淺談噴油特性對(duì)螺桿空壓機(jī)的熱力性能影響

呂 鵬，劉建超

(91251部隊(duì)，上海 200940)

1 引言

螺桿空氣壓縮機(jī)是一種容積式壓縮機(jī)，具有可靠性高、操作維護(hù)方便以及動(dòng)力平衡性好等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于空氣動(dòng)力等工業(yè)領(lǐng)域。空壓機(jī)在運(yùn)行時(shí)，向壓縮腔中噴入適量的潤滑油，可以在轉(zhuǎn)子之間形成良好的油膜，能夠及時(shí)有效降低轉(zhuǎn)子之間的摩擦、冷卻和密封壓縮空氣。但噴入的潤滑油使空壓機(jī)摩擦增大、粘性剪切和攪拌耗功以及吸氣預(yù)熱等方面的損失，增加了空壓機(jī)的功耗，使空壓機(jī)性能受到影響[1]。因此從理論上分析，空壓機(jī)應(yīng)該具有最佳噴油量。另外，壓縮機(jī)組中通過植入變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式，雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)排氣量的調(diào)節(jié)，使螺桿空壓機(jī)性能更加優(yōu)越，但壓縮氣體的相對(duì)泄漏量隨著空壓機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的變化而變化，同樣影響空壓機(jī)的性能，為使空壓機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下性能最佳，應(yīng)該在空壓機(jī)油路系統(tǒng)安裝油量調(diào)節(jié)裝置。

2 螺桿空壓機(jī)的潤滑系統(tǒng)與噴油特性

2.1 潤滑系統(tǒng)組成

螺桿空壓機(jī)油路系統(tǒng)主要由空壓機(jī)主體、油氣分離器、油冷卻器、溫控閥和油過濾器等組成，空壓機(jī)潤滑系統(tǒng)如圖1所示。有些螺桿空壓機(jī)還在排氣口處安裝溫度傳感器的方式代替了溫控閥，并由主變頻器直接監(jiān)測(cè)并控制排氣溫度與排油溫度。在空壓機(jī)的工作過程中，空氣在空壓機(jī)腔內(nèi)被壓縮到特定狀態(tài)后潤滑油從噴油孔口噴入，并在齒間容積內(nèi)與被壓縮的空氣混合形成油氣混合物。因此，壓縮后的空氣會(huì)含有大量的油霧滴，空壓機(jī)排氣口出來的高溫高壓混合氣體需要先進(jìn)入油氣分離器，經(jīng)過分離后潤滑油先后經(jīng)過油冷卻器和油過濾器再噴入到壓縮腔中完成整個(gè)循環(huán)。

圖1 螺桿空壓機(jī)噴油系統(tǒng)組成圖

但是，油氣分離器的效率并不能達(dá)到百分之百，為了維持空壓機(jī)內(nèi)所需潤滑油的平衡，系統(tǒng)中需要向螺桿空壓機(jī)的吸氣端提供適當(dāng)?shù)臐櫥土考椿赜土浚瑵M足回油量不低于排氣含油量的條件時(shí)，空壓機(jī)的油路系統(tǒng)循環(huán)才能順利運(yùn)行。過濾后的潤滑油在進(jìn)入噴油孔口之前，主噴油管會(huì)旁通一支管路向空壓機(jī)軸承腔噴油來冷卻因承受載荷而溫度升高的軸承。

螺桿空壓機(jī)油路系統(tǒng)的油氣分離器中通常會(huì)安裝最小壓力閥來建立空壓機(jī)組內(nèi)壓，促使油路系統(tǒng)中潤滑油的循環(huán)、滿足減荷閥的工作壓力、避免壓力差對(duì)分離器的傷害的作用。最小壓力閥存在的原因是空壓機(jī)的潤滑油供給是靠機(jī)器本身的壓力差進(jìn)行的，并未設(shè)置額外的油泵，當(dāng)空壓機(jī)處于空載狀態(tài)時(shí)，機(jī)器仍然需要一定的壓力維持油路系統(tǒng)的循環(huán)，所以空壓機(jī)進(jìn)氣閥相對(duì)關(guān)閉，而最小壓力閥防止壓力泄漏，保證著空壓機(jī)中潤滑油的循環(huán)。另外，最小壓力閥還起到單向閥的作用，可以防止空壓機(jī)在卸載運(yùn)行時(shí)空氣倒流。

2.2 潤滑油量計(jì)算

對(duì)于噴油螺桿空壓機(jī)整個(gè)壓縮過程，如果給定排氣溫度之后，螺桿空壓機(jī)的理論噴油量可由空壓機(jī)的熱平衡確定，反之如果確定噴油量等參數(shù)，也可求出理論排氣溫度。根據(jù)能量守恒定律，得到空壓機(jī)的熱平衡式如下

Pe=qm，lCp，l(Td，l-Ts，l)+qm，gCp，g(Td，g-Ts，g)

式中Pe--空壓機(jī)的軸功率，kW

qm，l--潤滑油的質(zhì)量流量，kg·s-1

Cp，l--油的比定壓熱容，kJ·(kg·k)-1

Td，l--排油溫度，K

Ts，l--噴油溫度，K

qm，g--壓縮空氣的質(zhì)量流量，kg·s-1

Cp，g--空氣的比定壓熱容，kJ·(kg·k)-1

Td，g--排氣溫度，K

Ts，g--空壓機(jī)吸氣溫度，K

螺桿空壓機(jī)噴油量的理論計(jì)算時(shí)一般假定式中的排油溫度與排氣溫度相同，并且認(rèn)為該過程并不向外界散失熱量。實(shí)際壓縮過程中因?yàn)闈櫥团c空氣之間的換熱溫差以及存在與外界之間的換熱，計(jì)算結(jié)果必然會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的偏差，具體應(yīng)用時(shí)還需要參照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以修正。值得注意的是，除了向轉(zhuǎn)子齒間容積噴油以外，螺桿空壓機(jī)軸承和軸封處也需要相應(yīng)潤滑油量。因?yàn)榭諝鈳缀醪蝗苡谟?，所以供給空壓機(jī)中所有部件的油，最終都起到了控制排氣溫度的作用，只是傳遞的路徑各不相同。該公式中僅是理論上單純考慮換熱確定的噴油量，在實(shí)際模擬和計(jì)算中，還需要考慮到泄漏和功耗等因素的影響。

2.3 噴油霧化程度

在螺桿空壓機(jī)工作過程中，對(duì)工作腔噴入的潤滑油都很好的增強(qiáng)了壓縮介質(zhì)的換熱，起到了潤滑、密封和降噪的作用。對(duì)于不同的工作介質(zhì)，噴入空壓機(jī)腔內(nèi)的潤滑油的類別和物性必然不同。針對(duì)空壓機(jī)選用潤滑油時(shí)除了考慮潤滑油粘度外，還要同時(shí)考慮潤滑油的抗氧化性、抗泡沫性、抗腐蝕性和抗乳化性等指標(biāo)。

噴油過程中，潤滑油自身的粘性力、所受到的空氣阻力和油的表面張力對(duì)油的噴射破碎機(jī)理起主要的作用。壓縮腔中的空氣阻力使噴入的較大油滴產(chǎn)生扭曲變形，并結(jié)合油與壓縮空氣之間的摩擦作用，將由于油滴內(nèi)部擾動(dòng)而形成凸出于油滴表面的部分分裂開去，并在油的表面張力作用下形成較小油滴。顯然，空氣阻力需要克服表面張力與粘性力的合力才可以使油滴發(fā)生扭曲變形、分散油滴，直至它們的合力重新達(dá)到平衡狀態(tài)。油滴霧化效果可以用油滴尺寸的微分方程式描述，即：

式中a，b--油滴的分布系數(shù)，通常由實(shí)驗(yàn)確定

n--包括所有直徑的油滴數(shù)量

此外，影響螺桿空壓機(jī)噴油過程的參數(shù)還包括噴油孔口的位置和直徑、噴油溫度和噴油量等，這些參數(shù)都直接或者間接影響噴油的霧化效果。在螺桿空壓機(jī)中通常采用維勃數(shù)的大小來判定潤滑油霧化程度的好壞，其中油滴的霧化形式可以分為滴下液流、光滑液流、波紋流和噴霧流[2]。顯然，在滿足空壓機(jī)密封的前提下，噴霧流可以充分的與壓縮空氣換熱，效果最佳。

3 噴油特性對(duì)螺桿空壓機(jī)的性能影響

3.1 對(duì)排氣溫度的影響

相比較干式螺桿空壓機(jī)，潤滑油的噴入使螺桿空壓機(jī)的性能發(fā)生了很大的變化，簡化了結(jié)構(gòu)、提高了壓比、控制了排氣溫度并降低了噪聲。噴油螺桿空壓機(jī)的排氣溫度不再由壓比和空氣物性決定，而是潤滑系統(tǒng)、噴油量、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、空氣比容等聯(lián)合作用的結(jié)果。根據(jù)前述中理論噴油量的計(jì)算公式，如果噴油量足夠多、噴油溫度足夠低，那么空壓機(jī)的排氣溫度完全可以低于進(jìn)氣溫度。但這種工況并不是等溫壓縮過程的實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)閲娙胱懔繚櫥偷脑?，?shí)際的運(yùn)行效率依舊低于絕熱壓縮效率。在變頻螺桿空壓機(jī)中，當(dāng)空壓機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速較高時(shí)，轉(zhuǎn)子之間的摩擦交大，潤滑油與壓縮空氣之間換熱不充分，相同噴油量下理論排氣溫度應(yīng)該較高；而轉(zhuǎn)速較低時(shí)，理論排氣溫度也會(huì)較低。

3.2 對(duì)容積效率的影響

容積效率是衡量空壓機(jī)運(yùn)行特性的重要指標(biāo)之一。噴油螺桿空壓機(jī)的容積效率反映了空壓機(jī)幾何尺寸利用的完善程度。噴油螺桿空壓機(jī)的實(shí)際容積流量和容積效率可以通過理論計(jì)算求出。螺桿空壓機(jī)的容積效率受型線種類、壓差、轉(zhuǎn)速和噴油與否等諸多因素的限制。潤滑油的噴入對(duì)空壓機(jī)多條泄漏通道起到了很好的密封作用，從而顯著降低了泄漏，提高了容積效率。實(shí)際運(yùn)行中，噴油螺桿空壓機(jī)的容積效率是轉(zhuǎn)子型線、運(yùn)行工況和容積流量的函數(shù)。理論分析螺桿空壓機(jī)變轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，同一噴油量下轉(zhuǎn)速越高，容積流量越大、密封效果越好，理論容積效率也應(yīng)該越高；當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，噴油量的增多應(yīng)該會(huì)使容積效率逐漸增大，但不能忽視空壓機(jī)中回油量的影響。

3.3 對(duì)絕熱效率的影響

絕熱效率是衡量空壓機(jī)性能的另一個(gè)重要指標(biāo)，反映了空壓機(jī)能量利用的完善程度。噴油螺桿空壓機(jī)的等熵絕熱功率可以通過式下列公式計(jì)算得到，此時(shí)壓縮空氣被當(dāng)作理想氣體處理。等熵絕熱功率與空壓機(jī)實(shí)際軸功率的比值式就是絕熱效率。

ηad=Pad/Pe

式中ps、pd--空壓機(jī)吸、排氣壓力，MPa

κ--空氣等熵過程指數(shù)

Qv--空壓機(jī)的實(shí)際容積流量，m3·s-1

可以看出，噴油螺桿空壓機(jī)的絕熱效率也是轉(zhuǎn)子型線、運(yùn)行工況和容積流量的函數(shù)。空壓機(jī)工作過程中，潤滑油在起到密封作用的同時(shí)也受到轉(zhuǎn)子攪油的剪切摩擦作用，需要吸收一定的功[3]。顯然，耗功的多少與噴油量的大小、空壓機(jī)轉(zhuǎn)速和潤滑油粘度密切相關(guān)。理論上來說，對(duì)于絕熱效率而言，轉(zhuǎn)速恒定時(shí)噴油量應(yīng)該有最佳值；變頻螺桿空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速和噴油量應(yīng)該精確配合，空壓機(jī)性能才會(huì)最優(yōu)。

4 結(jié)語

本文主要介紹了螺桿空壓機(jī)噴油系統(tǒng)、噴油參數(shù)及霧化特性對(duì)空壓機(jī)性能的影響。潤滑油的噴入不僅降低了排氣溫度，還能改善了空壓機(jī)的效率。變頻螺桿空壓機(jī)可以通過改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來改變其容積流量，因此噴油不能局限在傳統(tǒng)螺桿空壓機(jī)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況下考慮和計(jì)算，而是應(yīng)該與轉(zhuǎn)速合理配合。螺桿空壓機(jī)的理想噴油量應(yīng)該是在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上加以實(shí)際修正。螺桿空壓機(jī)的噴油孔徑、噴油量和噴油壓力等決定了潤滑油的霧化程度，實(shí)際中應(yīng)在滿足空壓機(jī)密封的前提下，采取換熱效果最佳的噴霧流。變頻螺桿空壓機(jī)的性能與運(yùn)行噴油特性關(guān)系更加密切，針對(duì)性的油量調(diào)節(jié)裝置可使變頻螺桿空壓機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下性能更佳。