氦氣噴油式螺桿壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)初步解決方案

金晶晶 胡忠軍 王炳明 李 青 龔領(lǐng)會(huì)

(1中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 北京 100190) (2中國科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190) (3中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

氦氣噴油式螺桿壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)初步解決方案

金晶晶1,2,3胡忠軍1,2王炳明1,2李 青1,2龔領(lǐng)會(huì)1,2

(1中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 北京 100190) (2中國科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190) (3中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

針對(duì)氦氣螺桿壓縮機(jī)容易泄漏、油氣換熱等關(guān)鍵技術(shù)問題，采用縮緊主機(jī)三大間隙及新型線開發(fā)、噴油霧化冷卻等技術(shù)，有效減少了轉(zhuǎn)子內(nèi)漏和流動(dòng)損失，提高了熱力學(xué)效率和可靠性。初步解決了氦氣分子量小帶來的極易泄漏以及絕熱指數(shù)高帶來的壓縮熱大的兩大技術(shù)難點(diǎn)。針對(duì)中型氦液化器常用機(jī)型，在噴油冷卻特性研究、轉(zhuǎn)子型線優(yōu)化、機(jī)組方案優(yōu)化等基礎(chǔ)上，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，獲得了接近國際先進(jìn)水平的容積效率和絕熱效率。

大型低溫 氦氣壓縮 噴油式螺桿壓縮機(jī) 型線

1 引 言

近年來，隨前沿科學(xué)的發(fā)展，大型低溫系統(tǒng)在大科學(xué)工程等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，規(guī)模越來越大。低溫系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，由于復(fù)溫和降溫需要一個(gè)較長恢復(fù)周期，整個(gè)大科學(xué)裝置將陷于癱瘓，后果通常比較嚴(yán)重。低溫系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)設(shè)備，主要是壓縮機(jī)和膨脹機(jī)，它們的可靠性在一定程度上決定了整個(gè)低溫系統(tǒng)的可靠性。和膨脹機(jī)一樣，壓縮機(jī)也是大型低溫系統(tǒng)的核心部件，其效率和壽命決定了整個(gè)大型低溫系統(tǒng)的基本性能。大科學(xué)裝置也曾經(jīng)出現(xiàn)過由于雷擊引起電網(wǎng)波動(dòng)造成氦氣壓縮機(jī)停車的故障。

自從美國費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室于1979年在“萬億電子伏特加速器(Tevatron)”低溫系統(tǒng)中引入噴油式氦氣螺桿壓機(jī)后，噴油螺桿壓縮機(jī)憑借著大容量、低振動(dòng)、高可靠性等優(yōu)勢(shì)，基本替代了活塞式等其它類型壓縮機(jī)在大型低溫工程中的應(yīng)用[1]。氦氣螺桿壓縮機(jī)通常是在空氣螺桿壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上通過特殊的改造設(shè)計(jì)制成。目前林德公司和法液空公司的氦液化器產(chǎn)品廣泛采用德國凱撒(KAESER)公司的系列化產(chǎn)品。掌握這種技術(shù)的還有美國壽力(SULLAIRCORP)、德國艾岑(AERZEN)、英國豪頓(HOWDEN)、日本前川(MYCOM)等。其中，一些非標(biāo)研發(fā)的凱撒機(jī)型，由于和林德等排他性協(xié)議，不對(duì)中國用戶單獨(dú)出口。即使允許出口到中國的產(chǎn)品，除了價(jià)格昂貴，還施行最終用戶的限制，禁止使用在航天、核技術(shù)、國防等應(yīng)用領(lǐng)域。這將嚴(yán)重制約和限制了中國大型低溫技術(shù)及其相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。近年來，中國已經(jīng)逐步成為全球螺桿主機(jī)的制造中心，國內(nèi)在制造的工藝裝備，精密的試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)施上與國外基本一致[2]。中國雖然擁有了國際上生產(chǎn)高質(zhì)量轉(zhuǎn)子的加工設(shè)備，但性能水平和制造質(zhì)量仍落后于國際同行，關(guān)鍵是設(shè)計(jì)技術(shù)跟不上。主機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，主要是轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)技術(shù)。因此，像氦氣介質(zhì)這樣技術(shù)含量高和對(duì)螺桿壓縮機(jī)有特殊要求的產(chǎn)品卻仍不能滿足國內(nèi)需求。

中國在氦螺桿壓縮機(jī)方面尚無成熟的產(chǎn)品提供，主要由于氦螺桿壓縮機(jī)的研制難度大，更重要的原因是與國外相比中國大科學(xué)工程的起步晚。早在1997年大型環(huán)模裝置KM6中曾經(jīng)有過氦氣螺桿壓縮機(jī)改制的先例，但是軸封泄漏、油路堵塞和油分效果等問題都沒有解決[3]。2003年武漢新世界制冷公司(今屬大連冰山)為中國科學(xué)院等離子所EAST項(xiàng)目改制了氦氣螺桿壓縮機(jī)，性能也不穩(wěn)定[4]。國內(nèi)外相關(guān)氦螺桿技術(shù)的研究，主要集中在實(shí)際運(yùn)行狀況熱力性能分析、節(jié)能優(yōu)化分析、噴油參數(shù)優(yōu)化研究等方面[5]，缺乏對(duì)轉(zhuǎn)子內(nèi)部泄漏規(guī)律等深層研究。理化所在國家重大科研裝備研制項(xiàng)目(一期)“大型低溫制冷設(shè)備研制”中，也開展了小型氦氣壓縮機(jī)樣機(jī)的研制工作[6]，整機(jī)效率仍然比國際水平低很多。進(jìn)一步研制具有中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能氦螺桿壓縮機(jī)意義重大。在國家重大科研裝備研制項(xiàng)目(二期)“液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)研制”實(shí)施過程中，理化所積極推進(jìn)聯(lián)合研發(fā)性能先進(jìn)的氦氣噴油式螺桿壓縮機(jī)。目前對(duì)型線、密封、噴油冷卻等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了初步技術(shù)突破。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在熱力性能和濾油性能等方面基本接近國際先進(jìn)水平，更好的適應(yīng)和滿足將來中國“積極牽頭實(shí)施大科學(xué)計(jì)劃和大科學(xué)工程”新形勢(shì)、新任務(wù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

氦的臨界溫度很低只有5.19 K，是自然界中最難液化的氣體，因此是大型低溫工程的主要工質(zhì)。氦氣獨(dú)特的物理性質(zhì)決定了氦氣壓縮機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)。氦氣的絕熱指數(shù)高(1.667)，遠(yuǎn)高于空氣的絕熱指數(shù)(1.4)，因此壓縮過程中容易產(chǎn)生更高的壓縮熱，加之氦氣的比熱容小，從而引起壓縮升溫很大。以對(duì)室溫氦氣進(jìn)行絕熱壓縮引起的溫升為例，在壓比為14時(shí)的溫升約為550℃。氦氣是單原子分子、運(yùn)動(dòng)粘度小、滲透性強(qiáng)，帶來極易泄漏的難題，特別是在軸封的外漏和轉(zhuǎn)子間隙內(nèi)漏尤為突出。

氦氣噴油式螺桿壓縮機(jī)是利用油吸收壓縮熱(約占輸入功率的90%)，溫升控制在相對(duì)較低水平。噴油內(nèi)冷卻是使其得以迅速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。采用噴油冷卻可以使得壓縮過程更接近于等溫過程，從而獲得較高的熱力學(xué)效率；同時(shí)由于螺桿轉(zhuǎn)子之間粘度較高的油膜的密封效應(yīng)，有效減少了氦氣壓縮過程中的內(nèi)部泄漏。實(shí)際壓縮的油-氣混合物中的質(zhì)量比通常在30—50，從這方面來看，堪稱油壓縮機(jī)[7]。為避免雜質(zhì)氣氛在低溫下出現(xiàn)凍結(jié)堵塞等危害，大型低溫系統(tǒng)對(duì)氦氣純度要求特別高，油蒸汽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在10×10-9以下。氦氣壓縮過程中的噴入大量的油必須再通過多級(jí)油分離系統(tǒng)進(jìn)行去除，最終獲得痕量水平，由此帶來第三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，就是高效率的油氣分離技術(shù)。一般要求氦氣壓縮機(jī)排氣中油質(zhì)量分?jǐn)?shù)在(2—3)×10-6的水平，而在空壓機(jī)或制冷劑螺桿壓縮機(jī)技術(shù)中一般只要求(5—10)×10-6的水平，工業(yè)上國產(chǎn)螺桿壓縮機(jī)油分系統(tǒng)龐大，普遍存在油分效率低的問題。

針對(duì)氦氣噴油式螺桿壓縮機(jī)上述3個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)問題，提出初步的解決方案如下：開發(fā)新的轉(zhuǎn)子型線結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步減少泄漏三角形、嚙合間隙等引起的內(nèi)漏損失；優(yōu)化噴油冷卻的特征參數(shù)，包括噴油霧化情況和噴油量的優(yōu)化；研制可靠的轉(zhuǎn)軸密封結(jié)構(gòu)，使壓縮機(jī)組通過軸封的氦氣在動(dòng)、靜狀態(tài)下的漏率滿足要求；采用旋風(fēng)式離心油分離結(jié)構(gòu)用以提高分離的效率。最后進(jìn)行氦氣壓縮實(shí)驗(yàn)，測(cè)試氦氣壓縮機(jī)性能進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)和加工工藝。

上述關(guān)鍵技術(shù)解決方案是通過聯(lián)合專業(yè)制造螺桿壓縮機(jī)廠家完成。雖然中國生產(chǎn)螺桿壓縮機(jī)企業(yè)有幾百家，但是由于氦氣螺桿需要更高的加工精度，一般采用磨削為主的轉(zhuǎn)子加工設(shè)備，并具備新型線設(shè)計(jì)開發(fā)基礎(chǔ)，因此實(shí)際上具備聯(lián)合攻關(guān)氦氣螺桿的卻只有很少的幾家，包括采用西安交通大學(xué)型線的煙臺(tái)冰輪、采用倫敦城市大學(xué)N型線的大連冰山和無錫壓縮機(jī)廠、采用北美研發(fā)中心Y型線的開山集團(tuán)，以及采用瑞典SRM型線的福建雪人公司等。但是氦氣螺桿壓縮機(jī)研制，不能走在廠家原有機(jī)型上簡單改制的技術(shù)路線上。過去二十年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，以往改制的氦氣壓縮機(jī)，突出的技術(shù)問題是絕熱效率過低(一般低于70%)、實(shí)際流量不足、流程不合理、軸封泄漏率大等問題。

螺桿壓縮機(jī)的核心部件是主機(jī)，其價(jià)值占整個(gè)機(jī)組的20%—30%，壓縮機(jī)的品質(zhì)如何一般以用的什么主機(jī)來衡量。螺桿壓縮機(jī)主機(jī)決定了整個(gè)機(jī)組的效率、流量和運(yùn)行的可靠性。壓縮機(jī)組的工程事故原因與設(shè)計(jì)相關(guān)約占10%，主機(jī)占到80%，其余發(fā)生在管路閥門和電氣配套[8]。因此關(guān)鍵技術(shù)方案必須圍繞提高螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的性能展開。

在諸多因素中，對(duì)雙螺桿壓縮機(jī)的熱力學(xué)性能影響最大的是各種泄漏通道的影響。這些泄漏通道是不可避免的，一方面，必須預(yù)留有足夠的間隙來防止轉(zhuǎn)子干涉，但是對(duì)氦氣介質(zhì)來說，這部分的間隙必須足夠小才能有效提高容積效率。另一方面，需要利用間隙來補(bǔ)償制造缺陷和公差。由于運(yùn)行時(shí)溫度和壓力引起轉(zhuǎn)子形變，熱態(tài)間隙通常比冷態(tài)裝配間隙小很多。與其它回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)一樣，間隙設(shè)計(jì)是提高熱力性能最關(guān)鍵、最重要的技術(shù)。轉(zhuǎn)子內(nèi)部泄漏是影響容積效率的決定因素，對(duì)于小分子量的氦氣介質(zhì)，影響更加顯著。這種泄漏通道共有5條，分別是陰陽轉(zhuǎn)子接觸線、轉(zhuǎn)子齒頂與氣缸間的密封線、泄漏三角形、吸氣端和排氣端的端面間隙。其中泄漏三角形和接觸線影響最大，而這兩條泄漏通道主要決定于轉(zhuǎn)子型線。

為解決上述關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試等過程都需要不斷的反復(fù)進(jìn)行，最終評(píng)價(jià)是否達(dá)到國際水平還必須經(jīng)過一系列規(guī)范的性能測(cè)試。由于中國沒有適合氦氣螺桿壓縮機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)臺(tái)，因此還研制了一套氦壓縮機(jī)性能測(cè)試臺(tái)，具有PLC自動(dòng)控制的管網(wǎng)穩(wěn)壓系統(tǒng)，能夠真實(shí)的模擬在實(shí)際低溫工程中的實(shí)際應(yīng)用工況，方便地測(cè)試出諸如壓力、流量、效率、功耗、泄漏等性能指標(biāo)[9]。為詳細(xì)介紹氦氣螺桿壓縮機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)解決方案，以一臺(tái)配合40L/h氦液化器使用的氦氣螺桿壓縮機(jī)為例，具體關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下：排氣流量約500 Nm3/h；壓比為14；排氣溫度≤100℃；排氣壓力：1.4 MPa(a)；排氣含油量≤2×10-6；變頻器變頻范圍：25%—100%；整機(jī)漏氣率小于10-7Pa·m3/s，漏油量：≤2 mL/day。機(jī)組的流程如圖1所示，這臺(tái)氦氣螺桿壓縮機(jī)組，由螺桿壓縮機(jī)主機(jī)、電機(jī)、油氣分離器、冷卻器、能量調(diào)節(jié)裝置(滑閥或變頻器調(diào)節(jié))、氣管路、油管路等組成。

圖1 氦氣螺桿壓縮機(jī)組流程示意圖Fig.1 Helium screw compressor unit flow diagram

3 轉(zhuǎn)子型線優(yōu)化

螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的設(shè)計(jì)，最重要的就是轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)。主機(jī)效率和壽命由轉(zhuǎn)子型線特征、加工精度等決定。螺桿轉(zhuǎn)子型線經(jīng)歷了三代變革，第三代型線是最新的非對(duì)稱螺旋轉(zhuǎn)子，采用圓弧、橢圓、拋物線等曲線組合，由線密封變成為曲面密封，有利于形成油膜、減少磨損和降低噪音，具有較小面積的泄漏三角形，較好的嚙合性、利于加工，小的熱變形和彎曲變形等優(yōu)點(diǎn)。代表性的有KAESER公司的Sigma型線、GHH公司的CF型線、日立公司的56U型線等[10]，也是目前世界上公認(rèn)效率較高的型線。表1列出了常見型線的特征參數(shù)，型線幾何參數(shù)有效減少軸向和橫向的氦氣內(nèi)部泄漏。除要求轉(zhuǎn)子接觸線連續(xù)和盡量短外，還要求泄漏三角形面積盡量小，設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)鍵是在這兩個(gè)要素之間進(jìn)行妥協(xié)。例如小的泄漏三角形會(huì)造成大的封閉容積和長的接觸線；流線型線雖然具有好的動(dòng)力性能和嚙合性，但會(huì)增大泄漏三角形的問題。每種型線、各種間隙與介質(zhì)和實(shí)際工況相關(guān)，對(duì)于氦氣工質(zhì)，流線型齒形可有效降低泄漏三角形，并且利于流體動(dòng)力學(xué)潤滑油膜的形成，可以彌補(bǔ)單純依靠提高加工精度減小嚙合間隙的不足。新型線的設(shè)計(jì)過程：先初步選定一種或幾種曲線組成齒曲線，然后通過計(jì)算其幾何特征值包括結(jié)構(gòu)參數(shù)，如長徑比、扭轉(zhuǎn)角和孔口參數(shù)。通過運(yùn)行工況熱力學(xué)性能計(jì)算得到排氣量、軸功率、絕熱效率、容積效率等宏觀性能，進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化諸如齒數(shù)組合及型線結(jié)構(gòu)參數(shù)等，最終獲得高效新型線[11]。由于型線的前段無軸向氣密性要求，取用橢圓-橢圓包絡(luò)線；背段為減少泄漏三角形面積，采用點(diǎn)嚙合擺線；型線的前后段間則用圓弧光滑過渡。包絡(luò)線上的連續(xù)接觸，利于保存油膜，降低轉(zhuǎn)子的擾動(dòng)損失。

表1 常用轉(zhuǎn)子型線的特征參數(shù)

注：D0：陽轉(zhuǎn)子齒頂圓直徑；Di：陽轉(zhuǎn)子齒根圓直徑。

中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所與無錫壓縮機(jī)股份有限公司，進(jìn)行了型線優(yōu)化的聯(lián)合設(shè)計(jì)嘗試，采用N型線代替第二代X型線，更有利于油膜的形成，泄漏三角形僅為對(duì)稱型線的十分之一。轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計(jì)工具采用了DISCO軟件，這是英國倫敦城市大學(xué)針對(duì)螺桿主機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)的一款集轉(zhuǎn)子幾何計(jì)算及性能預(yù)測(cè)的綜合平臺(tái)。通過程序化和智能化的設(shè)計(jì)模塊，提高了設(shè)計(jì)工作效率，有效縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)的時(shí)間。在熱力、流體以及強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，可以對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化[12]。

型線的一個(gè)重要的特征參數(shù)就是陰陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)和齒數(shù)比。陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)少，型線形成的齒槽較深，面積利用系數(shù)大，但由于軸徑減少，剛度有所降低，并且工作基元腔少導(dǎo)致相鄰基元壓差大，造成更加嚴(yán)重的內(nèi)部泄漏損失，一般用于低壓差、大流量的運(yùn)行工況下。反之，大齒數(shù)的陽轉(zhuǎn)子一般用于高壓差、小流量的場合。根據(jù)壓力范圍，小于0.5 MPa，陽轉(zhuǎn)子一般用3齒；0.5—1.6 MPa，陽轉(zhuǎn)子一般用4齒；高于1.6 MPa，一般用6齒。陰陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)差通常只有1或2。陰轉(zhuǎn)子齒數(shù)的減少可以提高面積利用系數(shù)，減少陰陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差，但也會(huì)降低陰轉(zhuǎn)子的軸徑剛度。齒數(shù)越多強(qiáng)度越高，有利于轉(zhuǎn)子副的扭角系數(shù)，但會(huì)降低面積利用系數(shù)。因此，在保證轉(zhuǎn)子強(qiáng)度前提下，陰陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)差為1。所以在本壓縮機(jī)的運(yùn)行壓力范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)方案確定使用陽轉(zhuǎn)子4齒，陰轉(zhuǎn)子5齒。齒數(shù)和齒數(shù)差與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也密切相關(guān)。國外也在這方面做的研究表明，在非常低的線速度下，5/6轉(zhuǎn)子組合要比4/6轉(zhuǎn)子組合的效率略高3%—5%。線速度大于25—27 m/s以上，4/6轉(zhuǎn)子組合要比5/6轉(zhuǎn)子組合效率高，兩者的差距隨線速度的上升而增加，在線速度接近50 m/s，效率差甚至可高達(dá)10%。除了齒數(shù)組合外，型線另外兩個(gè)對(duì)壓縮機(jī)性能有重大影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)是齒頂高和齒高半徑。齒頂高的取值直接關(guān)系到泄漏三角形面積的大小，而齒高半徑則直接影響到面積利用系數(shù)。

通過對(duì)3種不同型線的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)性能較好的螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子都有以下共同特點(diǎn)：高效齒型中，陽、陰轉(zhuǎn)子齒數(shù)比有4/5、5/6、5/7，基元容積間壓差減少，利于效率提升；陰陽轉(zhuǎn)子直徑相差不大，轉(zhuǎn)子剛度接近，承載能力高，受力更好，適用于壓差和壓比較大的工況。如圖2所示，通過對(duì)轉(zhuǎn)子各種內(nèi)漏通道引起損失的權(quán)重歸一化對(duì)比分析，優(yōu)化后由于有效減小了泄漏三角形，各種間隙對(duì)實(shí)際效率的影響更大。轉(zhuǎn)子嚙合間隙和吸排氣端面間隙等間隙的設(shè)計(jì)對(duì)噴油螺桿壓縮機(jī)的性能和效率有很大的影響。對(duì)間隙進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)也是提高壓縮機(jī)性能的重要途徑。通過優(yōu)化間隙設(shè)計(jì)對(duì)壓縮機(jī)性能影響見表2和圖3。雙邊型線的陰轉(zhuǎn)子齒頂圓更大，圓周線速度更高，密封性能更好。圖3就是改變間隙值對(duì)主機(jī)效率影響的性能曲線，隨著間隙值的減小，容積效率、絕熱效率和等溫效率都在增大。但是間隙值不能過小，防止出現(xiàn)壓縮機(jī)抱軸現(xiàn)象。

圖2 各泄漏通道對(duì)效率影響的歸一化權(quán)重分析GAP-A：排氣端間隙；GAP-I：吸氣端間隙；GAP-R：齒頂間隙；BH：泄漏三角形Fig.2 Normalized weight analysis for effect of leakage channel on efficiency

由于氦氣的絕熱系數(shù)較大的特點(diǎn)，造成排氣溫度比較高，當(dāng)噴油螺桿壓縮機(jī)的排出溫度超過100 ℃，系統(tǒng)的潤滑油變質(zhì)，壓縮機(jī)出現(xiàn)熱故障而難以正常運(yùn)行，所以要提高噴油冷卻效果。降低油溫、增加噴油量、 提高噴油的霧化程度和對(duì)噴口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使

表2 縮緊各種間隙對(duì)容積效率和絕熱效率的提升

圖3 間隙變化對(duì)效率的影響Fig.3 Gap change on efficiency

壓縮機(jī)的油氣排溫盡可能降低。圖4就是模擬計(jì)算的不同噴油量對(duì)主機(jī)容積效率、等溫效率和絕熱效率影響的性能曲線。噴入的潤滑油一方面降低了工作腔內(nèi)溫度，使壓縮過程更接近于等溫過程。另一方面，噴入的油增加了粘性剪切力和攪拌功。因此，存在一個(gè)最佳噴油量使得耗功量少。根據(jù)試驗(yàn)可知，轉(zhuǎn)子速度和噴油溫度對(duì)壓縮機(jī)的效率和性能也有一定的影響。由于速度小時(shí)泄漏大、速度大時(shí)動(dòng)力損失大的特點(diǎn)，把速度控制在最佳圓周速度范圍內(nèi)。根據(jù)噴油溫度與效率的試驗(yàn)比較分析來選擇最合適的噴油溫度。

圖4 噴油量變化對(duì)效率的影響Fig.4 Change of oil injection quantity on efficiency

4 軸封和油分

壓縮機(jī)組的外部泄漏率不僅會(huì)引起低溫系統(tǒng)氦氣工質(zhì)的泄漏，由于系統(tǒng)內(nèi)外雜質(zhì)成分的分壓力不同，所以通常還會(huì)引起空氣中的氮?dú)?、二氧化碳和水蒸氣等向系統(tǒng)內(nèi)部的擴(kuò)散，特別是水分會(huì)對(duì)壓縮機(jī)潤滑油性能造成影響，因此整機(jī)密封性能也尤其重要。對(duì)于開啟式噴油螺桿壓縮機(jī)，最難解決的密封問題在軸封處，這是一道動(dòng)密封，采用機(jī)械密封和油密封相結(jié)合的密封方式。從一次油氣分離器引入油，高壓油噴入機(jī)械密封腔室，該腔室中的壓力油通過迷宮密封泄入主機(jī)低壓側(cè)。這樣，用機(jī)械密封密封住高壓油，用壓力油密封住高壓氦氣，從而，保證對(duì)氦氣的絕對(duì)密封。在壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油氣分離器壓力和吸氣壓力平衡，油不再噴入機(jī)械密封室，依靠機(jī)械密封動(dòng)環(huán)與靜環(huán)密封端面的貼合密封低壓側(cè)氦氣。如圖5所示，軸封在長期停機(jī)過程中，由于油膜在重力作用下變薄，使得靜態(tài)泄漏率有所增大。如B點(diǎn)所示，27天后測(cè)試漏率比A點(diǎn)初調(diào)試時(shí)候增大百倍。通過盤車和運(yùn)行可以恢復(fù)原有的密封效果，圖中C、D、E點(diǎn)分別表示盤車一次、兩次和重新運(yùn)行后測(cè)試的泄漏率。

圖5 軸封靜態(tài)泄漏率的變化Fig.5 Variation of static leakage rate of shaft seal

由于氦氣中噴入了大量的潤滑油，壓縮機(jī)排出的高壓氦氣含有大量油霧。氦氣中如果含有較高濃度的油霧，長時(shí)間條件下管道內(nèi)壁和冷卻器會(huì)淤積形成油質(zhì)薄膜，阻塞管道影響氦氣的流動(dòng)和換熱。所以須提高壓縮機(jī)一次油分的效率，一般要求質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到(2—3)×10-6的水平，遠(yuǎn)高于空壓機(jī)和制冷壓縮機(jī)質(zhì)量分?jǐn)?shù)5×10-6以上的水平。高效率油分離效率的獲得是通過采取旋風(fēng)立式分離原理，將絕大部分油滴甩至油分筒內(nèi)壁，微細(xì)油滴的去除是通過凝聚式親和過濾原理，使分離出來的油及時(shí)返回壓縮機(jī)來保證壓縮機(jī)的正常潤滑。關(guān)于高效油氣分離的闡述詳見其它將發(fā)表的專題論文。

5 試驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證上述型線開發(fā)、噴油優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)方案的實(shí)際效果，專門設(shè)計(jì)了一套氦氣螺桿壓縮機(jī)的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，試驗(yàn)測(cè)試流程如圖6所示。氦氣經(jīng)過濾網(wǎng)進(jìn)入主機(jī)吸氣端，壓縮到一定壓力后，排出油氣混合物，經(jīng)過油分離器后分為油路和氦氣路兩部分，其中油經(jīng)過油冷卻器和油過濾器回到吸氣端形成油路的循環(huán)。經(jīng)過油分后的氦氣，在氣體冷卻器中進(jìn)行冷卻，然后通過旁通閥減壓后再回到壓縮機(jī)吸氣端，由于氦氣的轉(zhuǎn)化溫度較低，室溫節(jié)流不會(huì)引起制冷效應(yīng)。管網(wǎng)高壓和低壓壓力的穩(wěn)定是通過加、卸載閥和旁通閥配合使用，功能等同于大型低溫系統(tǒng)的氣體管理面板。當(dāng)壓縮機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)，旁通閥關(guān)閉，剩余管道內(nèi)氣體經(jīng)過卸載閥進(jìn)入緩沖罐。當(dāng)壓縮機(jī)再次開機(jī)時(shí)，緩沖罐的氣體又經(jīng)過加載閥進(jìn)入到系統(tǒng)中，從而保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。通過功率計(jì)、流量計(jì)、溫度傳感器和壓力傳感器的測(cè)量結(jié)果，可以計(jì)算出壓縮機(jī)的絕熱效率、容積效率等。這些傳感器均經(jīng)過計(jì)量單位的標(biāo)定和校驗(yàn)，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定性分析表明，絕熱效率的不確定度為±1.5%。

圖6 氦氣噴油式螺桿壓縮機(jī)性能測(cè)試流程圖Fig.6 Performance test flow chart of helium oil-injected screw compressor

對(duì)所研制的噴油螺桿壓縮機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果表明，通過轉(zhuǎn)子型線優(yōu)化設(shè)計(jì)確實(shí)有效地減小了內(nèi)部泄漏，提高壓縮機(jī)效率。典型工況下的絕熱效率從上一代型線的69%提高到了82.4%，容積效率達(dá)到了90%。同等工況下基于希格瑪型線的凱撒氦氣壓縮機(jī)絕熱效率約為85%—90%。參照ISO8573-2標(biāo)準(zhǔn)《測(cè)定懸浮狀油含量的試驗(yàn)方法》中膜片累積和紅外分光光度儀測(cè)定的方法，對(duì)排氣中的油含量進(jìn)行了測(cè)試。油含量測(cè)試結(jié)果表明，采用有效的油分離技術(shù)，油質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到2×10-6以下的先進(jìn)水平，每十組測(cè)試結(jié)果重復(fù)性相對(duì)誤差小于2%。

6 結(jié) 論

氦氣噴油螺桿壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)在于型線的設(shè)計(jì)、間隙的優(yōu)化、噴油冷卻和霧化設(shè)計(jì)。通過N型線新型線的開發(fā)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了匹配的接觸線長度和泄漏三角形。在氦氣螺桿壓縮機(jī)新型線開發(fā)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步縮緊了各種間隙并優(yōu)化了噴油參數(shù)，初步解決了氦氣螺桿壓縮機(jī)的內(nèi)部泄漏和冷卻等關(guān)鍵技術(shù)，提高了容積效率和絕熱效率，基本達(dá)到了國際先進(jìn)水平。在高精度加工中心和自修正磨床保障加工精度前提下，將陰陽轉(zhuǎn)子嚙合間隙縮緊到20—50 μm，排氣端間隙、單邊間隙也有所縮緊。采用適當(dāng)?shù)挠蜌赓|(zhì)量比，提高了等溫效率，采用有效的旋風(fēng)油分離技術(shù)，出口油質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2×10-6，但與國際先進(jìn)產(chǎn)品相比，型線還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，還需要進(jìn)一步解決的技術(shù)問題主要是軸封端面機(jī)械密封靜態(tài)泄漏問題、機(jī)組結(jié)構(gòu)的緊湊化設(shè)計(jì)等。

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Key technology solutions of helium oil-injected screw compressors

Jin Jingjing1,2,3Hu Zhongjun1,2Wang Bingming1,2Li Qing1,2Gong Linghui1,2

(1Technical Institute of Physics and Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China) (1Key Laboratory of Cryogenics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China) (3University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

In order to solve the key technical problems such as easy leakage of helium screw compressor，heat exchange between oil and gas of helium oil-injected screw compressor，technologies such as decreasing three main gaps of the compressor，designing new compressor profile and atomization cooling were applied, and the compressor internal leakage and flow loss were reduced. The thermodynamic efficiency and reliability were improved. The technical problems for leakage due to the small molecular and high compression heat caused by large adiabatic index were solved preliminarily.The test investigation of the common models used in the medium helium liquefier was carried out based on the study of oil-injection cooling characteristics，rotor profile optimization and unit program optimization. The results show that the volumetric efficiency and the adiabatic efficiency are close to the international advanced level.

large scale cryogenic；helium compression；oil-injected screw compressor；compressor profile

2016-09-24；

2016-10-19

中國科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青年科技創(chuàng)新項(xiàng)目(CRYOQN201305)基金資助。

金晶晶，女，26歲，碩士研究生。

TB652

A

1000-6516(2016)06-0029-07