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【啮合之美】金属与空气的角力场,双螺杆压缩机

 西风斋 2015-12-06

想要捕捉和驾驭空气这种无孔不入的东西,一般都会想到用橡胶这类柔软耐磨、有弹性的物质。然而螺杆式压缩机却是采用两根形似螺丝的金属转子,通过相互啮合,相向旋转将空气驱赶至密闭空间,得到压缩空气的。


人们第一次听说压缩机这个东西,多半是因为家用空调和冰箱这类制冷设备。其实压缩机的应用很广泛,除了暖通空调和冷冻循环,运输机械、硅化工、石油化工、天然气输送等都需要它们。


空气压缩机(Gas compressor)是一种将气体压缩并同时提升气体压力,从而提供工业驱动动力的流体机械,因而生产压缩机的企业,多数也生产发动机和涡轮机。


依据运作原理,压缩机分为容积式压缩机(或称置换式,positive-displacement)与气体动力式压缩机(aerodynamic)。双螺杆式压缩机就是容积式压缩机的一种,主要用于大型商用和工业系统(还有用活塞的往复式、回转式、涡旋式等)。


双螺杆式压缩机的原理是通过两根啮合的金属螺杆,将气体导入一个越来越狭小的密闭空间,透过压缩原有气体所散布的空间体积而使内部压力上升,将机械能转换为压力能。

↓↓螺旋形转子对空间曲面的加工精度要求很高↓↓


这组图截自德国工业巨头MAN集团的视频。MAN成立于1758年,总部位于德国慕尼黑。它的名字不是暗示机械实乃男人的玩具,而是取自公司的前身奥斯堡-纽伦堡机械厂Maschinenfabrik Augsburg Nürnberg的缩写


MAN旗下有三大业务领域:汽车、发动机和涡轮机(MAN Turbomachinery),这三个业务领域都处于全球领先地位。其中Turbomachinery是专门制造空压器和涡轮机产品的。MAN的螺杆空压机起源于1952年的第一台无油螺杆空压机,这也是空压机发展史上的里程碑。


插一句:总觉得把turbine粗鲁地音译成透平。。。如此寡淡的两个字,跟这种机械所拥有的强大力量和震撼人心的工业美感太.不.相.称.啦(/‵Д′)/~ ╧╧,不信请发红色数字看西门子(第46期)、阿尔斯通(第101期)GE(第176期)的涡轮机。


↓↓MAN的螺杆空压机工作原理(3分05秒)↓↓


↓↓壮哉~美哉~MAN的大型螺杆空压机↓↓

MAN空压机的转子直径涵盖102mm到816mm的范围,是市场上跨度最广的。


↓↓螺杆空压机的结构↓↓

螺杆式空压机的主要部件为螺杆机头、油气分离桶。转子根据齿的形状是凸还是凹,又分阳或公母。



依据润滑方式,螺杆压缩机又分为:无油式(干式)和机油润滑式(喷油、喷水)。一般干式螺杆压缩机的单级压力比为1.5-3.5,双级压力比可达8-10,容积流量为3-500m3/min。


喷油式压缩机工作压力由工艺流程确定,单级压力比可达10,排气压力通常小于4.5MPa,但也可高达9MPa,容积流量范围为1-200 m3/min。其润滑方式是凭借自身所产生的压力差,不断向压缩室和轴承注冷却液,在转子之间形成液膜(第205期)。从动转子因此可直接由主转子带动,无需借助高精密度的同步齿轮;喷入的冷却液增加了气密作用,减低了噪音,还能吸收大量的压缩热,因此排气温度不致于过高,转子与机壳之间也不会因热膨胀系数不同而产生磨擦。但缺点是压缩出来的空气含油量为1~3×10-6,所以还需要增加除油装置。


螺杆式空气压缩机的运转过程分三个阶段:

吸气:阳转子的齿连续脱离阴转子的齿槽,齿间容积逐渐扩大,气体经吸气孔口进齿间容积,当齿间容积达到最大值时,齿间容积与吸气孔口断开,封闭,吸气过程结束。此时阳和阴转子的齿间容积彼此不连通。


压缩:在继续旋转中,阳转子凸齿间容积中的气体受阴转子凹齿的嵌入被逐渐压缩;经某一转角后,阴、阳转子齿间容积连通,和机体之间形成'V'字形的齿间容积对,即基元容积。随两转子齿的旋转和互相啮合,基元容积被逐渐推移,容积也逐渐缩小,这样的气体压缩过程直到与排气孔口相连通时为止


排气:随着转子旋转,压缩到最小基元容积的气体,被送出排气管上述吸气、压缩、排气过程循环进行,各基元容积依次陆续工作,构成了螺杆式制冷压缩机的工作循环。


↓↓气压的变化↓↓

韩国最大的财团斗山集团(Doosan)重工业领域居世界前列,他们不光拥有世界排名第一的海水淡化工厂,还生产世界排名第二的大型船用发动机。。。想起瓦锡兰的世界最大船用发动机(第190期)在韩国也有工厂,对韩国的制造业又有了些新的认识。斗山是MAN强有力的竞争对手,也制造空压机,看看他们怎么是介绍螺杆空压机的工作原理的——

↓↓压缩机是如何工作的?via Doosan(3分16秒)↓↓






↓↓形态多样的阴阳转子↓↓

↓↓有木有点相濡以沫、纠缠到死的甜蜜感觉↓↓




↓↓想起了阴阳鱼↓↓



发送数字137,回顾第137期:【温控之美】Valeo车载空调压缩机


跟MAN和GE类似,很多制造商会把空压机涡轮机划分为同一个事业部对蒸汽轮机和燃气轮机有兴趣的朋友,请发送下面的红色数字,看看它们肿么辣么美~~

46期:【能源之美】世界最大的燃气轮机,西门子SGT5-8000H(已经不再是最大的了,不过不影响它的美腻~~)

101期:【能源之美】Alstom,全球首屈一指的蒸汽轮机(已被GE吃了的法国工业巨头,内有蒸汽轮机和燃气轮机)

176期:【能源之美】GE燃气轮机,从战机到发电机


本期主题由西安的、银川的king back_龙和上海的沧海点播。

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