下幾個因素：(1) 小的接觸力；(2) 光滑的力矩傳遞和油膜形成能力；(3) 較短的嚙合線；(4) 大的容積腔；(5) 容易和高效的生產。圍繞提高型線的效率，型線大致經歷了三代發展歷程：(1) 第一代轉子型線是對稱圓弧型線；(2) 20 世紀60 年代以后，隨著噴油技術的發展,產生了以SRM- A 型線為代表的第二代轉子型線。第二代轉子型線是不對稱型線，泄漏三角形面積大為減小，使螺桿機性能大幅提高；(3) 20 世紀80 年代以后，計算機技術的應用推動了螺桿型線的研究，成型線研究的主要手段，第三代轉子型線有很多種，如GHH 型線、日立型線、SRM-D 型線等以及西安交通大學研制開發的X31 型線、X32 型線等型線。

　　新型線的產生與螺桿嚙合原理的研究息息相關。鄧定國、束鵬程詳述了轉子端面型線生成的解折法；邢子文總結了型線與轉子幾何特性的計算方法；Stosic N 將齒輪與齒條的嚙合原理應用于螺桿壓縮機的端面型線研究中，發展了N 型型線；Dmytro Zaytsev 則利用嚙合線與端面型線間的關系，依據嚙合線來修改、生成端面型線。雙螺桿壓縮機齒間容積間主要有4 個泄漏通道：(1) 轉子間的接觸線；(2) 齒頂與氣缸之間的間隙；(3) 排氣端面；(4) 泄漏三角形。泄漏三角形是螺桿壓縮機的幾何特征，它引起的泄漏對容積效率和絕熱效率有獨特的影響。螺桿壓縮機的4 個泄漏通道中，泄漏量最大的兩個通道是接觸線和泄漏三角形，而決定泄漏量大小的重要參數——接觸線長度和泄漏三角形面積都由轉子端面型線和轉子幾何參數決定。準確地計算接觸線長度和泄漏三角形面積是準確評估轉子型線性能的前提，反過來，這又可以指導我們設計出性能更優越的轉子型線。

3、間隙、氣體泄漏和油的影響

　　雙螺桿壓縮機的熱力學性能受泄漏通道的影響最為強烈。這些泄漏通道是由于工作間隙的需要而在設計中預留的，或者是由機器本身的幾何特性決定的。在干式螺桿機中，螺桿轉子間沒有物理接觸，因而必須在轉子間留有足夠的間隙來防止轉子干涉。噴油螺桿壓縮機，轉子接觸面間有一層油膜來傳遞負載，油膜厚度隨時變化。螺桿轉子的密封面則必須有足夠的間隙以保證機器的安全運行。

　　間隙設計是回轉壓縮機中的重要問題。回轉壓縮機一般用間隙來密封氣體，間隙必須足夠小以提高容積效率，同時，必須留有足夠的間隙來防止轉子干涉。因此，間隙設計也是提高機器性能的關鍵。螺桿壓縮機需要間隙來補償制造缺陷和公差，在負荷工作下，由于溫度和壓力引起的變形，在車間裝配后機器的冷態間隙與工作中的壓縮機的熱態間隙顯著不同。文獻研究了轉子與氣缸間實際間隙下的熱力性能。負載壓力引起轉子和軸承偏斜，負載溫度引起轉子和腔體變形,所有這些因素相互聯系，影響運行中各個部位的泄漏通道的間隙大小和流態，對性能產生顯著影響。

　　日立公司根據轉子熱彈性變形的分析結果,對陰、陽轉子齒形修正、加工滾刀熱補償設計、轉子配合間隙的確定進行了探討，發現采用補償計法與過去不考慮轉子熱變形的設計方法相比,運轉中轉子間隙可以減少約40% ~ 50%。樣機試驗表明，在壓比為8 時，壓縮機容積效率提高30% ，絕熱效率提高38% 。故對螺桿壓縮機齒間間隙的研究，是進一步提高螺桿機性能的重要途徑。文獻用轉子間軸向間隙在轉子齒面法向的投影作為轉子間的間隙，得到了轉子間間隙的等高線分布，但是只能計算轉子處于理想位置的情況。文獻研究轉子軸偏離理想位置的情況，將空間的三維問題簡化為端面平面上的二維問題進行研究，進而研究轉子的干涉。由于間隙與螺桿端面型線、齒間間隙獲得方法、加工精度、零部件變形等許多因素相關，間隙值的確定是一項復雜和困難的工作，到目前為止，還沒有完全解決這一問題。

　　噴油螺桿壓縮機性能上的重要保證是向工作腔中噴入大量的潤滑油。潤滑油起到潤滑、降噪、密封和冷卻的作用。噴油螺桿壓縮機要達到良好的壓縮腔的密封，必須提供大大超過合適的齒與齒間潤滑所需的油量。油量的增加超過了最佳值，不會達到更好的密封效果，但是大量的油通油、氣熱交換降低了排氣溫度，使單級壓縮達到了更高的壓力比。大量的油通過油-氣換熱、油-殼體換熱、氣-殼體換熱，影響工作腔內氣體的熱力過程，但這一過程十分復雜，由于我們不能確定腔中油的分布、速度等狀態，所以還沒有一個詳盡的理論上或實驗上的解釋。在制冷壓縮機中，由于油中溶有大量的制冷劑，在壓力降低時，制冷劑會從油中散發出來，增加了工作腔內的工質，同時制冷劑的散發需要吸收汽化潛熱，從而引起溫度改變。

　　噴入的潤滑油一方面降低了工作腔內溫度,使壓縮過程向等溫過程靠近，從而減少了功耗；另一方面，噴入的油增加了粘性剪切力和攪拌功。因此，存在一個最佳噴油量使得耗功量少。而通過提高噴油壓力來強化油的霧化效果，使壓縮過程逼近等溫過程是得不償失的，因為噴油耗功過大。

3、熱力學過程的研究

　　熱力學過程的研究主要圍繞泄漏、傳熱、排氣孔口流動三個方面。傳熱是回轉壓縮機中的重要問題，在干式螺桿壓縮機中，內部的熱如果不能導出，工作腔溫升很大，使轉子與腔體產生過大的熱膨脹變形，影響機器的性能和可靠性，因此，往往噴水或噴入其它工質將熱量導出。噴油螺桿機器中，噴入的滑潤油與工質間產生強烈的熱交換，使排氣溫度控制在合理的范圍內。由于噴入的水、油或其它冷卻劑在螺桿工作腔內的運動和分布是非常復雜的，所以螺桿壓縮機工作腔內的傳熱計算有較大的難度。螺桿機工作腔內的傳熱主要分為油、水或制冷劑與氣體間的熱交換，壁面與油之間的交換，壁面與氣體間的熱交換幾個部分。

　　壁面與工質間的熱交換有各種算法，有的獻認為換熱量與基元容積成正比，有的文獻認為換熱量與換熱面積成正比。由于螺桿轉速很高,這部分換熱的量較小，計算模型的不同基本上不會對熱力過程產生明顯的影響，而對熱力過程產生強烈影響的是油、水、制冷劑與氣體間的換熱。油在工作腔內的運動過于復雜，文獻將油的行為簡化為油滴在空間中的飛行，油滴的數量及大小用油在噴咀中霧化的模型進行計算；文獻研究了不同油滴大小情況下計算出的排氣口油氣兩相溫差，發現能夠得到合理的結果。也有采用較為簡單的方法，計算油滴與油膜的總面積，從宏觀角度求得其換熱量。對于噴水或噴制冷劑的情況，則必須考慮液滴在飛行中汽化蒸發的情況，以及由于液滴蒸發引起的液滴過冷。

　　評價回轉壓縮機性能優劣的重要指標是容積效率，而泄漏是影響回轉壓縮機容積效率的最重要因素。螺桿壓縮機采用間隙節流密封，工作腔內又含有大量的潤滑油，它的泄漏通道有多種，且泄漏通道內長度、各泄漏通道內的油氣分布與流態，都在隨時變化，因此泄漏計算較為復雜。泄漏量的計算模型可分為噴管模型、粘性流動模型、一元有摩擦絕熱流動、流體數值計算方法等。需要指出的是：泄漏通道內的流動復雜，但泄漏通道內的流動的最大速度由當地音速決定，這種現象稱為阻塞現象。螺桿壓縮機泄漏通道可分為5 條:陰、陽轉子接觸線、轉子齒頂與氣缸間的密封線、泄漏三角形、吸氣端的端面間隙和排氣端的端面間隙。由于各個通道的幾何形狀、工作狀態差別很大，因此，根據不同泄漏通道的具體工作條件和流態選用不同的計算模型是準確計算的關鍵。螺桿機中大多噴入一定量的潤滑油，因此，泄漏通道內的流態十分復雜，且隨著工作腔狀態的不同，工作腔內油氣的體積比變化很大，這直接影響泄漏通道內油氣泄漏量的比例。因此，泄漏模型不與泄漏通道有關，而且與工作時段有關，是隨壓縮機主軸轉角而變化的。

4、刀具和生產中問題的研究

　　螺桿壓縮機生產中的關鍵是高精度螺桿轉子的加工和管理，目前轉子的加工方法有銑削加工法、滾削加工法、磨削加工法、精密鑄造法等。銑刀的設計原理在文獻、中有詳細的說明，文獻中推導了滾刀的設計方法。輪廓銑的方法目前使用最多，它使用多刀片的成型銑刀，銑刀需在具有精密輪廓測量的專用工具磨床上制造。它對刀具的管理較為嚴格，磨削的方法可以獲得很高的加工精度，并且可以加工/ 硬齒面0 的轉子。最近，由Holroyd 公司開發的新型轉子磨床將螺桿轉子的加工水平提升到新的水平。該機床將磨床、砂輪修整器、三坐標測量機集成在一臺機床中，可在加工過程中對工件進行測量，修整砂輪,從而使加工的螺桿轉子的齒廓誤差在正負5um 的區域內。滾切的方法也很精密，且加工效率較高，但因為滾刀的購買、測量和維護費用高，所以沒有廣泛用于轉子加工。

　　銑削和磨削加工中，刀具的管理是生產中的重要問題，直接與轉子的加工精度、刀具的管理費用等相關。因此，優化刀具輪廓和加工中的參數可以提高轉子精度和壓縮機性能，降低生產成本。文獻研究了加工參數的變化，表明了這些偏差是如何影響轉子型線形狀和轉子齒間間隙的。通過改變加工參數可以得到不同的端面型線，可以模擬出加工中的公差帶，且各種不同型線對加工參數的反應也各不相同。

　　刀具形狀對轉子的生產成本也有重要影響,為了保證轉子加工的精度，如果刀具有中斷現象或尖點，或刀具有的區域有過小的曲率，則增加了刀具的修磨次數，從而增大了生產成本。文獻優化了刀具的形狀，并討論了刀具設置參數的影響。

5、其它研究

　　除了高效螺桿轉子的研究，對螺桿的低噪聲化方面的研究也有報道。螺桿轉子的齒形形狀誤差、回轉傳遞誤差、周期性的負載都會使陰、陽轉子齒面發生反復碰撞，從而增大了振動和噪聲。很多研究者對壓縮機的內部流動建立數學模型,且進行性能模擬和分析，將此用于壓縮機新產品的設計與開發。近幾年CFD 的流體分析技術也應用于壓縮機的研究，可以進行壓縮機內部更詳細的研究( 包括壓縮機內部流場、油氣的分布等) 。其它研究包括壓縮機振動與噪聲、軸承負載、止回閥研究、壓縮機的磨損、排氣管道內的壓力脈動等。

6、結語

　　近年來，螺桿壓縮機的制造技術提高很快，這對壓縮機的研究、設計提出了更高的要求。螺桿壓縮機具有獨特的優良性能，但是要繼續保持優勢還需要借助于許多新的研究手段與工具，在型線設計、熱力過程、加工制造等方面進行深入研究。螺桿壓縮機的研究必然會改進壓縮機的設計工作，從而不斷提升機器的性能。螺桿壓縮機的性能還有較大的提升空間，可以預測，螺桿壓縮機的性能將會穩步提高，其應用范圍也還會擴大。