原创：压缩机网、邢子文 【未经授权 禁止转载】

一 、螺杆压缩机转子型线及其要素

螺杆压缩机中，最关键的是一对相互啮合的转子。转子的齿面与转子轴线垂直面的截交线称为转子型线，如图2-1a所示。由于转子型线作螺旋运动就形成了转子的齿面，故又把转子型线称为端面型线或转子齿形。

螺杆压缩机的阴阳转子可以看作是一对相互啮合的斜齿轮因此，螺杆压缩机的阴、阳转子型线也要满足啮合定律，即不论在任何位置，经过型线接触点的公法线必须通过节点。但螺杆转子与普通的斜齿轮又有很大的不同。普通斜齿轮的主要任务是在两根平行轴之间的任意传动方向上，强制传递转速、转矩及功率。在螺杆压缩机中，转子之间的动力传递和由此而引起的齿面接触应力都是次要的。事实上，无油螺杆压缩机的阴阳转子并不接触，两者之间的动力传递是通过同步齿轮来完成的。在喷油螺杆压缩机中，转子之间传递的功率，也仅占压缩机轴功率的10％左右，而且只在齿面的一侧进行。所以螺杆压缩机的转子型线，不必像普通齿轮那样无条件地对称于其齿顶中心线。

对于螺杆压缩机转子型线的要求，主要是要在齿间容积之间有优越的密封性能，因为这些齿间容积是实现气体压缩的工作腔。对螺杆压缩机性能有重大影响的转子型线要素有接触线、泄漏三角形、封闭容积和齿间面积等。

1.接触线

螺杆压缩机的阴、阳转子啮合时，两转子齿面相互接触而形成的空间曲线称为接触线(图2-1b中10)。接触线一侧的气体处于压力较高的压缩和排气过程，另一侧的气体则处于压力较低的吸气过程。如果转子齿面间的接触线不连续，则处在高压力区内的气体将通过接触线中断缺口，向低压力区泄漏。

图2-1 转子型线、啮合线、齿间面积、封闭容积、泄漏三角形和接触线

a)型线、嗜合线、齿间面积、封闭容积、泄漏三角形

b)泄漏三角形和接触线

1一阳转子型线2一阴转子型线3一封闭容积4啮合线5一世三角形6一阳转子齿间面积7一阳转子节圆8一阴转子节圆9一阴转子齿间面积10一接触线

阴、阳转子型线啮合时的啮合点轨迹,称为啮合线(图 2-1a中4)。啮合线实质是接触线在转子端面上的投影。显然接触线连续,意味着啮合线应该是一条连续的封闭曲线。

2.泄漏三角形

螺杆压缩机转子接触线的顶点,通常不能达到阴、阳转子气缸孔的交线,在接触线顶点和机壳的转子气缸孔之间,会形成个空间曲边三角形,称为泄漏三角形(图 2-1中 5)。通过泄漏三角形,气体将从压力较高的齿间容积,泄漏至压力较低的邻近齿间容积。从啮合线顶点的位置,可定性反映泄漏三角形面积的大小。如图 21a 所示,若啮合线顶点距阴、阳转子齿顶圆的交点W 较远,则说明泄漏三角形面积较大。

3.封闭容积

如果在齿间容积开始扩大时,不能立即开始吸气过程,就会产生吸气封闭容积。由于吸气封闭容积的存在,使齿间容积在扩大的初期,其内的气体压力低于吸气口处的气体压力。在齿间容积与吸气孔口连通时,其内的气体压力会突然升高到吸气压力,然后才进行正常的吸气过程。所以,吸气封闭容积的存在,影响了齿间容积的正常充气。吸气封闭容积在转子端面上的投影如图2-1a中3 所示,从转子型线可定性看出封闭容积的大小。

4.齿间面积

齿间面积是齿间容积在转子端面上的投影(图 21a中69)。转子型线的齿间面积越大,转子的齿间容积就越大。

二 、转子型线设计原则

经过多年的理论分析和试验研究,总结出螺杆压缩机转子的型线设计原则如下:

1)转子型线应满足啮合要求。螺杆压缩机的阴、阳转子型线,必须是满足啮合定律的共轭型线,即不论在任何位置,经过型线接触点的公法线必须通过节点。

2)转子型线应形成长度较短的连续接触线。转子型线的没计应保证能形成连续的接触线。另外,在实际机器中,为保证转子间的相对运动,齿面间总保持有一定间隙。因此,理论上的接触线就转化成实际中的间隙带。为了尽可能减少气体通过间隙带的泄漏,要求设法缩短转子间的接触线长度。

3)转子型线应形成较小面积的泄漏三角形。为减少气体通过泄漏三角形的泄漏,型线设计应使转子的泄漏三角形面积尽量小。

4)转子型线应使封闭容积较小。大多数转子型线会形成吸气封闭容积,导致压缩机耗功增加、效率降低、噪声增大。所以,转子型线应使吸气封闭容积尽可能地小。

5)转子型线应使齿间面积尽量大。较大的齿间面积使泄漏量占的份额相对减少,效率得到提高。

另外,从制造、运转角度考虑,还要求转子型线便于加工制造,具有良好的啮合特性,较小的气体动力损失,以及在高温和受力的情况下,具有小的热变形和弯曲变形等。值得指出的是,以上有些因素是相互制约的。例如,为了减小泄漏三角形,就不可避免地会使型线具有封闭容积和较长的接触线。为了减少流体动力损失,使型线流线型化,又会增大泄漏三角形等。

鉴于要满足如上种种要求,螺杄压缩机的转子型线通常由多段曲线首尾相接组成,这些曲线称为组成齿曲线。常用的组成齿曲线主要有点、直线、摆线、圆弧、椭圆及抛物线等。

三 、转子型线的发展过程

螺杆转子设计中,最重要的是设计型线,因为转子型线基本决定了螺杄压缩机的性能好坏。螺杆压缩机性能的不断提高及其市场份额的不断扩大,是与转子型线的发展密不可分的。国际上著名的螺杆压缩机生产厂家,都是伴随着新型线的开发成功而不断发展壮大的。性能优越的新型线一旦开发成功,往往会使其产品的销售量猛增、市场占有率迅速扩大。

为便于区别起见,可将螺杆压缩机中的型线分为对称型线和不对称型线,以及单边型线和双边型线。齿顶中心线两边的型线完全相同时,称为对称型线。反之,齿顶中心线两边的型线不同时，称为不对称型线。只在转子节圆的内部或外部一边具有型线，称单边型线。节圆的内、外均具有型线，称双边型线。

随着对螺杆压缩机转子型线设计原则的逐步认识和转子加工方法的不断改进，以及计算机在转子型线设计中的应用，螺杆压缩机的转子型线大致经历了三代变迁。

1.对称圆弧型线

第一代转子型线是对称圆弧型线，应用于初期的螺杆压缩机产品中，虽然在随后的年代里，不对称的转子型线有了许多显著的进展，但这些进展主要是针对喷油螺杆压缩机的。由于对称型线易于设计、制造和测量，这类型线直到现在还被很多干式螺杆压缩机制造商广泛采用。

螺杆压缩机齿间容积间的泄漏主要通过四个通道进行:①通过接触线的泄漏;②通过泄漏三角形的泄漏;③通过齿顶间隙的泄漏;④通过排气端面的泄漏。不对称型线的最大优点之一，就是泄漏三角形的面积明显减少。但对无油压缩机，泄漏三角形只是四个主要泄漏通道中的一个，其面积的减少对压缩机的整体效率只能产生有限的影响。另外，与喷油压缩机相比，无油螺杆压缩机工作在较低的压比和压差工况下，压比和压差对泄漏也有重大影响。

2.不对称型线

第二代转子型线是以点、直线和摆线等组成齿曲线为代表的不对称型线。60年代后，随着喷油技术的发展，发展了以SRM-A型线为代表的第二代转子型线。这种型线为螺杆压缩机市场份额的扩大，起了巨大的推动作用，目前仍被多家公司所采用。

螺杆压缩机内共有四个主要的泄漏通道，在喷油螺杆压缩机中，由于油的存在而使这四个通道中的三个被有效地密封起来。通过齿顶、排气端面及接触线这三个狭长间隙的泄漏大大减小。由于泄漏三角形不像其它三个泄漏通道那样是狭长的间隙，而是一个近似于三角形的开口孔，因而成为唯一无法被油有效地密封的泄漏通道。

对称型线与不对称型线的主要区别，在于采用不对称型线时，泄漏三角形的面积大为减少。一般不对称型线的泄漏三角形面积仅是对称型线的十分之一左右。因此，采用不对称型线，可以使喷油螺杆压缩机的性能得到明显改善。

3.新的不对称型线

80年代后，随着计算机在螺杆压缩机领域的应用，精确解析螺杆压缩机转子的几何特性成为可能，在压缩机工作过程数学模拟的基础上，出现了各具特色的多种第三代转子型线。性能优越的主要有CHH型线、日立型线和SRM-D型线。90年代后，转子型线更加多样化，已能够根据螺杆压缩机的具体应用场合，专门设计出新颖的高效型线。目前，所有的喷油螺杆压缩机，采用的都是不对称型线。

第二代和第三代转子型线都是不对称型线，两者之间的主要区别在于:第三代转子型线的组成齿曲线中不再有点、直线和摆线，均采用圆弧、椭圆、抛物线等曲线。这种改变可使转子齿面由“线”密封改进为“带”密封，能明显提高密封效果，还有利于形成润滑油膜和减少齿面磨损。