無油螺桿壓縮機干氣系統(tǒng)的應用

丁兆亮，沈冬明，金軒輊

(蘇州壽力氣體設備有限公司，江蘇 蘇州 215024)

1 引言

無油螺桿壓縮機產生純凈無油的壓縮空氣，在食品、醫(yī)藥、電子、化工等行業(yè)中得到廣泛的應用。由于無油螺桿壓縮機產生的壓縮空氣內不能含油，因此，無油螺桿壓縮機的使用環(huán)境以及壓縮腔內部的潔凈度都有較高的要求。

針對無油螺桿壓縮機的這一特點，我們在設計前提出三點要求：(1)防止?jié)櫥透Z入壓縮腔；(2)防止齒輪箱中的油氣泄漏到環(huán)境中；(3)防止壓縮腔銹蝕。

基于以上三點要求，我們選取了合適的“防止竄油”方案，增加了“壓縮腔自動干燥”功能，并在壓縮機控制器中加入相應的程序，通過電磁閥實現(xiàn)自動切換。該系統(tǒng)，在壓縮機運行時，能有效的防止?jié)櫥透Z入壓縮腔；在停機后，能將壓縮機內部的冷凝水帶走，保持內部的干燥，有效防止壓縮機內部銹蝕。因此，我們將該系統(tǒng)稱作“干氣系統(tǒng)”。

2 技術背景

無油螺桿壓縮機機頭的基本結構。在機殼中，平行地配置著一對相互嚙合的螺旋形轉子(陰、陽轉子)?？諝鈴霓D子的一端吸入，經過壓縮后，從轉子的另一端被排出。

在噴油螺桿壓縮機中，潤滑油被噴入壓縮腔，起到潤滑、冷卻和密封等作用。在無油螺桿壓縮機中，為了獲得純凈無油的壓縮氣體，潤滑油不能被噴入壓縮腔中。由于沒有潤滑油的潤滑，無油螺桿的陰、陽轉子不能相互接觸，兩者之間需要保持著微小的間隙，這個間隙是靠安裝在陰、陽轉子軸伸端的同步齒輪予以保證。陰、陽螺桿在兩端的軸承支撐下，在同步齒輪的帶動下，相互嚙合做高速轉動，連續(xù)地“吸入-壓縮-排出”氣體。

由于軸承、齒輪是需要潤滑油進行潤滑的。因此，整個無油螺桿機頭被分為有油區(qū)域和無油區(qū)域兩部分。安裝在軸上的螺旋油封(又稱螺紋密封，黃色部分)會阻止?jié)櫥拖驂嚎s腔方向遷移，而壓縮腔兩端的氣封(碳環(huán)，黑色部分)會阻止壓縮氣體向外泄露。

壓縮機在正常的情況下，油封和氣封能有效的將潤滑油和壓縮空氣隔開，兩者互不干涉。但是，由于螺旋油封的結構特性，在某些特定的條件下，會造成油封失效。下面，我們結合油封和氣封的示意圖來解釋一下這種情況，如圖1。

圖1 氣封和油封示意圖

主軸高速旋轉，在油封的螺旋槽中產生微小的向右的推力，將泄露到油封螺旋槽中潤滑油(油霧)又推回到齒輪箱中。這個推力是很小的，當軸封軸承側有一定壓力(建議不要超過20 mmH2O)[2]，軸封就會失效。這種情況下，潤滑油(油霧)會沿著主軸表面慢慢地往壓縮腔遷移，直至“竄”入壓縮腔中，污染壓縮空氣。

這種現(xiàn)象在壓縮機卸載時會發(fā)生。當壓縮機卸載時，壓縮腔內會產生負壓(約-0.1 bar左右)，從而導致油封的左側部分(大氣開放口部分)呈現(xiàn)負壓狀態(tài)，此時即使齒輪箱中為大氣壓力，也會導致油封失效，引起潤滑油(油霧)往壓縮機腔遷移的現(xiàn)象。所以，如果發(fā)現(xiàn)壓縮機大氣開放口處有油滴，很有可能壓縮腔已被潤滑油污染。

3 防止竄油的技術方案

了解油封的失效原理后，我們比較容易找到解決問題的方法--使軸封兩端的壓差小于20 mmH2O(即P右端-P左端<20 mmH2O)。

有三種方法可以解決以上的問題，我們分別取名為：負壓法、常壓法、正壓法。

3.1 負壓法

所謂“負壓法”，就是通過特定的方法，在齒輪箱中(即油封軸承側)產生一定的負壓(油封右端約為-3～-8 kPa[3])。這樣即使壓縮機處于卸載狀態(tài)時，油封左側的壓力仍然大于右側的壓力，油封依然有效，潤滑油(油霧)會被有效地隔離。

產生負壓的方法一般有兩種，離心風機抽氣和真空發(fā)生器，如圖2。

圖2 負壓法示意圖

離心風機抽氣的方法一般會使用在齒輪箱容積較大，負壓程度較高的地方，例如離心式壓縮機齒輪箱。使用真空發(fā)生器產生負壓的方法一般使用在齒輪箱容積較小，負壓程度較低的地方，無油螺桿壓縮機的應用場合正合適。而且，真空發(fā)生器具有結構簡單，故障率低，不需要額外的動力裝置的優(yōu)點。

3.2 常壓法

所謂“常壓法”，就是齒輪箱中始終處于常壓狀態(tài)。

此法，齒輪箱的頂部僅安裝油霧過濾器(也可稱為呼吸器)，防止含油的空氣直接排放到空氣中，污染周圍的環(huán)境。但是，這種結構有可能發(fā)生如上描述的“竄油”現(xiàn)象。這就需要對密封結構進行調整，在氣封和油封之間再增加一個大氣開放口，形成“雙大氣開放口”[4]，如圖3。如此，壓縮空氣對應大氣開放口A，潤滑油對應大氣開放口B。當壓縮機處于卸載狀態(tài)時，只會在大氣開放口A形成負壓，而大氣開放口B不受影響，從而不影響油封的功能。

圖3 雙大氣開放口示意圖

這種方案無需增加任何輔助的設備，也不消耗額外的壓縮空氣。其最大的優(yōu)點在于，即使油封磨損失效，出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，會從大氣開放口B流出，不會竄入壓縮腔中。缺點在于，主機殼體結構變得復雜。

3.3 正壓法

所謂“正壓法”，就是在油封的左側第一道螺旋槽中開一個小孔，然后將干燥的空氣從小孔充入，使軸封的左側一直保持一定的壓力，如圖4。

圖4 正壓法示意圖

如此，充入的空氣膨脹后將油封和氣封隔離開。這樣，只要保持充入的干燥空氣壓力稍高于大氣壓力，在壓縮機卸載運行時，油封左側的壓力一直大于右側壓力，油封就能夠正常工作，不會發(fā)生竄油的現(xiàn)象。

4 干氣系統(tǒng)介紹

基于需要具備的三點要求，我們采用了“負壓法”，并增加“壓縮腔自動干燥”功能，形成“干氣系統(tǒng)”，其流程圖如圖5。

圖5 干氣系統(tǒng)流程圖

干燥壓縮空氣(壓縮空氣壓力在0.55～0.65 MPa之間)經調壓閥18調壓，壓力(壓力表21上顯示讀數(shù))保持在0.15～0.18 MPa之間。此時，消耗的空氣量約為50 L/min，相當少。

當壓縮機在運行期間，三通電磁閥22得電，壓縮空氣流過真空發(fā)生器16后，由放空消音器23排放入大氣。由于真空發(fā)生器16的文丘里效應，在油過濾器15中會產生負壓，將齒輪箱2中的油霧不斷地“往外抽”，使得齒輪箱2中的壓力(壓力表27上顯示讀數(shù))維持在-50 mmH2O左右。齒輪箱中的油霧在通過油濾芯14時，油霧會被“捕獲”，吸附在濾芯14上。隨著時間推移，濾芯中的油霧會慢慢匯合形成小油滴、大油滴，最終匯集在油過濾器15底部，通過管道流入浮球閥24中。浮球閥24的底部和油泵4的進口相連。當浮球閥24中沒有潤滑油時，浮塊會遮住閥底的出口，此時浮球閥24相當于處于關閉狀態(tài)。當浮球閥24中的潤滑油匯聚到一定的高度，使得浮塊漂浮起來，浮球閥24被打開，油就會通過閥底部的出口被吸回油泵，完成油霧的收集、回收。

當壓縮機停機后，三通電磁閥22失電，管路進行自動切換，壓縮空氣會經過減壓閥22和單向閥26后，被緩緩地充入機頭和級間管路中，帶走壓縮機內部的“濕氣”，保持內部干燥，防止零件銹蝕。

5 干氣系統(tǒng)優(yōu)點

干氣系統(tǒng)由于采用“負壓法”，增加了空氣在油濾芯中的流速，油霧在濾芯中不容易“結成”油膜，油霧更容易凝結成油滴，延長了油濾芯得更換周期。如圖6，在油濾芯規(guī)格相同的情況下，“常壓法”油濾芯的更換時間，曲線A，“負壓法”油濾芯的更換時間，曲線B。

圖6 濾芯更換時間對比

干氣系統(tǒng)的“自動干燥”功能能夠有效地緩減壓縮腔內部的銹蝕，減少由此引發(fā)的故障。

我們知道，無油螺桿機頭內部以及所有氣管路中是沒有潤換油的。在壓縮機運行時，機頭處于高溫狀態(tài)，沒有什么問題。一旦壓縮機停機后，機頭的溫度會逐漸降低，機頭中的飽和高溫空氣由于溫度降低會有冷凝水析出。這些冷凝水會吸附在轉子表面，銹蝕轉子表面。雖然轉子表面和壓縮腔內表面都有涂層，但隨著氣流的沖蝕，涂層會逐漸被磨損，失去保護作用。據售后部門不完全統(tǒng)計，在無油螺桿機頭“咬死”的故障中，75%的情況直接或間接與轉子停機后銹蝕有關。

6 結語

本文對“干氣系統(tǒng)”的技術背景、原理、流程以及在現(xiàn)實中的應用進行了詳細的敘述。該系統(tǒng)不但對壓縮機的使用環(huán)境以及壓縮腔內部的潔凈度給予保證，確保壓縮氣體的質量，而且能夠防止壓縮機內部銹蝕，對壓縮機有一定的保護，在實際生產中可以得到廣泛的應用。