本质上二级压缩就是把一级压缩转子和二级压缩转子组合在一个机壳内，并分别通过斜齿轮直接传动。自然空气通过空气过滤器进入第一级压缩，在压缩腔与少量润滑油混合，同时将混合气体压缩到级间压力。压缩后的气体进入冷却通道，与大量油雾接触，从而大大降低了温度。降温后的压缩气体进入第二级转子，进行二次压缩，被压缩到最终排气压力。最后通过排气法兰排出压缩机，完成整个压缩过程。
根据工程热力学理论，空压机在压缩过程中等温压缩最省功。（温度高的时候气体的密度越低，压缩需要用的功就多）。不仅如此，等温压缩不但可以减少消耗的功，还能降低压缩后气体的温度，使空压机材料的使用更为宽广和经济，使空压机的运行更为可靠。但是等温压缩，就要使气体热量随时与外界交换，气体温度与外界相等，在实际工作中是不可能实现的。而通过分级压缩加中间冷却是降低排气温度的有效方法。
另外，两对转子同时做功，打气速度快，出气量大，这点是单级无可替代的优势。而且由于双级压缩，每级的压缩比较单极压缩要小很多，转子和轴承受到的压力小，再加上转子直径大、转速低，所以运行更可靠。
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