CN101153597B - 单螺杆压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压缩机类，具体的讲是涉及一种可减少泄漏、提高容积效率，从而可降低耗能的单螺杆压缩机，该单螺杆压缩机，包括机壳、气缸、螺杆及星轮构成，其特征在于螺杆高压端的圆柱形密封带部位开有螺旋密封槽，且螺旋密封槽的螺旋方向与螺杆齿槽的螺旋方向相反，所述的螺旋密封槽是指该螺旋密封槽是一个能作“螺旋”运动的槽，而与其形状无关。螺杆高速旋转时，螺旋槽斜壁即对槽中及中间隙中的油液(及气体)予以推动及粘性带动，即产生泵送作用，泵送方向是原泄漏方向的逆向，泵送作用产生的压头可以部分抵消或平衡导致泄漏的压力差。

Description

单螺杆压缩机

技术领域

本发明涉及压缩机类，具体的讲是涉及一种可减少泄漏、提高容积效率，从而可降低耗能的节能型单螺杆压缩机，适用于动力(空气)、制冷和工艺等各种单螺杆压缩机。

背景技术

单螺杆压缩机的结构见图1，一个六槽螺杆1与对称配置的两个11齿的星轮2啮合，螺杆1、星轮2分别在气缸5、机壳3内作旋转运动，气体由吸气腔9进入螺杆齿槽内。当星轮齿封闭该齿槽后，吸气过程结束，螺杆齿槽、星轮齿以及气缸内孔壁形成充满低压气体的封闭空间。随着螺杆继续旋转，星轮齿沿螺杆齿槽的推进，封闭空间不断缩小，气体压力不断增高，直至与排气孔口7连通的瞬时为止压缩过程结束，并开始排气过程，从而完成工作循环。螺杆工作时8为低压端、低温区，4为高压端、高温区。

由于螺杆上齿槽是偶数槽且对称配置两个星轮，从而使螺杆受力完全平衡，又使排气量增加一倍。因此单螺杆压缩机具有一系列优点：螺杆没有弯曲变形、可靠性好、轴承寿命长、体积小、运转振动小、噪声低，特别适合中、高压下工作等。

但是目前生产的单螺杆压缩机的缺点是：泄漏较多，容积效率需要提高，其耗能不但高于活塞式而且也并不优于双螺杆式。压缩机是九大耗能装备之一，又是应用最广泛的通用设备，其节能技术的研究与创新意义重大。

单螺杆压缩机的螺杆与气缸内孔以及星轮做相对旋转运动。螺杆槽与星轮齿相对滑动。为了保证压缩机正常运转，相对运动的零件之间必须保留着必要的间隙，高压气体通过这些间隙会泄漏到低压区和大气压区，这种泄漏直接影响到排气量的减少和功耗的增加。减少泄漏提高容积效率是节能的主要途径之一。

单螺杆压缩机啮合形状复杂，泄露通道较多，主要泄露通道见图2、3：螺槽螺旋线外圆表面与气缸内孔之间的间隙L1、L2、L3；星轮齿顶与螺槽槽底的间隙L4；星轮齿前、后侧面与螺槽前、后壁面的间隙L5、L6；星轮齿表面与机壳分隔面的间隔L7；螺杆高压端密封段外圆与气缸内孔的间隙L8。

研究结果表明L1至L6泄漏较少，L7、L8两处泄漏较多，特别是L8处是最主要的泄漏部位。L8处为高压端，其前后压差大，而且L8处也是高温区热膨胀量大。为防止“抱缸”泄漏间隙不能太小。实验及计算都表明通过此处的气体泄漏量最大，是影响单螺杆压缩机容积效率和功率消耗的主要因素之一。

目前单螺杆压缩机螺杆高压端L8处的密封技术方案及设计方法为以下两种：

一种是螺杆高压端L8处为圆柱形密封结构(见图4)。这种结构是最早最普遍采用的技术方案。该密封带外圆与气缸内径有一定的间隙δ及长度L来形成对气体泄漏的流动阻滞，实现减小泄漏量。

一般：δ＝(3.5～4.5)×10^-1D；L＝(0.1～0.15)D；D为气缸内径。

另一种是螺杆高压端L8处为迷宫式密封结构(见图5)。这种结构始于日本三井公司，是改进的结构，采用的较多。这种结构是利用密封带外园与气缸内径的间隙δ及迷宫槽的阻滞及扩散来释压，从而降低气体泄漏流动的压力差，减少泄漏量。

上述两种技术方案及设计方法主要都与间隙δ密切有关，但是，单螺杆压缩机靠喷油进行内冷维持一定的热力平衡，压缩机方能正常工作，因而机内要喷入一定量的油液，间隙内充有油液，油液可以起到冷却，密封及润滑作用，同时也带来了液体粘性剪切功耗。液体粘性剪切功耗也与间隙δ密切相关。

L8处的泄露量

和黏性剪切功率N₁分别表示为：

$\stackrel{\·}{m}=\mathrm{\ρW\δ}[\frac{U}{2}+\frac{{\mathrm{\δ}}^2(P_2-P_1)}{12\mathrm{\μL}}]$ $N_1=\mathrm{LWU}[\frac{\mathrm{\μU}}{\mathrm{\δ}}-\frac{\mathrm{\δ}(P_2-P_1)}{2L}]$

上述各式中：U-螺杆外径相对气缸内孔的速度；ρ和μ-油的密度和粘性；P₁和P₂-泄漏通道两端的压力(P₁为大气压)；W、L、δ-泄漏通道的宽度、长度、间隙。

通过分析表明如果单纯减少δ，增加L，虽然可以减少泄漏，但是也会引起其间粘性剪切功耗的增加，甚至会因间隙δ减少，而使泄漏减少所得节能效果与增加的剪切功耗相比互相抵消或得不偿失。因而从工作机理上(喷油内冷)就制约了间隙δ不能太小。同时实际结构也限制δ不能太小。

实际上若间隙过小，有可能因气缸内孔的不圆度，螺杆与气缸的不同轴度造成间隙δ不均匀，若δ过小则小间隙部位可能因螺杆膨胀而发生金属摩擦而“抱缸”。因此对于喷油内冷的单螺杆压缩机，现有两种螺杆高压端密封技术方案不足之处主要是靠间隙实现密封是不适用的，其节能效果不好。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种单螺杆压缩机，该压缩机针对高速相对旋转的螺杆外园与气缸内孔之间有一定间隙，在螺杆高压端圆柱形密封部位上开设螺旋槽，螺杆高速旋转时，螺旋槽斜壁即对槽中及间隙中的油液(及气体)予以推动及粘性带动，即产生泵送作用，泵送方向是原泄漏方向的逆向，泵送作用产生的压头可以部分抵消或平衡导致泄漏的压力差，从而解决了现有技术存在的问题。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种节能单螺杆压缩机，包括机壳、气缸、螺杆及星轮构成，螺杆与对称配置的星轮啮合；螺杆、星轮分别在气缸、机壳内作旋转运动；其特征在于螺杆高压端的圆柱形密封带部位开有螺旋密封槽，且螺旋密封槽的螺旋方向与螺杆齿槽的螺旋方向相反；所述的螺旋密封槽是指该螺旋密封槽是一个能作“螺旋”运动的槽，而与其形状无关。

所述螺旋密封槽由多头螺旋密封槽组成。

所述多头螺旋密封槽，其槽宽1.5～5mm；其槽距为槽宽的1～3倍；其槽深为槽宽的0.8～1.2倍。

所述螺旋密封槽的螺旋角β值如下：45°＞β＞6°。

所述螺旋密封槽的螺旋角β值的最佳值为13°～20°。

所述螺旋密封槽所在密封带长度为螺杆外径的0.1～0.15倍。

所述螺旋密封槽所在密封带两侧设置有圆柱形“坝区”或“堰区”。

所述坝区或堰区长宽为所述密封带长度的0.08～0.12倍。

所述螺旋密封槽形状为直线形槽、或者为折线形槽、或者为圆弧形槽。

所述螺旋密封槽截面为三角形、或者为矩形、圆弧形、梯形、或是直线圆弧组合形。

本发明的优点是，在保持单螺杆压缩机一切优点的前提下，适应喷油内冷的特点在最佳间隙(泄漏耗能与粘性剪切耗能最佳)的基础上采用螺旋密封技术方案、减小泄漏、提高容积效率、实现节能。

附图说明

附图1为现有技术单螺杆压缩机结构示意图；

附图2为附图1俯视图；

附图3为现有技术单螺杆压缩机主要泄漏通道示意图；

附图4为附图3的局部放大示意图；

附图5为现有技术螺杆高压端圆柱形密封结构示意图；

附图6为现用技术螺杆高压端迷宫式密封结构示意图；

附图7为本发明螺杆高压端螺旋密封结构示意图；

附图8本发明螺旋槽泵送作用分析示意图；

附图9为本发明螺旋槽密封技术参数示意图；

附图10.1为本发明螺旋密封槽直线形槽形状示意图；

附图10.2为本发明螺旋密封槽折线形槽形状示意图；

附图10.3为本发明螺旋密封槽折线形槽形状示意图；

附图10.4为本发明螺旋密封槽圆弧形槽形状示意图；

附图11.1为本发明螺旋密封槽三角形截面结构示意图；

附图11.2为本发明螺旋密封槽矩形截面结构示意图；

附图11.3为本发明螺旋密封槽梯形截面结构示意图；

附图11.4为本发明螺旋密封槽圆弧形截面结构示意图；

附图11.5为本发明螺旋密封槽直线圆弧组合形截面结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解；

如图7-11所示，标号1-16分别表示：螺杆1、星轮2、机壳3、螺杆高压端4、气缸5、孔槽6、排气孔口7、螺杆低压端8、吸气腔9、螺旋密封槽10、高压端密封带11、油液(气)泄漏方向12、压力(及高压)区13、高压端迷宫密封带14、高压端螺旋密封带15、螺旋糟泵送油液(气)方向16；其他标号分别为：螺杆外径D、气缸内径d、螺旋槽密封带长度L、坝区或堰区长度1、螺旋密封槽的螺旋方向β、螺旋齿槽的螺旋方向β₀、螺旋密封槽槽宽b、螺旋密封槽槽距t、螺旋密封槽槽深h、螺旋槽旋转时推动油液(气)力F、泵送油液(气)力F₁(轴向)、泵送油液(气)力F₂(圆周方向)，F分解为F₁和F₂；螺槽螺旋线外圆表面与气缸内孔之间的间隙L1、L2、L3；星轮齿顶与螺槽槽底的间隙L4；星轮齿前、后侧面与螺槽前、后壁面的间隙L5、L6；星轮齿表面与机壳分隔面的间隙L7；螺杆高压端密封段外圆与气缸内孔的间隙L8。

本实施例涉及的节能型单螺杆压缩机，包括螺杆1、星轮2、机壳3、气缸5、孔槽6、排气孔口7、吸气腔9，其中螺杆1包括螺杆高压端4、螺杆低压端8，在原最佳间隙(间隙泄漏能耗及粘性剪切功耗最小)的情况下，在螺杆高压端4的圆柱形密封带部位(L8处)开有多头螺旋密封槽10，且螺旋密封槽10的螺旋方向β与螺杆齿槽的螺旋方向β₀相反，为了增大泵送压头，增大泄漏阻力，选择β＝13°～20°。

由多头螺旋槽10构成的螺旋槽密封长度L＝(0.1～0.15)D；在密封带两侧设有圆柱形“坝区”或“堰区”，坝区或堰区长度|＝0.1L

为了提高泵送压头，增加泄漏阻力，螺旋槽应浅而窄，本实施例选择螺旋密封槽10槽宽b＝2～3mm；螺旋密封槽10槽距t＝(1～3)b；螺旋密封槽10槽深h＝(0.8～1.2)b。

螺旋密封槽10的形状可以选择为直线形槽(如图10.1)、也可以折线形槽(如图10.2、10.3)，圆弧形槽(如图10.4)等。螺旋密封槽10的截面可选择为三角形(如图11.1)，也可为矩形(如图11.2)、圆弧形(如图11.4)、梯形(如图11.3)、或直线圆弧组合形(如图11.5)等。

本实施例在具体使用时根据具体情况恰当地确定上述各项参数即可得到最佳的效果。

本实施例针对高速相对旋转的螺杆外园与气缸内孔之间有一定间隙，间隙内充有油液，综合考虑减小泄露节能与减小粘性剪切功耗为综合节能的间隙的前提下，采用螺旋槽密封，从而减小泄漏提高容积效率实现节能。

本实施例在具体实施时，由于螺杆高压端圆柱形密封部位上开有螺旋槽10，螺杆1高速旋转时，螺旋槽斜壁即对槽中及间隙中的油液(及气体)予以推动及粘性带动，即产生泵送作用，泵送方向是原泄漏方向的逆向，泵送作用产生的压头可以部分抵消或平衡导致泄漏的压力差，因而更有效地减少或降低泄漏流动的“动力源”，阻止泄漏，提高容积效率，实现节能。

由于本实施例仍保留原有的间隙δ及密封长宽L，因而仍有现有技术方案的应有的流动阻滞释压作用，及相应的密封效果。本实施例实现了更完善更有效的节能。

Claims (10)

1.一种单螺杆压缩机，包括机壳、气缸、螺杆及星轮构成；螺杆与对称配置的星轮啮合；螺杆、星轮分别在气缸、机壳内作旋转运动；其特征在于螺杆高压端的圆柱形密封部位开有螺旋密封槽，且螺旋密封槽的螺旋方向与螺杆齿槽的螺旋方向相反；所述的螺旋密封槽是指该螺旋密封槽是一个能作“螺旋”运动的槽，而与其形状无关。

2.根据权利要求1所述的一种单螺杆压缩机，其特征在于：所述螺旋密封槽由多头螺旋密封槽组成。

3.根据权利要求2所述的一种单螺杆压缩机，其特征在于所述多头螺旋密封槽，其槽宽1.5～5mm；其槽距为槽宽的1～3倍；其槽深为槽宽的0.8～1.2倍。

4.根据权利要求1或2所述的一种单螺杆压缩机，其特征在于所述螺旋密封槽的螺旋角β值如下：45°＞β＞6°。

5.根据权利要求4所述的一种单螺杆压缩机，其特征在于所述螺旋密封槽的螺旋角β值的最佳值为13°～20°。

6.根据权利要求1所述的一种单螺杆压缩机，其特征在于所述螺旋密封槽所在的密封带长度为螺杆外径的0.1～0.15倍。

7.根据权利要求1所述的一种单螺杆压缩机，其特征在于所述螺旋密封槽所在密封带两侧设置有圆柱形“坝区”或“堰区”。

8.根据权利要求7所述的一种单螺杆压缩机，其特征在于所述坝区或堰区长度为所述密封带长度的0.08～0.12倍。

9.根据权利要求1或2所述的一种单螺杆压缩机，其特征在于所述螺旋密封槽形状为直线形槽、或者为折线形槽、或者为圆弧形槽。

10.根据权利要求1或2所述的一种单螺杆压缩机，其特征在于所述螺旋密封槽截面为三角形、或者为矩形、圆弧形、梯形、或是直线圆弧组合形。

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