流体喷射式齿轮压缩机的热力过程研究

　　气体压缩机在石油、化工等过程工业及商业、民用众多领域中得到广泛应用。目前常用的容积式压缩机，其压缩过程中的气体温升随压缩比的增大而增大，为防止机油氧化变质，均限制单级压缩的压缩比不能过大。为获得更高的压编比，通常采用多级压缩和级间冷却。与单级压缩相比，多级压缩使制冷系统变得复杂、操作维护麻烦。

　　流体喷射式齿轮压缩机属于容积式压缩机，但其压缩机理与传统的容积式压缩机不同。目前广泛应用的容积式压缩机如往复式、杆式压缩机其压缩腔容积的改变是通过有关部件的机械运动而实现的，而齿轮压缩机是通过向压缩腔内喷射一定量的流体（高压冷冻机油或来自蒸发器的制冷剂蒸汽〉，该流体占据压缩腔的一部分容积，使压缩腔内原有气体所占容积相应减小从而实现压缩。由于喷射的流体温度较低，可有效减小压缩温升，因此，这种压缩机有望实现单级高压缩比压缩，如果开发成功，将有广阔的应用前景。本文主要对其压缩过程进行热力学分析。

　　1齿轮压缩机的工作原理，如所示，气体经由管道进入齿轮压缩机的吸气腔，齿槽被机体和前后端盖封闭，从吸气腔充入的低压气体被封闭在齿中，由于齿轮旋转就源深不断地把吸气腔内的气体送到排气腔。在输气过程中，高压的机油不断沿切线方向喷进齿榷，压缩和冷却齿榷内气体。喷射压缩之后，齿槽内气体压力上升到预定压力，喷管进出口压差消失，喷射随之停止。接着，高压齿槽进入排气腔，其中的机油进入高压油池，而压缩气体进入排气腔经上部排气管排出。排气完后的一对齿榷在油面以下啮合，齿檐内充满的油就又被啮合齿排出。当排空油的齿槽进入吸气腔时就重新开始充气，如此循环往复完成压缩机的工作过程。

　　齿轮压镛机结ft示敢B 3齿内的压缩过程分析为了便于对齿轮压缩机齿槽进行热力过程分析，假设机油喷进齿榷后与齿槽内的气体均匀混合，齿顶前沿和后沿掠过喷嘴出口的过程瞬间完成。

　　齿榷喷射过挂示意S若压缩过程为绝热过程，则齿槽内气体经过喷嘴喷油压缩后气体温度为：齿檐内气体经过喷嘴喷油压缩后气体体积变为：对于多变过程，只需将多变指数n代替式喷嘴喷入齿槽内的油的质量为：体比热容，4为油比热容，Ty为油进口温度，T'为油气混合后的平均温度。

　　则油气混合后的平均温度为：上式给出的是绝热压缩后齿檐内气体的温度。

　　齿棺压缩过程必然伴随着传热，因此，实际压缩过程为多变过程，先以T（为初值，按等端点法求出多变指数lnPH/PtnT7T+lnPPH然后，将求得的n代替式（1）、式（2）中的绝热指数k，进行迭代计算，直到满足给定的精度要求为止，求出多变指数n.喷入齿槽内的油应使齿檐内的气体被压缩到压缩机排气压力PH，则压缩后齿檐内的气体体积为：齿槽掠过喷嘴的时间为：T=缒「一根据伯努利方程有：z为齿速，P2为出口压力，21和句分别为喷管进出口在系统坐标系中的高度位置。

　　由于喷管进出口位能差与动能差及压差相比是个小量，可以忽略不计。喷管进口油的速度较小，也可以忽略不计。则伯努利方程简化为：喷油的质量流ft表示为：假设经过了t时间的喷油，喷入的油量使齿槽中气体的体积由V减小到V，则此时齿棺内气体的压力P为：将式（13）代入式（11）中，则此时喷嘴出口油速u为：假设经过了T时间的喷油后，再经历一个微元喷油时间，喷入齿槽中的油体积8V为，则喷入齿槽中油的质量为：即：同时，在8t时间内从喷嘴喷出的油的质量为：在Si：时间内从喷嘴喷出的油全部进入齿槽内，将式（14）代入上式后，两边积分并整理得：以上所作推导的前提是在一个齿槽掠过喷嘴的时间内，刚好使喷嘴的出口油速降为零。因此，所推导出的公式是使齿槽中气体压力从压缩到PH喷嘴出口的*小面积公式。合理确定齿轮压缩机的喷嘴出口面积是设计与研究齿轮压缩机时的关键，如果喷嘴出n面积设计偏小，则无法达到要求的排气压力。式（18>给出的喷嘈出口面积关系包含了转速、齿轮结构参数、工作介质的物性参数和状态参数，因此，可用于分析有关因索的影响及压缩机的变工况分析。

　　4压缩过程的计算结果与分析bookmark5齿轮压缩机齿轮为两个相同直齿渐开线变位齿1440r/min，压缩机吸气压力P压力PH=1.0MPa，吸气温度T303K，油进口温度Ty=308K.计算结杲如~所示。

　　为喷嘴出口油速随时间的变化曲线，由图可知，喷嘴出口油速u不是个定值，在喷油开始的瞬间，u值*大，随着喷油过程的进行，u值随之逐渐减小，喷油结束时，u降为零。为齿槽中气体体积随时间的变化曲线，由图可知，随着喷油过程的进行，齿榷中气体体积不断的减小，实现压缩。

　　为齿槽中气体压力随时间的变化曲线，由图可知，随着喷油过程的进行，齿槽中气体压力不断的上升，*后达到压缩机的排气压力。为齿槽中气体压缩过程示功图，由图可知，齿榷中气体压缩过程曲线与定温过程曲线基本重合，其主要原因是充入齿槽的机油来自油分离冷却器，其度较低，而机油的热容比齿槽内的被压缩气体大，因此，混合后油、气混合物的平均温度较低。

　　5结论通过以上对齿轮压缩机齿槽中气体压缩过程的分析表明：对齿轮的齿槽进行流体喷射可以实现对齿槽中气体的压缩；气体压缩过程是一个接近定温过程的多变在一定的压缩比下，对应一个*小的喷嘴出口面积，所推导出的喷嘴出口面积计算公式可用于确定*小的喷嘴出口面积的大小和进行变工况分析。