流体机械

参数	数值	参数	数值
螺杆直径R₁/mm	91	吸气压力p_s/kPa	100
螺杆长度l/mm	160	排气压力p_d/kPa	900
星轮直径R₂/mm	97	上排气腔容积V_d₁/m³	9.7×10^-4
星轮齿宽b/mm	28	下排气腔容积V_d₂/m³	6.3×10^-4
中心距A/mm	145.5	齿数比ε	11∶6
额定转速n/（r⋅min^-1）	2 960	理论容积流量V_t/（m³⋅min^-1）	6.77

参数	数值	参数	数值
螺杆直径R₁/mm	91	吸气压力p_s/kPa	100
螺杆长度l/mm	160	排气压力p_d/kPa	900
星轮直径R₂/mm	97	上排气腔容积V_d₁/m³	9.7×10^-4
星轮齿宽b/mm	28	下排气腔容积V_d₂/m³	6.3×10^-4
中心距A/mm	145.5	齿数比ε	11∶6
额定转速n/（r⋅min^-1）	2 960	理论容积流量V_t/（m³⋅min^-1）	6.77

温度/℃	20	40	60	80	100
密度ρ/（kg·m^-3）	873.0	860.0	848.5	838.5	830.0
运动黏度ν/（×10⁶ m²·s^-1）	124.28	46.05	21.32	11.54	6.99

温度/℃	20	40	60	80	100
密度ρ/（kg·m^-3）	873.0	860.0	848.5	838.5	830.0
运动黏度ν/（×10⁶ m²·s^-1）	124.28	46.05	21.32	11.54	6.99

单螺杆压缩机非对称工作过程研究

侯方勇 ¹ , 吴袁媛 ² , 张平 ³ , 吴伟烽 ³

流体机械 | 试验研究 2025,53(7): 15-21

收起

流体机械 |试验研究 2025 , 53 (7) : 15 -21

单螺杆压缩机非对称工作过程研究

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侯方勇¹, 吴袁媛², 张平³, 吴伟烽³

作者信息

¹西安财经大学行知学院，西安 710038

²武汉炼化工程设计有限责任公司，武汉 430080

³西安交通大学能源与动力工程学院，西安 710049

作者简介:

侯方勇（1980），男，硕士，副教授，主要从事单螺杆压缩机减振方面的研究工作，通信地址：710038陕西省西安市灞桥区狄寨路57号西安财经大学行知学院，E-mail：3482625885@qq.com。

Research on asymmetric working process in single‑screw compressors

Fangyong HOU¹, Yuanyuan WU², Ping ZHANG³, Weifeng WU³

Affiliations

¹Xingzhi College of Xi'an University of Finance and Economics，Xi'an 710038，China

²Wuhan Petrochemical Engineering Design Co.，Ltd.，Wuhan 430080，China

³School of Energy and Power Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China

出版时间: 2025-07-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.07.003

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摘要

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针对单螺杆压缩机工作过程的非对称性导致压缩机管路振动，从而产生较大噪声的问题，建立了单螺杆压缩机双侧全过程动态特性试验平台，研究了润滑液二次分配对工作过程的影响，对压缩机上、下两侧工作腔的排气和泄漏过程特征进行了分析。结果表明，6.77 m³/min单螺杆压缩机在转速1 800 r/min、排气压力900 kPa工况下，上、下两侧工作过程压差达到39 kPa；下侧排气压力比上侧大10~15 kPa；通过延缓上侧排气、减小下侧喷液管路阀门开度或减小下侧喷液孔直径，可以减缓排气过程和工作过程的不对称性。研究结果可为单螺杆压缩机管路减振和噪声治理提供参考。

关键词

单螺杆压缩机 / 非对称工作过程 / 润滑液 / 减振

Abstract

收起

To address the issue of pipeline vibration and excessive noise caused by asymmetric working processes in single‑screw compressors，a bilateral full‑process dynamic characteristic test platform was established.The impact of lubricant secondary distribution on working processes was tested，and exhaust/leakage characteristics in upper and lower working chambers were analyzed.Results show that for a 6.77 m³/min compressor at 1 800 r/min and 900 kPa discharge pressure，the pressure difference between upper and lower working processes reaches 39 kPa.Lower‑side discharge pressure exceeds upper‑side by 10~15 kPa.Asymmetry can be reduced by delaying upper‑side exhaust，decreasing lower‑side spray pipeline valve opening，or reducing lower‑side spray hole diameter.This study provides reference for pipeline vibration reduction and noise control in single‑screw compressors.

Key words

single‑screw compressor（SSC） / asymmetric working process / lubricant / vibration reduction

引用本文

侯方勇, 吴袁媛, 张平, 吴伟烽. 单螺杆压缩机非对称工作过程研究. 流体机械, 2025 , 53 (7) : 15 -21 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.07.003

Fangyong HOU, Yuanyuan WU, Ping ZHANG, Weifeng WU. Research on asymmetric working process in single‑screw compressors[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (7) : 15 -21 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.07.003

正文

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0　引言

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单螺杆压缩机（SSC）的历史可以追溯至1955年WALLIS申请的名为“压力-能量转换装置”的专利^［1］。在此基础上，BERNARD等^［2-3］于20世纪70年代初期提出单螺杆压缩机的设想，并成功制造样机。与活塞压缩机和双螺杆压缩机相比，单螺杆压缩机具有受力平衡、容积效率高、噪声低、振动小等优点^［4-5］。

由于单螺杆压缩机上、下两侧工作腔对称布置，通常认为两侧工作腔的工作过程是同步且相同的^［6-7］。ZIVIANI等^［8］采用非对称建模方式，分析了单螺杆膨胀机的工作过程，结果显示，其两侧工作腔存在非对称性。ZHANG等^［9］通过理论分析，将单螺杆空气压缩机的非对称排气腔简化为折管模型，流经排气腔的流动阻力等效在排气孔口位置，简化为孔板模型，结果表明，两侧排气腔的压力存在明显差异，且两侧工作腔排气管道结构不对称会造成两侧腔体的工作过程不对称。

为降低功耗，压缩机中往往喷入润滑液，起到密封、冷却和降低摩擦的作用，文献［10-14］研究了喷液对单螺杆压缩机效率的影响，文献［15-19］研究了不同类型的压缩机中润滑液的分布情况。单螺杆压缩机中除排气腔结构差异会引起排气腔压力不同之外，在重力作用下泄漏的润滑液主要分布在位置较低的机壳底部，从而被底部的工作腔吸入。因此，单螺杆压缩机上、下两侧工作腔内的润滑液含量是不同的，这也可能导致其上、下两侧腔体工作过程呈现不对称性。单螺杆压缩机工作过程的非对称性会影响其性能及可靠性，从而导致压缩机管路振动，产生较大的噪声。这一问题在机械蒸汽再压缩（MVR）、热泵和制冷等喷液相变领域更加明显。为此，本文设计构建单螺杆压缩机双侧全过程动态特性试验平台，通过采用双侧多通道测量方法，得到压缩机内部包含吸气、压缩、排气阶段的完整工作过程压力曲线，对单螺杆压缩机的非对称现象进行分析、讨论。

1　动态特性试验

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1.1　试验系统及流程

试验用单螺杆压缩机转速为2 960 r/min，关键设计参数见表1。

试验平台包括空气压缩系统、数据采集系统、宏观性能参数测试系统和喷液量调节系统等，如图1所示，实物图见图2。压缩机的上、下两侧各布置1个喷液孔，喷液工质选择46^#润滑液，其密度和运动黏度随温度的变化见表2。常温常压空气流过空气过滤器，从进气电磁阀进入进气腔，与进气腔内气体和润滑液混合后最终进入螺槽开始压缩。随着转子的转动，气液混合物压力不断升高，最终通过排气腔，进入气液分离器。流经气液分离器的气体从上侧出口流入储气筒，最后流经喷管流量计进行排气量测量。

气液分离器中的润滑液在高压气体推动下，从冷却器和过滤器陆续流过，最后分成上、下两路，通过喷液口分别喷进工作腔中。喷液管路上布有热电阻温度传感器和压力表，用于获取喷液温度和压力；同时，喷液主管路和支管路也安装涡轮流量计和质量流量计，获取喷液量数据。喷液管上布有控制阀调节喷液量。电机转速由变频器进行控制。

1.2　测试及数据采集系统

在单螺杆压缩机的机壳上、下两侧各布置有5个采压孔，安装Kulite压力传感器，以实现压缩机运转时上、下两侧工作腔p-t曲线图的全过程测量。根据单螺杆压缩机型线设计理论和完整工作过程所覆盖星轮转角，可确定采压孔位置。采压孔圆心轴向坐标和齿前侧螺旋线及齿后侧螺旋线的交点对应的星轮转角满足公式：

z = - a t a n (α + α s r' ε) ± b 2 c o s α + α s r' / ε

（1）

其中：

α s r' = a r c c o s (y / R 1

（2）

式中，“

±

”中的“+”表示与齿后侧螺旋线相交，“-”表示与齿前侧螺旋线相交；a为螺杆外缘到星轮轴距离，a=A-R₁；α为星轮转角；y，

α s r'

分别为采压孔的周向位置坐标和角度位置坐标。

图3（a）示出压缩机上侧采压孔位置，每个采压孔的直径为5 mm。机壳内部为圆柱形，不同采压孔的深度也不同，凹坑最大容积为8.05×10^-8 m³，而开始排气时齿槽容积为2.42×10^-5 m³，凹坑容积不足齿槽容积的1%，其对压缩机工作过程压力变化的影响可以忽略。考虑到采压孔和螺杆槽肋的相对位置，螺杆旋转，槽肋顶面扫过采压孔，其厚度大于采压孔直径，即相邻工作腔之间不会通过采压孔连接产生气体流动，压缩机的密封性仍保持在较高水平。

图3（b）示出压缩机上侧p-t图的实测曲线。可以看出，为了确保进气、压缩、排气各阶段测试信号有效连接，各传感器的测量范围必须存在部分重叠，下侧p-t图也是如此。压力传感器采集的压力信号转化为电压信号，由NI 9250数据采集卡和NI 9174采集机箱接收，由数据采集系统进行信号调理，最后终端电脑的Labview数据采集程序对电压信号进行显示和存储。为使试验采样时间和单螺杆压缩机基元容积变化规律对应，还需同步采集压缩机主轴的转角数据。同时，为了不破坏压缩机结构，螺杆主轴暴露在外的部分安装了接近开关，将采集的激励信号作为螺杆旋转角度的参考信号，用于换算该时刻下螺杆和星轮转角。从图3（b）还可以看出，单侧5个传感器测得的信号相互组合，涵盖单螺杆压缩机完整工作过程。压缩机工作腔容积V与采样时间t的关系可根据式（3）和式（4）得到，以此将采集的p-t图转化为p-V指示图，用于后续的热力学分析。

V (α) = V t h - ∫ α'' α l ∫ - b / 2 b / 2 R 12 - A - R 22 - b 2 c o s α + b s i n α 2 2 c o s α ε d b d α α'' ≤ α ≤ α 1 - δ V 2 - ∫ α 1 - δ α l ∫ - b / 2 R 2 s i n (α 1 - α) R 12 - A - R 22 - b 2 c o s α + b s i n α 2 2 c o s α ε d b d α α 1 - δ ≤ α ≤ α l

（3）

α = α t (1 - t e n d - t 30 n

（4）

式中，V_th为最大基元容积；α''为吸气封闭角；α_l为星轮齿后侧啮出角；α₁为排气侧啮合角；V₂为星轮齿面在α₁-δ和α_l之间扫过的体积；δ为齿宽半角；α_t为星轮啮合角；t_end为单个测试周期中接近开关信号激励的采样时间；t为该周期内某一信号点采样时间。

最大基元容积V_th由两部分组成：

（1）星轮齿面在α''和α₁-δ之间扫过的体积V₁；

（2）星轮齿面在α₁-δ和α_l之间扫过的体积V₂。

1.3　试验目的

从理论分析，由于重力和泄漏通道的影响，单螺杆压缩机上、下两侧工作腔的工作过程存在差异。建立单螺杆压缩机双侧全过程动态特性试验平台，用于观察非对称现象，并以此分析非对称过程对单螺杆压缩机性能的影响。

1.4　误差分析

单螺杆压缩机的绝热效率、容积效率和比功率均为间接测量数据，需要根据相互独立的直接测量数据进行计算。若将间接测量参数定义为

f (v 1, v 2, …, v i)

，其不确定度可用下式求得：

u f = (∂ f ∂ v 1 u 1) 2 + (∂ f ∂ v 2 u 2) 2 + . . . + (∂ f ∂ v i u i) 2

（5）

式中，u₁，u₂，…，u_i为各直接测量参数的不确定度。

经计算，单螺杆压缩机的绝热效率、容积效率和比功率的不确定度分别为3.37%，2.42%和3.34%，测量精度满足要求。

2　试验结果分析与讨论

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单螺杆压缩机内部的泄漏过程中受到重力作用，上侧腔体的润滑液沉积在压缩机下侧工作腔，使上、下侧的占比不相等。上、下两侧工作腔的含液量占比可通过程序计算得出，图4示出在转速1 800 r/min、排气压力900 kPa时，单螺杆压缩机上、下两侧工作腔的含液量对比。

从图可以看出，从进气开始，下侧的液体比上侧多。泄漏通道中的气流受到润滑液的阻碍，下侧工作腔的泄漏更少。随着工作腔容积减小，下侧含液量始终高于上侧。含液量的不同对工作腔泄漏通道内气液两相的占比造成影响，引起工作腔内部压力的差异。

润滑液的非对称分布造成单螺杆压缩机内部工作过程的非对称现象。试验中，通过单螺杆压缩机上、下两侧采压孔测得工作过程压力数据并进行对比。图5示出单螺杆压缩机在转速1 800 r/min、排气压力900 kPa时，上、下两侧工作腔的p-V图。可以看出，上、下两侧工作腔工作过程存在明显差别。其中，两侧工作腔的进气过程和排气过程差异较小；在压缩过程中，工作腔体积减小，腔内压力逐渐升高，两侧压力差也明显改变。经计算，在该工况条件下，压缩阶段的最大压差达到39 kPa。考虑非对称排气时，由图5可知，在每个工作过程，螺杆受到非对称的气体力作用，该气体力可以通过压力在作用面积上（齿前侧、齿后侧螺槽面及螺槽槽底面）的积分求得，引起螺杆振动。

上、下两侧工作腔泄漏出的润滑液大多积聚在进气腔体的底部，因此，下侧工作腔的吸入气体与高温润滑液的传热传质更加强烈。开始排气时，排气腔内的高压气体在工作腔和排气腔的压差作用下回流进工作腔，使得工作腔内气压升高，该过程相当于等容压缩。在排气过程初期，高压气体的回流受排气孔口的尺寸阻碍，产生流动阻力，而工作腔内的润滑液也会拥塞在排气孔口周围，对气流起到阻碍作用。与下侧工作腔相比，上侧工作腔的含液量更少，气体回流过程更顺畅，进入工作腔内的高压气体较多，压力升高速度更快。排气中、后期阶段，排气孔口面积逐渐增大，且气体压力和排气腔内压力一致，回流现象减弱，工作腔内的压力产生波动。

2.1　喷液量差异

通过上、下两侧喷液孔的流量计，可以获得上、下两侧工作腔的喷液量。为了定性地衡量上、下两侧工作腔的喷液量差异，将上、下两侧液体体积流量之比定义为喷液体积比δ_liq，其公式如下：

δ l i q = q v, u p q v, d o w n

（6）

式中，q_v_，up为上侧喷液的体积流量，m³/h；q_v_，down为下侧喷液的体积流量，m³/h。

图6示出不同转速和排气压力时的喷液体积比变化曲线。可以发现喷液体积比始终小于1，即上侧的含液量更少。随着转速的增加，喷液体积比逐渐减小，这意味着上、下工作腔的含液量差异随转速的提高而增大。但在高转速时，喷液体积比的变化率逐渐减小。此外，排气背压的提高也会导致喷液体积比的增大，这主要取决于工况参数对于液体喷射、泄漏和粘滞力的影响。

2.2　非对称排气

图7示出排气压力为900 kPa时，两侧工作腔排气过程的平均压力。

从图可以看出，排气平均压力与转速呈正相关。这是因为，工作腔内的气液混合物进入排气腔时受到排气腔几何结构的限制，无法自由流出。随着压缩机转速增加，排气过程中气流的流速逐渐提高，流动阻力不断增加，工作腔和排气腔内的压力也随之增大。提高转速将减少间隙内的泄漏量占比，使压缩机的容积流量增大。但是无论转速如何变化，同一星轮转角下的工作腔和排气腔的几何结构始终不变。因此，相同容积内工质的密度越大，压力也越大。

从图7还可以看出，下侧工作腔的平均排气压力大于上侧，差值为10~15 kPa，这也是由上、下两侧工作腔的含液量差异造成。下侧工作腔含液量高于上侧，下侧的液体密封效果更好，因此泄漏量更少。因上下侧排气腔设计差异，在排气过程中，下侧腔体的排气阻力更大，积聚在腔内的压力也更高。

试验结果表明，排气过程中存在气流脉动，造成不必要的功率损耗。脉动不均匀度是指压力脉动幅值与平均排气压力的比值，可用来直观评价排气过程的压力损失。图8示出排气压力为900 kPa时，不同转速工况下，压缩机上、下两侧的排气压力不均匀度。可以看出，随着转速的增加，上、下两侧工作腔的排气压力不均匀度随转速的增加而增大。这意味着较高的转速会增大流动阻力，引起更高的功率损耗和严重振动。此外，上侧工作腔的排气压力损失比下侧更大，二者差异随着转速的提高而略有增加。

2.3　非对称过程优化

压缩机采用沿螺杆径向的垂直喷液结构，喷液孔为圆形，喷液孔的直径与工作腔的几何尺寸相比较小，因此，喷液模型可以简化为孔板流动模型。喷液量

q m l i q

满足下式：

q m l i q = C A l i q 2 ρ l i q (p 1 - p 2)

（7）

式中，C为通流系数；A_liq为喷液孔的投影面积，m²；p₁为喷液压力，Pa；p₂为工作腔内的压力，Pa。

由式（7）和流体力学原理可知，通过调整喷液孔位置、改变喷液量等方法可消除不对称性。下侧工作腔的排气压力始终比上侧大，可以通过延缓上侧排气开始时间减缓甚至消除排气压力不均匀度，例如可修改排气孔口的布置方式。若不便于重新设计排气孔口，也可调整上下侧工作腔含液量。

由式（7）还可知，不考虑工作腔内压力对喷液量的影响，喷液量仅由气液分离器内压力、喷液孔面积和流动阻力决定。通过增加下侧喷液管路的流阻（增加节流阀、减小阀门开度）或减小喷液孔直径（在本试验中减小下侧喷液孔直径10%）使得喷液量减少，可使工作过程中上、下侧工作腔内含液量的不均匀度减弱，整体压缩阶段压差和排气压差获得减弱。

3　结论

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（1）单螺杆压缩机上、下两侧工作腔工作过程存在明显差别。在转速1 800 r/min、排气压力900 kPa工况下，压缩阶段的最大压差达到39 kPa。

（2）由于重力影响润滑液在工作过程再分配，下侧工作腔的平均排气压力大于上侧，排气压力900 kPa、转速范围1 200~3 000 r/min，二者平均排气压力相差10~15 kPa。

（3）上侧工作腔排气压力不均匀度大于下侧；上、下两侧工作腔的排气压力不均匀度随转速的增加而增大。

（4）通过延缓上侧排气开始时间、减小下侧喷液管路阀门开度或减小下侧喷液孔直径（约减小10%），可以减缓排气过程和工作过程的不对称性。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2025年第53卷第7期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.07.003

接收时间：2024-10-15
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-07-30

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收稿日期：2024-10-15
修回日期：2025-02-25

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¹西安财经大学行知学院，西安 710038

²武汉炼化工程设计有限责任公司，武汉 430080

³西安交通大学能源与动力工程学院，西安 710049

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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