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单螺杆和双螺杆仅一字之差，很容易让人联想到系出同门，误以为单螺杆与双螺杆是“近亲”。但实际上这两种类型的压缩机无论是原理还是结构，都有非常明显的不同。两者只是在成套后的结构、布局和工作流程上大体相同，而且在产品的应用范围上高度重叠，互为竞争机型。
单螺杆压缩机的雏形来自于蜗杆传动装置。1960年，法国人辛麦恩（Zimmern）在此基础上提出了单螺杆的具体结构。1962年试制出第一台样机，该机转速为5000r/min、功率7.46kW，经受了1000小时以上的寿命考验。
单螺杆压缩机，顾名思义，相对于双螺杆压缩机，单螺杆压缩机只有一根螺杆，其螺杆同时与两个或两个以上的星轮啮合。螺杆型面、星轮端面、螺杆两端盖板共同围成若干封闭容积，实现气体的压缩。
螺杆和星轮根据其外形可分为圆柱形（C）和平面形（P），这两种类型可组合成如图3-112所示4种形式的单螺杆压缩机：CP形、PC形、PP形、CC形。
图3-112 几种单螺杆压缩机结构
CP形是最常见的单螺杆压缩机形式，我们在以下的讲解中也仅以此种形式的单螺杆压缩机为例。
CP形单螺杆压缩机（见图3-113）的结构：由一个圆柱螺杆和两个对称分布的平面齿轮组成啮合副，装在机壳内。螺杆螺槽、机壳（气缸）内壁和星轮齿构成封闭容积。机壳上除了进、排气孔口外，与双螺杆机类似，还开有喷液口，将油、水或制冷液喷入工作腔内，起到密封、冷却、润滑的作用。
图3-113 单螺杆压缩机结构图
此外，单螺杆压缩机主机还有机壳、星轮支架及轴承等部件。在制冷压缩机中，通常还有滑阀用于调节压缩机的排气量。
两个星轮片将螺杆齿槽分为上、下两个区域，上、下两个区域的压缩腔分别同步、对称的实现压缩机进气、压缩和排气。
按照机械原理，单螺杆压缩机中，螺杆、星轮啮合副相当于一对蜗轮、蜗杆。螺杆相当于一根齿槽更深的多头蜗杆，星轮则相当于厚度更薄、齿更长的蜗轮。
单螺杆压缩机在工作的时候，在星轮齿表面、螺杆齿槽表面和机壳的内表面共同组成了一个基元容积。
如图3-114所示，如果将一台单螺杆压缩机的机壳沿水平剖开，我们就可以看到，星轮齿面、螺杆齿槽面和气缸内壁面的位置分布，同时也能在气缸的内壁面看到压缩机的三角形排气孔。
图3-114 单螺杆压缩机机头啮合图
常见的单螺杆压缩机有6个螺槽，星轮设置有11个星轮齿，相当于有6个气缸。每个星轮齿将齿槽分隔成上、下两个空间，各自实现压缩机的工作过程。因此，工程上可将单螺杆压缩机视为一台 6 缸双作用的活塞机，螺杆每旋转一周相当于12个气缸在工作。
动力传到螺杆轴上，由螺杆带动星轮旋转。气体（工质）由吸气腔进入螺槽内，经压缩后通过排气腔和排气孔口排出。星轮的作用相当于往复活塞压缩机的活塞，当星轮齿在螺槽内相对运动时，封闭容积逐渐减小，气体受到压缩。
因为两个星轮对称布置，将螺杆齿槽划分为上、下两个对称的区域，且基元容积的工作过程也是对称的，所以只分析一侧的基元容积就可以了解压缩机的压缩过程了。单螺杆压缩机的工作流程图如图3-115所示。
图3-115 单螺杆压缩机的工作流程图
1.吸气过程
图3-115中星轮A对应的基元容积a、b所示，当螺杆转动的时候，齿槽逐渐与星轮B的齿槽脱离，同时，齿槽内的基元容积的体积逐渐增大，基元容积处于进气状态，待基元容积C所示的位置，齿槽完全脱离星轮B，而且星轮A的星轮齿将啮入齿槽，与其组成封闭容积，这就完成了吸气过程。
2.压缩过程
形成封闭容积后，螺杆继续转动，星轮随着螺杆转动，星轮齿在螺杆齿槽内推进，所形成的封闭容积将逐渐缩小，实现压缩过程。当工作容积开始与排气孔口连通时，压缩过程结束。
3.排气过程
当基元容积与设置在气缸内壁面上的排气孔口连通后，基元容积继续减小，被压缩的气体由排气孔口排出至排气管道，直至星轮齿脱离齿槽，完成排气过程。
一般吸气结束时，基元容积的体积处于最大值，在压缩过程中，容积逐渐缩小，基元容积内气体的压力逐渐上升，排气孔口的位置是根据基元容积内气体压力达到排气压力时的位置设计的。使基元容积内气体压力刚好达到排气压力时与排气孔口连通，被压缩气体将由排气孔口排出压缩机。
在这里探讨单螺杆压缩机的设计参数并非为了学习压缩机设计，而是通过对压缩机设计参数的了解，从而更深入地理解单螺杆压缩机的某些特性。
1.螺杆头数和星轮齿数
螺杆头数指的就是螺杆由几组独立的螺纹构成。比如，最常见的就是 6个独立螺纹，螺杆头数就是6。星轮齿数的意思毋庸多言，常见为11齿。这主要是在设计上需要考虑容积利用率、螺杆头数和星轮齿数互质、对称结构、压比、系列化等因素，综合权衡的结果。
（1）容积利用率。希望同样气量的压缩机其主机体积小。而螺杆头数越多，螺杆齿槽越多，齿肋占据的空间就越大，容积利用效率就越低，因此螺杆头数不能过多。
（2）螺杆头数与星轮齿数应互质。这是为了工作过程中或者说啮合过程中，星轮齿和螺杆齿槽会交替啮合，不会出现仅一个固定的星轮齿和仅一个固定的螺杆齿槽啮合的情况。这样，如果有个别齿的分度精度不高，可以使个别齿在交替啮合过程中将超差部分磨损，使啮合过程平稳。
另外，重要的一点是这种设计使安装变得简单。因为安装时不需要让星轮齿和特定的螺杆齿槽啮合。当然，随着加工精度的提高和一些特殊应用的需求，个别公司也采用了不互质的齿数，并将星轮齿的宽度分组设计成多个尺寸，但这种产品市场上很少见。
（3）处于对称结构的需要。为了使单螺杆压缩机有良好的力平衡性，螺杆头数应当是偶数。这样的对称布置，星轮将把螺杆齿槽分成上、下两个区域，上、下两侧的基元容积的工作过程是对称的，如果不是偶数则无法均分对称。螺杆每转动约180°完成与一个星轮齿轮的啮合。
2.齿数比
星轮齿数和螺杆头数的比值，通常称为齿数比。齿数比的设置受压比因素的影响最大。为什么在实际工程中，以11∶6的齿数比最多呢？这是因为，压比越大，应采用的螺杆头数就越多，齿槽越多，在相同进、排气压力条件下，相邻齿槽之间的压差越来越小，这意味着泄漏也将越来越小。所以，压比大时，增加螺杆头数有助于减少基元容积之间的泄漏，提高效率。（这和容积利用率是矛盾的，因此，工程上的设计往往是相互妥协综合权衡的结果）。如表3-3所示，不同组合的齿数比适应的压比。
表3-3 不同组合的齿数比最优压比
从上表可以看出，适合空气压缩用途的最优压比是 11∶6，而空气压缩是单螺杆压缩机的主要用途，因此，市场上 11∶6 就成了主流的齿数比。采用这种齿数比的单螺杆压缩机涵盖了5～14的压比，因此在有些压比下，11∶6齿数比并不是最优。这主要是制造商出于产品系列化成本因素的考虑。
3.螺杆和星轮的直径
螺杆和星轮的直径大小取决于压缩机的排量，一般排量越大，螺杆和星轮的直径越大。实际工程中，一般螺杆和星轮的直径大致相等，适当增大星轮直径可以提高容积利用率，通常取直径比为1～1.1。实际工程中，往往用调节星轮直径的方式对压缩机的排气量进行微调，以减少压缩机的型号，降低产品系列化的生产成本。
4.星轮厚度
星轮的厚度一般要求满足强度和密封要求，取决于星轮的材料。目前，星轮大多数采用PEEK工程塑料，也有采用金属材料。采用PEEK材料的星轮厚度为6～10mm，采用金属材料的厚度可以更低。
星轮其主要作用是起密封作用。另外，运转过程中的受热膨胀，以及受到的剪切力和机械摩擦力，使其必须膨胀系数小且兼顾刚性和耐磨性，目前的星轮寿命从几千到上万小时不等。
喷油单螺杆压缩机系统组成除压缩主机不一样外，其他和双螺杆喷油压缩机几乎完全相同，如图3-116所示。
单螺杆压缩机自20世纪60年代发明后，70年代主要用作喷油空气压缩机，80年代技术真正成熟后，应用范围才日渐扩大。单螺杆压缩机虽比双螺杆压缩机问世晚数十年，但因其性能优异，应用领域重叠，成为双螺杆压缩机最具竞争力的对手。以下以CP型单螺杆压缩机为例，介绍该机型的特点。
图3-116 喷油单螺杆空气压缩机的系统组成
1.结构合理，具有理想的力平衡性
（1）螺杆体受力情况分析。螺杆受到的径向、轴向气体力自动平衡。因为两个星轮片将螺杆齿槽分成了上、下两个对称的区域，且螺杆齿槽为偶数，一般为6个，所以单螺杆压缩机上、下侧的基元容积是对称、同步出现的，且工作过程一般也是对称和同步的。
如图3-117所示，螺杆表面受到的径向气体力上下两侧相互平衡、抵消。在轴向，螺杆的排气端一般设有圆柱形的密封段，少量的压缩气体会泄漏至排气端。在机壳上，一般设置有通气孔，将泄漏到排气端的少量气体引到压缩机的进气口，重新吸入基元容积。这样，螺杆进、排气端的轴向气体力也是自动平衡的。
图3-117 单螺杆压缩机径向、轴向力自动平衡示意图
螺杆齿槽内气体的作用力在轴向前、后平衡；周向对螺杆形成扭矩，该扭矩实际就是压缩机工作时，被压缩气体对螺杆轴形成的轴力矩。
（2）星轮体受力情况分析。星轮齿同时有多个齿与螺杆齿槽处于啮合状态，每个齿上受到的气体力大小不等，虽然在压缩后期和排气阶段气体压力升高，但星轮齿的受力面积减小，因此，单螺杆压缩机星轮所受的气体力是很小的，只有活塞压缩机或双螺杆压缩机的1/30左右（见图3-118）。
图3-118 单螺杆压缩机啮合示意图
对单螺杆压缩机的受力特征进行简单的总结，可以发现：螺杆轴向、径向的气体力自动平衡，螺杆轴承只需承受螺杆自重。而星轮所受的气体力很小。应该说，单螺杆压缩机的力平衡性是其最大特点。
2.单螺杆压缩机的的其他特点
基于单螺杆压缩机的工作原理分析，单螺杆压缩机还具有如下这些特点。
（1）单机容量大，无余隙容积。螺杆每转一周，每一个螺槽均使用两次，螺槽被充分利用。螺杆螺槽深度随着压缩腔的压力升高而减浅，排气结束，星轮脱离啮合时，深度为零，理论上不存在余隙容积。
（2）高速轻载，易建立流体动力润滑。因为螺杆和星轮的轴垂直，螺杆和星轮相对旋转时，星轮齿在螺槽内与螺槽侧面的相对运动是滑动，与双螺杆压缩机阴、阳转子表面间相互滚动不同，这种滑动润滑更容易建立流体动力润滑。
（3）泄漏三角形小，效率高。在20世纪60年代研制的第一台单螺杆压缩机就比当时的双螺杆压缩机的效率高出了6%～7%。理论上，单螺杆压缩机比双螺杆压缩机的效率高3%～5%。
从GB 19153—2019对喷油单、双螺杆做了合并按统一的能效标准执行，可以推断出，单螺杆结构虽然理论上效率会高一些，但实际产品还取决于各制造商对加工精度、工艺和材料的把握。因此，市场上两者的效率很难说谁高谁低。
单螺杆：在1500～3000r/min效率最高；
双螺杆：在3000～6000r/min效率最高。
（4）结构紧凑，主机体积小。每个齿槽一转工作两次，空间利用率高。相对回转式压缩机来说，尺寸可以更小。
（5）加工要求高。单螺杆压缩机的螺杆与星轮轴相互垂直，啮合副与机壳的几何形状和相互配合位置的精度要求高，要求的加工精度高，一般是专用设备加工。
（6）压力范围。星轮齿与螺杆齿槽之间，螺杆齿槽和气缸内壁之间均为间隙密封，因此，单螺杆压缩机一般不适于高压领域，目前的单螺杆压缩机排气压力都在6MPa以下。
（7）运动部件较多。单螺杆空气压缩机有3个旋转轴，而且螺杆和星轮的刚性相差较大，运动中受热膨胀系数不同，易变形不均匀，因而相互啮合精度要求较高。
3.单、双螺杆压缩机比较
因为单螺杆压缩机和双螺杆压缩机的应用领域和使用工况有较大范围的重叠，而且两种压缩机的系统相似，有必要对这两种压缩机进行对比。
（1）应用 双螺杆压缩机相对应用更丰富。比如，双螺杆压缩机既可以做成喷油，也可以做成干式无油，还能做成水润滑。而单螺杆压缩机因为两根轴垂直，很难提高转速，目前还不能制作成干式无油。
（2）力平衡性 图3-119所示，单螺杆压缩机的力平衡性要更好一些。单螺杆压缩机的螺杆承受的径向和轴向气体力可以自动平衡，星轮齿承受气体力也并不是很大，总体而言，其轴承成本比较低。而双螺杆压缩机承受较大的径向和轴向气体力，增加了轴承设计的难度和成本。
图3-119 单螺杆、双螺杆压缩机受力分析
（3）效率 单螺杆压缩机的星轮齿和螺杆齿槽之间相对滑动，双螺杆压缩机的阴、阳转子之间相对滚动。单螺杆压缩机在中速范围（1500～3500r/min）的效率较高，双螺杆压缩机则在更高转速下（3000～7000r/min）的效率较高。但是在目前的市场中，因为单螺杆压缩机的螺杆型线问题，随着运行时间增加，单螺杆压缩机的星轮磨损不可避免，将导致气量衰减、效率降低。
（4）可靠性 因为单螺杆的受力平衡性好，所以对轴承的要求较低，轴承的寿命长。而双螺杆压缩机的轴承需要承受较大的负荷，对轴承要求较高，轴承寿命相对短一些。
但单螺杆压缩机的星轮齿容易磨损，是易损件，需要定期更换，而且对星轮材料有较高要求。而双螺杆压缩机没有其他易损件，无故障运行时间较长。目前星轮寿命已能超过 1万小时，且无须将机头拆卸下来就能更换，相较双螺杆更换轴承要容易得多。如视星轮为易损件，则单螺杆的运行可靠性要高得多。
（5）噪声和振动 也是由于单螺杆压缩机的力平衡性好，因此振动小、噪声低，一般为60～68dB（A）。而双螺杆压缩机的力平衡性相对差一些，金属螺杆啮合时有高频噪声，一般为64～78dB（A）。
（6）加工设备 两种压缩机的核心部件都需要采用专用机床加工，就目前国内情况而言，单螺杆压缩机的加工基本采用车削加工，机床成本低，加工速度慢。而双螺杆压缩机已有成熟的螺杆专用铣床和磨床，且几乎均为进口，加工质量和速度均比较高。如6m 3 单螺杆的螺杆加工可能需要几个小时，而同样排量的双螺杆压缩机转子约20分钟就可以完成精加工。单螺杆压缩机的加工设备投入成本低，但加工成本高；双螺杆压缩机的加工设备投入成本高，但加工成本低。
（7）维修便利性 单螺杆压缩机考虑星轮更换方便，通常主机机壳采用整体结构，星轮侧开有窗口，可在不拆螺杆的情况下直接更换星轮，方便维修更换。而双螺杆压缩机更换轴承时需要打开机壳，并且更换轴承后，转子安装精度要求高，需要相当高的专业水平。
（8）适用性
① 压力方面 单螺杆压缩机受力完全平衡，能在较高压力下工作（通常＜6MPa）。如水润滑无油空气压缩机中的吹瓶气压缩机、工艺气压缩机、制冷压缩机和天然气压缩机等。美国海军认为对于高压无油压缩机而言，单螺杆压缩机是唯一的选择。而双螺杆压缩机由于受到转子刚度和轴承负荷等方面的限制，只适用于中、低压范围，如动力用空气压缩机、制冷压缩机和低压天然气压缩机等，排气压力一般不超过4.5MPa。
② 无油方面 单螺杆压缩机的螺杆与星轮是接触式密封，更容易实现低转速下的无油。双螺杆转子间无油润滑下无法直接啮合，为滚动接触，所以需要很高的转速（通常在 1万转以上）以便提高密封性，但效率仍然较低，而且对轴承是巨大的考验。当采用水润滑后，单螺杆相比双螺杆更容易实现。
单螺杆压缩机有其鲜明的结构特点和优势，那么单螺杆压缩机在哪些领域应用是合适的？特别是面对新的工业应用领域需求的时候，更需要从原理和特征来分析是否合适。
总体上，单螺杆压缩机适用于中、低压和中、小流量的空气动力、工艺气体压缩和制冷等领域。
（1）单螺杆压缩机的第一大工业应用是喷油空气压缩机。单级压缩时，排气压力覆盖0.3～1MPa，容积流量1～60m 3 /min。两级压缩时最高可达4MPa以上。单螺杆喷油空气压缩机的系统构成与双螺杆喷油空气压缩机基本相同。
但是，我国喷油双螺杆压缩机的生产技术和生产设备已非常完备，规模效应大大降低了双螺杆的制造成本。再加上单螺杆喷油压缩机在实际应用中并没有表现出很大的优势。所以，目前来看，喷油空气压缩机中，单螺杆对双螺杆形成有力竞争仍有难度。
小贴士
在国内没有引进双螺杆专用加工设备之前，国内市场几乎都是国外品牌。国产品牌无论从质还是量上，差距都非常大，彼时双螺杆国产企业大多是进口机头再组装，售价自然很高。故当时（2000年前后）出现了一波国产单螺杆压缩机的小高潮，目前市场上的单螺杆制造企业大多是那时候发展起来的。
（2）单螺杆压缩机的第二大工业应用是喷水空气压缩机，也称水润滑无油单螺杆压缩机，是目前单螺杆压缩机的重点应用方向，且相对其他无油机型具有较大优势。
*请注意：市场上所称的水润滑无油螺杆压缩机通常指的是喷水单螺杆压缩机。而喷水双螺杆压缩机，能够生产的厂商很少，且均为国外品牌，产品竞争力不强。
实际上，世界上第一台单螺杆压缩机就是喷水单螺杆压缩机。水润滑单螺杆压缩机的压力和流量范围和喷油单螺杆压缩机基本一致。
水润滑单螺杆压缩机需要设置自动补水、排水和换水装置，原因是用于空气压缩时吸入空气都是有湿度的，当吸入空气湿度高时，空气中的水分有可能凝结留在系统。吸入空气湿度低时，又会消耗系统的循环水量。当然，这和压缩机的排气温度有关，这方面的知识在之前的内容中已经阐述清楚。排气温度高时，水润滑单螺杆带走的水分多；排气温度低时，带走的水分少。
因此，水润滑单螺杆空气压缩机的排气温度一般在60℃左右。水润滑单螺杆压缩机的另一个技术特点是轴承可以采用水润滑轴承。目前，两级压缩的喷水单螺杆空气压缩机已经逐渐开始推广开来，排气压力覆盖2～4MPa。市场应用主要是吹瓶气，用于替代传统往复式无油压缩机，相对体积小、噪声小、维护周期长、维护成本低的优点使其具有很大的竞争优势。
（3）单螺杆压缩机的第三大工业应用是工艺气压缩机，目前开发的单级喷水单螺杆工艺压缩机，单级压比可达20。
（4）单螺杆压缩机的第四大工业、民用应用是制冷压缩，除了一般单螺杆制冷压缩机，在低温热泵领域，特别是煤改电市场的应用已初见成效。目前，单级压缩中间补气的准二级压缩单螺杆压缩机的效率已经与两级压缩中间补气的双螺杆压缩机的效率平齐。
（5）除了以上应用外，单螺杆压缩机在蒸汽压缩、燃料电池空气压缩等领域值得期待。在膨胀机领域，单螺杆压缩机也有不错的前景，目前是热点的研究方向。