關(guān)于無油工藝螺桿壓縮機實際吸氣量的研究

劉常峰，趙遠揚，楊啟超，張泉明，黃杰勤

（1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海200072；2.合肥通用機械研究院壓縮機技術(shù)國家重點實驗室，安徽合肥230031）

關(guān)于無油工藝螺桿壓縮機實際吸氣量的研究

劉常峰1，趙遠揚2，楊啟超2，張泉明1，黃杰勤1

（1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海200072；2.合肥通用機械研究院壓縮機技術(shù)國家重點實驗室，安徽合肥230031）

針對螺桿壓縮機氣缸內(nèi)泄漏及軸封結(jié)構(gòu)對實際吸氣量影響很大的問題，搭建了無油工藝螺桿壓縮機性能測試實驗臺，并在壓縮機性能測試實驗臺上，進行了變排氣壓力、變噴液量和變轉(zhuǎn)速實驗，得到了排氣壓力、噴液量以及轉(zhuǎn)速對平衡管回流量、氣缸內(nèi)泄漏以及吸氣量的影響關(guān)系曲線。研究結(jié)果表明：一般情況下，隨著噴液量的增加，吸氣量先快速增加后趨近于一個定值；隨著排氣壓力的增加，壓縮機的吸氣量減小；隨著轉(zhuǎn)速的增加，壓縮機的吸氣量增加。該結(jié)果為合理設(shè)計壓縮機轉(zhuǎn)速、噴液量提供指導(dǎo)。

螺桿壓縮機；吸氣量；內(nèi)泄漏；平衡管

1　引言

隨著無油工藝螺桿壓縮機的發(fā)展，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和參數(shù)的合理匹配是壓縮機技術(shù)發(fā)展的主要方向。吸氣量是壓縮機的重要參數(shù)之一，如果實際吸氣量偏小，將會影響產(chǎn)品產(chǎn)量以及產(chǎn)品質(zhì)量，而實際吸氣量過大，又會造成用戶采購成本以及運營成本的浪費，甚至影響機組可靠性能。因此，能夠準確的得到壓縮機的吸氣量將在壓縮機設(shè)計選型和工程實際中發(fā)揮重要作用［1-2］。

影響無油螺桿壓縮機實際吸氣量的因素有很多，既包括如轉(zhuǎn)子型線類型、吸氣孔口位置、泄漏三角形面積、轉(zhuǎn)子嚙合間隙，以及齒頂配合間隙等壓縮機結(jié)構(gòu)參數(shù)，也包括如壓縮機噴液量、轉(zhuǎn)速、排氣壓力、排氣溫度等工況參數(shù)［3-6］。

本文針對同一樣機，對影響無油螺桿壓縮機實際吸氣量的工況參數(shù)進行了研究。首先，通過分析壓縮機吸氣過程，得到計算實際吸氣量的表達式［7-9］；其次，搭建了無油工藝螺桿壓縮機實驗測試平臺，對不同工況下實際吸氣量表達式中各計算量進行了實驗測量［10］；再次，分析試驗結(jié)果，得出了壓縮機噴液量、轉(zhuǎn)速以及排氣壓力對吸氣量的影響規(guī)律；最后，得出一般性結(jié)論，為工程實際提供指導(dǎo)。

2　理論分析

螺桿壓縮機屬于容積式壓縮機，其理論吸氣量僅與壓縮機結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運行轉(zhuǎn)速有關(guān)，計算式見公式（1）

其中Cφ——扭角系數(shù)

Cn1——面積利用系數(shù)

n——陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min

λ——轉(zhuǎn)子長徑比

D1——陽轉(zhuǎn)子半徑，m

壓縮機實際運行時，實際吸氣量與理論吸氣量存在一定差別，該差別主要與氣缸內(nèi)的氣體泄漏情況有關(guān)，同時也與軸封系統(tǒng)的運行情況有關(guān)［5］。理論分析如下：

（1）氣缸內(nèi)泄漏：螺桿壓縮機氣缸內(nèi)各齒間容積壓力不等，高壓側(cè)的氣體向低壓側(cè)泄漏，直接或間接回到壓縮機吸氣腔，泄漏通道包括接觸線，泄漏三角形，轉(zhuǎn)子齒頂間隙以及轉(zhuǎn)子排氣端面間隙。影響氣缸內(nèi)泄漏量大小的因素有很多，既包括轉(zhuǎn)子尺寸、轉(zhuǎn)子型線、轉(zhuǎn)子材質(zhì)以及配合間隙等幾何參數(shù)，也包括運行轉(zhuǎn)速、吸排氣壓力、噴液量以及氣體組分等運行工況參數(shù)。

（2）軸封結(jié)構(gòu)：無油工藝螺桿壓縮機在陰、陽轉(zhuǎn)子的吸、排氣端各配置一套軸封裝置，軸封裝置一般包括主密封、前置密封以及平衡用密封（參見圖1虛線框內(nèi)部分）。主密封采用機械密封或者干氣密封，泄漏量很少，其影響可以忽略；前置密封采用碳環(huán)密封或者迷宮密封，吸氣端前置密封泄漏氣直接進入壓縮機入口，排氣端前置密封泄漏氣經(jīng)平衡管間接回到壓縮機入口；平衡用密封采用碳環(huán)密封或者迷宮密封，泄漏介質(zhì)為帶液介質(zhì)氣，通過平衡管回到壓縮機入口。

可見，氣缸內(nèi)泄漏、平衡用密封氣回流以及前置密封氣進入吸氣端是導(dǎo)致實際吸氣量減小的直接原因。當(dāng)然需要強調(diào)的是，上述3路氣流不僅以占用容積的方式直接地減小實際吸氣量，而且由于其溫度通常高于壓縮機入口溫度，導(dǎo)致壓縮機吸氣腔內(nèi)溫度高于吸氣管道內(nèi)的溫度，因此還以降低密度的方式進一步減小實際吸氣量。

本文為了分析方便，給出以下基本假設(shè)：

（a）吸氣腔內(nèi)溫度、壓力處處相等；

（b）吸氣腔壓力等于環(huán)境大氣壓力；

（c）忽略壓縮機入口水的蒸汽壓對吸氣量的影響；

（d）忽略平衡管回流中含液情況對吸氣量的影響。

另外規(guī)定，以吸氣腔的溫度、壓力作為參考狀態(tài)，后文中出現(xiàn)的實際吸氣量、氣缸內(nèi)泄漏量、平衡用密封氣回流量以及吸氣端密封氣泄漏量，如無特殊說明，其大小均指在此參考狀態(tài)下?lián)Q算得出的。

結(jié)合以上分析、假設(shè)和規(guī)定，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，即可得出式（2）

其中Q理論——壓縮機理論吸氣量/m3·min-1

Q實際——通過壓縮機入口管道的實際吸氣量/m3·min-1

Q吸端密封氣——指吸氣端密封氣泄漏量/m3·min-1

Q平衡管——平衡管回流氣量/m3·min-1，包括了平衡用密封泄漏量以及排氣端密封氣泄漏量

Q內(nèi)泄漏——指氣缸內(nèi)泄漏至吸氣腔的氣量/m3·min-1

由式（2）得出壓縮機實際吸氣量的計算公式（3）

可見，壓縮機實際吸氣量與理論吸氣量的差值，即為吸端密封氣泄漏量、平衡管回流量以及氣缸內(nèi)泄漏量三者之和。

其中，平衡管回流與氣缸內(nèi)泄漏的理論計算涉及兩相流模型，不僅建模難度極大，而且相關(guān)邊界條件的設(shè)定也缺乏依據(jù)，難以保證計算精度。因此，為了準確的得到三者與吸氣量之間的關(guān)系，需要通過實驗測量進行分析，故本文搭建無油工藝螺桿壓縮機性能測試實驗臺，對相關(guān)問題進行實驗研究。

圖1　實驗臺流程圖

3　實驗研究

3.1實驗裝置

本文搭建的無油工藝螺桿壓縮機性能測試實驗臺，其設(shè)計完全參考工程實際，采用的壓縮機是轉(zhuǎn)子直徑為204 mm的無油工藝螺桿壓縮機，實驗裝置流程圖如圖1所示。

由圖1可以看出，孔板流量計安裝在吸氣管路上，用于測量入口狀態(tài)下的實際吸氣量，吸氣管路與大氣連通；排氣閥安裝在氣液分離器后，用于調(diào)節(jié)壓縮機排氣壓力；主電機為變頻電機，可以連續(xù)調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速；浮子流量計安裝在壓縮機入口噴液管路上，用于測量噴液量。另外，在螺桿壓縮機陰、陽轉(zhuǎn)子的吸、排氣端各配置一套軸封裝置。實驗臺的實物圖如圖2所示。

3.2實驗測量方法及內(nèi)容

本文搭建的實驗臺主要目的是對吸端密封氣泄漏量、平衡管回流量以及氣缸內(nèi)泄漏量進行測量分析，從而得出不同工況對壓縮機實際吸氣量的影響。

3.2.1吸端密封氣泄漏量的測量

吸端密封氣的流量是可以直接測量的，通過在密封氣管道上布置一個浮子流量計，測得壓縮機吸端密封氣的泄漏量。

3.2.2平衡管回流量的測量

平衡管內(nèi)的回流可以看成兩路氣流匯聚而成，一路是來自排氣端的密封氣，另一路是來自平衡用密封的帶液介質(zhì)氣。在轉(zhuǎn)速、排氣壓力、噴液量大小有所變動時，平衡管內(nèi)的壓力、溫度以及含液比例也會隨之發(fā)生變化，因此很難找到合適的流量儀表對平衡管內(nèi)的氣量進行測量。為此，本文采取對比實驗的方法，對平衡管回流量進行間接測量。

圖2　實驗裝置圖

由前文可知，如果把平衡管直接放空，而不接回到壓縮機入口，那么平衡管的回流量就沒有回到壓縮機入口，此時實際吸氣量的計算公式變?yōu)槭剑?）

由于平衡管放空對吸氣端密封氣泄漏的影響很小，因此將平衡管放空后，其實際吸氣量必然大于此前測量的實際吸氣量，而兩者的差值，即為平衡管回流量的大小。

3.2.3氣缸內(nèi)泄漏量的測量

由于無油螺桿壓縮機的內(nèi)泄漏通道較為復(fù)雜，而且壓縮機運行時，泄漏通道的結(jié)構(gòu)幾何特性與兩側(cè)氣體狀態(tài)都是時刻變化的，因此，理論上無法對氣缸內(nèi)泄漏至吸氣腔的氣量進行直接而精確地測量。為此，將式（4）進行等式變換得到式（5）

因此，只需測得平衡管放空時的實際吸氣量，利用式（5）就可以對氣缸內(nèi)泄漏量進行測量。

4　實驗結(jié)果及分析

4.1實驗結(jié)果

4.1.1吸端密封氣泄漏量

以壓縮機轉(zhuǎn)速3600 r/min、排氣壓力0.3 MPa、噴液量1 t/h時的工況為例，調(diào)節(jié)前置密封進氣壓力至0.05 MPa，調(diào)節(jié)干氣密封進氣壓力至0.1 MPa，使用浮子流量計，測量此時吸氣端密封氣泄漏量約為0.38 m3·min-1。分別改變壓縮機轉(zhuǎn)速，排氣壓力、噴液量，發(fā)現(xiàn)儀表讀數(shù)并未發(fā)生明顯變化，而提高吸氣端密封的充氣壓力時，密封氣泄漏量明顯增加。

由此可見，吸氣端密封氣的泄漏量與壓縮機轉(zhuǎn)速、排氣壓力以及噴液量關(guān)系不明顯，而充氣壓力對其有明顯影響。上述結(jié)論符合碳環(huán)密封的工作特性。

4.1.2平衡管回流量

以壓縮機轉(zhuǎn)速3600 r/min為例，通過實驗，測到不同排氣壓力條件下平衡管回流量關(guān)于噴液量的變化曲線，如圖3所示。

由圖可知，排氣壓力和噴液量對平衡管回流量的影響較為明顯。

圖3　平衡管回流量變化曲線

（1）在相同的排氣壓力下，噴液量越大，平衡管回流量越小，以排氣壓力0.2 MPa為例，當(dāng)噴液量小于0.75 t/h時，隨著噴液量的增加，平衡管回流量快速減小，而噴液量繼續(xù)增加時，平衡管回流量減小速度緩慢。

（2）在相同的噴液量下，排氣壓力越大，平衡管回流量越大，并且噴液量越小，排氣壓力對平衡管回流量的影響越明顯。例如，噴液量為0.5 t/h時，排氣壓力每增加0.1 MPa，平衡管回流量減小0.4 m3/min，而噴液量為2.5 t/h時，排氣壓力每增加0.1 MPa，平衡管回流量減小0.1 m3/min。

4.1.3氣缸內(nèi)泄漏量

以轉(zhuǎn)速3600 r/min為例，測得不同排氣壓力條件下氣缸內(nèi)泄漏至吸氣腔的氣量關(guān)于噴液量的變化曲線，如圖4所示。

圖4　氣缸內(nèi)泄漏流量變化曲線

由圖可知，內(nèi)泄漏量受排氣壓力與噴液量的影響較為明顯。在相同的的噴液量下，排氣壓力越高，內(nèi)泄漏量越大；在相同排氣壓力下，噴液量越小內(nèi)泄漏越大，以排氣壓力0.2 MPa為例，當(dāng)噴液量小于1.0 t/h時，隨著噴液量的增加，內(nèi)泄漏量快速減小，而噴液量繼續(xù)增加時，內(nèi)泄漏量減小緩慢。

4.2影響實際吸氣量的綜合分析

分析以上實驗結(jié)果可以看出，氣缸內(nèi)泄漏量約為平衡管回流量的4倍，約占理論氣量的25%～45%，而吸氣端前置密封氣的流量較小，其影響可以忽略。

事實上，轉(zhuǎn)速對平衡管回流量以及內(nèi)泄漏量也是有一定影響的。因為噴液量不變時，轉(zhuǎn)速越高，氣缸及排氣腔內(nèi)的含液比例越小，導(dǎo)致平衡管回流以及氣缸內(nèi)泄漏的流量越大；另外，轉(zhuǎn)速增高，轉(zhuǎn)子與殼體的相對滑移速度增加，也會導(dǎo)致氣缸內(nèi)泄漏量的增加。

可見，轉(zhuǎn)速的增加不僅提高了理論吸氣量，同時也提高了平衡管回流量和氣缸內(nèi)泄漏量。因此，無油工藝螺桿壓縮機噴液運行時，轉(zhuǎn)速對實際吸氣量的影響既有正面因素，也有負面因素。根據(jù)目前實驗結(jié)果的統(tǒng)計來看，絕大多數(shù)情況下吸氣量隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，并且近似成線性關(guān)系。

下面以若干工況下的轉(zhuǎn)速實驗結(jié)果為參考，對壓縮機的實際吸氣量進行綜合分析，如圖5所示。

圖5　吸氣量隨轉(zhuǎn)速的變化曲線

由5圖可以看出：

曲線1：理論吸氣量，與壓縮機的排氣壓力、噴液量大小無關(guān)，對于同一臺壓縮機，僅與轉(zhuǎn)速成正比。

曲線2：排氣壓力0.3 MPa，噴液量1 t/h，可見吸氣量明顯低于理論吸氣量，兩者的差值即為吸端前置密封氣泄漏量、平衡管回流量以及氣缸內(nèi)泄漏量之和；另外，吸氣量隨轉(zhuǎn)速增加的速度低于理論吸氣量隨轉(zhuǎn)速增加的速度，這是由于轉(zhuǎn)速增加導(dǎo)致氣缸內(nèi)泄漏量和平衡管回流量增加引起的。

曲線3：排氣壓力0.3 MPa，噴液量0.25 t/h，可見吸氣量明顯低于曲線2，這是因為噴液量減小時，氣缸內(nèi)泄漏量與平衡管回流量增加。

曲線4：排氣壓力為0.2 MPa，噴液量為1 t/h，可見吸氣量明顯高于曲線2，這是因為排氣壓力減小，氣缸內(nèi)泄漏量與平衡管回流量減小。

曲線5：排氣壓力為0.2 MPa，噴液量為0，可見吸氣量明顯低于曲線4，并且平均斜率與曲線1十分接近。這是因為當(dāng)噴液量減小到0時，由于缺少液體的密封作用，氣缸內(nèi)泄漏量及平衡管回流量達到最大；另外，轉(zhuǎn)速改變對平衡管回流量幾乎沒有影響，而對內(nèi)泄漏量的影響也僅體現(xiàn)在滑移速度的變化（實驗間隔時間較短，忽略泄漏間隙的變化），因此相比于曲線2、3、4，曲線5與曲線1的斜率最為接近。

5　結(jié)語

本文搭建了無油工藝螺桿壓縮機性能測試試驗臺，對影響壓縮機實際吸氣量的因素進行了實驗研究和分析，研究結(jié)果表明：

（1）壓縮機實際吸氣量與理論吸氣量存在一定的差值，其中內(nèi)泄漏量所占比重最大，其次是平衡管回流量，密封氣泄漏量的影響可以忽略。

（2）在一定的排氣壓力下，噴液量越大，氣缸內(nèi)泄漏量及平衡管回流量越小，此時吸氣量越大，噴液量足夠大后，吸氣量基本保持不變。

（3）在一定的噴液量下，排氣壓力越低，氣缸內(nèi)泄漏量及平衡管回流量越小，此時吸氣量越大。

（4）轉(zhuǎn)速越高，內(nèi)泄漏量越大，同時吸氣量也越大，并與轉(zhuǎn)速呈近似線性增長關(guān)系。

根據(jù)以上結(jié)論，為工程設(shè)計人員提出以下建議：

（1）在對轉(zhuǎn)子直徑小于350 mm的壓縮機吸氣量進行計算校核時，平衡管回流量對實際吸氣量的影響明顯，不可忽略。

（2）計算氣缸內(nèi)泄漏量時，應(yīng)該充分考慮排氣壓力以及噴液量對計算結(jié)果的影響。

（3）合理設(shè)計噴液量。在保證排氣溫度不超標(biāo)的同時，適當(dāng)增加噴液量，不僅提高了吸氣量，而且減小了壓縮機的設(shè)計轉(zhuǎn)速，因此在節(jié)省功耗的同時，還可能省去增速箱的配置，從而減少采購、成套成本，同時也提高了機組運行的可靠性。

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Experimental Investigation on Practical Suction Flow Rate of Oil-free Process Screw Compressor

LIU Chang-feng1，ZHAO Yuan-yang2，YANG Qi-chao2，ZHANG Quan-ming1，HUANG Jie-qin1
（1.Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute，Shanghai 200072，China；2.State Key Laboratory of Compressor Technology，Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230031，China）

The internal leakage in cylinder and shaft seal system design has a significant impact on the suction flow rate of the oilfree screw compressor.A test rig was built to measure the exhaust pressure，liquid injection flow rate，rotating rate，backflow rate of balance pipe，internal leakage flow rate to suction and suction flow rate，in order to investigate the change role between them.The results showed that，with increase of liquid injection flow rate，the suction flow rate increased fast firstly and then increased to a constant value，with the increase of discharge pressure，the suction flow rate of compressor reduced，and with the increase of rotating rate，the suction flow rate of compressor increased.The results provide the guidance for rational designing liquid injection flow rate and rotating rate properly.

screw compressor；suction flow rate；internal leakage；balance pipe

TH455

A

1006-2971（2015）05-0034-06

劉常峰（1983-），男，工程師，主要從事螺桿壓縮機工作過程與性能研究。E-mail:13917239618@126.com

2014-10-27

國家自然科學(xué)基金項目（51406047）