开式涡旋压缩机最佳供油流量的模型

张萍 胡雅宁 岳亭龙

摘 要:涡旋压缩机中的润滑油就像人体中的血液，供应不足或过量都会影响其运行性能。本文对卧式涡旋压缩机增压装置中的供油回路做了全面分析，根据机械密封的热负荷的需油量及压缩机高效运行时压缩腔中气体的润滑油的最佳含量建立了该装置所需油量的数学模型，由模型可以看出只要装置中各结构参数及气体、润滑油的特性参数确定下来，装置中各部分所需的油量就可以确定。装置在运行时可以根据计算的最佳油量通过传感器来控制各个部分的供油量，使供油系统的油量自动控制得以实现。

关键词:开式涡旋压缩机供油流量

由于涡旋压缩机具有特殊的结构和独特的运行方式，其显著的特点是摩擦副多，对每个摩擦副进行充分的润滑是至关重要的，润滑油不但起到降摩擦、减磨损、减振、降噪等作用，而且工作腔内的润滑油还冷却被压缩气体，降低气体的排气温度；机械密封中的润滑油带走摩擦产生的热。通常工作腔内的润滑油的来源有两个途径：一是直接向工作腔喷油；二是曲轴箱内的润滑油经动涡旋底盘与支架体支撑面的间隙流进工作腔。工作腔内润滑油的数量对涡旋压缩机整机性能有很大的影响，润滑油量过多将降低压缩机的容积效率，增加压缩耗功，且加重油分离器的负担，影响排出气体的质量，因此本文采用压缩腔内混合气体的最佳含油量进行计算。

1 天然气涡旋压缩机供油量分析

如图1所示，天然气涡旋压缩机中的供油由两部分组成。其中第一部分用于天然气增压装置中涡旋压缩机机械密封的冷却及密封。

第二部分用于润滑涡旋压缩机的轴承和动静涡旋摩擦副，油分器与主轴轴心节点a处的压力差，在该压力差的作用下，润滑油被喷入压缩腔及主轴节点a处。所以可根据油气分离器润滑油出口压力自动调整喷油量，润滑油通过分油器进入压缩机内部，分油器将润滑油分为二部分，其中一部分从壳体引入，通过主轴流出润滑各轴承，然后汇集到背压腔，背压腔的润滑油经过动静涡旋盘间隙进入吸气侧，与气体混合一起进入压缩腔，一起被压缩。另外一部分通过机头直接输入吸气腔与第一部分润滑油及气体混合，两部分润滑油润滑动静涡旋各摩擦副后经涡旋压缩机排气口随气体一起排出后，进入风冷式换热器冷却，经油气分离器分离后再注入压缩机内循环使用。

图1涡旋压缩机内油路图

2循环油路的数学模型

2.1 第一部分油量的数学模型

2.1.1双端面机械密封的结构及密封机理=

双端面密封指由一对垂直于旋转轴线的端面在液体压力和补偿机构弹力的作用以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成防止流体泄露的装置。他主要的功能是将易泄漏的轴向密封改变为较难泄漏的端面密封。该装置由动环、静环、压紧元件和密封元件组成。其中动环随机轴一起旋转，动环和静环紧密贴合组成密封面，以防止介质泄漏。动环靠密封室内流体的压力使其端面压紧在静环端面上，并在两环端面上产生适当的比压和保持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。压紧元件产生压力，可使压缩机在不运转状态下，也保持端面贴合，保证密封介质不外漏，并防止杂质进入密封端面。密封元件起密封动环与机轴的间隙、静环与压盖的间隙作用，同时弹性元件对压缩机的振动、冲击起缓冲作用。

2.1.2动环受力分析

为了简化计算模型对机械密封做了如下基本假设：

（1)机械密封为轴对称结构，边界条件也是轴对称的，所以，温度场分布也是轴对称的；

（2)密封环温度场是稳态的；

（3)忽略泄漏所带走的摩擦热，假定摩擦热全部由密封环传递；

（4)密封环材料以及密封介质的热物理性能不随温度改变；

（5)忽略气体热辐射影响。

以动环为研究对象，作用在动环上的力有：背压腔介质压力、密封流体压力、大气压力、弹簧比压、流体膜压、接触比压、动环辅助密封与轴面间的摩擦力、动环组件往复惯性力、离心力F。

动环所受的闭合力为：

F= A+A（+）（1）

式中：A—流体作用面积m；A—机械密封面面积m。在稳定的工况下，摩擦力、往复惯性力F可以忽略不计。

图2机械密封受力分析

接触比压、平均膜压的计算：（2）

(3)

式中:A一背压和大气作用的面积m； A=； (4)

D机械密封面的内径，m； Db—轴径，m；

R—机械密封面内半径，m； R—机械密封面外半径，m；

2.1.3机械密封摩擦副工作时的性能参数

机械密封摩擦副性能参数表征密封面实际工作状态，端面的发热量和摩擦功耗与其成正比，其值必须小于许用值。即

(5)

式中：n—压缩机的工作转速，r/min；D2—机械密封面外径，m；

D1—机械密封面内径，m；

v—密封的平均线速度，m/s。

2.1.4机械密封端面温度

考虑端面摩擦热和通过导热方式沿轴向导出的摩擦热为

(6)

式中：f为摩擦系数；、分别为动、静环材料的导热系数；为散热系数；b为密封面的宽度，m。

2.1.5双端面机械密封润滑油流量模型

在双端面机械密封处会产生大量的热，如果这些热不被及时地排除，在密封端面经常会出现热裂、变形等情况，因此要用润滑油将该处摩擦副中产生的热量及时带走，即摩擦副产生多少热量，就需要相應量的润滑油带走多少热量。密封腔内的热量主要来源有：密封面摩擦产生的热量；旋转的密封件与流体搅拌产生的热量；轴承侧传入的热量。即

(7)

密封腔内的热量Q主要来源有：密封面摩擦产生的热量Q1；旋转的密封件与流体搅拌产生的热量Q2；轴承侧传入的热量Q3。转速较低时，Q2、Q3可以忽略不计。本文采用摩擦传热法计算Q1，即

(8)

式中:A—密封面面积，m.

式(7)就可简化为

（9）图3第二循环油路流量分配图

由以上的计算可得

(10)

由以上计算得当机械密封的材料、结构、电机转速及两侧气体的压力一定时。机械密封结构中的润滑油为恒定流动，各个参数为定值，可以根据以上的计算过程计算出机械密封所需的油量。

2.2 第二循环油量用于润滑涡旋压缩机的轴承和动静涡旋摩擦副

图3中3×G0是向机头喷油量，G1向主轴供油量，G2是主轴承流量，G3是副轴承流量，G4吸入气体的含油量。涡旋压缩机润滑油第二循环流程由二个部分组成：1）一部分润滑油直接油机头送进吸气腔，跟混合气体混合2）第二部分润滑油通过曲轴中心孔，流经各滑动轴承，然后汇集到背压腔，背压腔中的润滑油经过动、静涡旋盘端面间隙进入吸气侧，与机头加入的润滑油、气体混合后进入压缩腔。

2.2.1通过动、静涡旋盘端面间隙的泄漏量为G1

通过动、静涡旋盘端面间隙的泄漏量为G1

（11)

式中 ξ—混合气体中润滑油的含油率 ;δ—动、静涡旋盘端面间隙高度;

ρ—混合气体的密度; μ—混合气体的粘度;

p—吸气压力;R—静涡旋盘内缘当量半径;

R—动涡旋盘外缘当量半径.

由机头喷入的油量为:3G0

2.2.2润滑系统最佳润滑油量分析

在润滑系统中,一方面为了润滑油循环利用,润滑油必须与排出气体经过冷却器冷却后再通过分离器分离后进行再循环,另一方面,在压缩过程中,润滑油形成油膜,阻止气体泄漏,并使气体得到冷却,结果导致气体压缩功降低,提高整机效率.含油率过大、过小都对涡旋压缩机性能不利.因此,必存在一个最佳含油率值。

压缩腔气体中含油率ξ为:

ξ= = （12)

式中 Gq —天然气的质量流量。

涡旋压缩机的主要性能指标是容积效率和机械效率,当压缩腔气体中的含油率处于5%~10%时，涡旋压缩机处于高效区【2】。所以，在此范围选取适宜含油率，可使涡旋压缩机获得较高的容积效率和机械效率。由以上分析可得最佳润滑油流量G4为

G4=Gq （13）

（14）

2.2.3 通过滑动轴承的润滑油流量

通过主轴中心孔的润滑油质量流量G1为

G1=（15）

取油气分离器液面为基准面，由伯努利方程可得分支点a压力为：

（16）式中 H—a分支点与油池液面的垂直距离； P－排气压力；u－油气分离器液面流速；

u－曲轴中心孔润滑油流速；－润滑油密度；

g－重力加速度。∑h润滑油从油池到分支点a流动阻力损失

通过滑动轴承的润滑油质量流量G2、G3为：

=（17）

= （18）

式中： ,－滑动轴承Ⅰ,Ⅱ内径; μ－润滑油粘度；

－背压腔压力； 、 －滑动轴承Ⅰ,Ⅱ与轴的间隙；

、－滑动轴承Ⅰ,Ⅱ的宽度；、－润滑油通过滑动轴承Ⅰ,Ⅱ的流速。

由图3可知

G1=G2+G3

由伯努利方程可推知背压腔压力为

（19）

式中H—背压腔内润滑油液面与油分器液面的垂直距离；

u—油分器液面流速；u 背压腔内润滑油液面流速；

-润滑油从油分器到背压腔流动阻力损失。

由于油分器和背压腔液面远大于曲轴中心孔截面，可认为u0,u0,则

p=P-（20）

流动阻力损失由二部分组成，即

=+或=+（21）

其中，，分别为润滑油通过滑动轴承的流动阻力损失。

各部分的阻力系数，其值由该部分结构尺寸确定。

从而得出

+） （25）或

+） （26）

涡旋压缩机的背压腔贮存气体平衡动涡旋盘所受气体轴向力，这种平衡不仅要保证动涡旋盘与静涡旋盘在压缩过程中不发生分离，防止气体径向泄漏，而且还要保证两涡旋盘接触面上作用力不致过大，避免动、静涡旋盘端面产生较大的摩擦、磨损，降低机械效率，所以背压腔气体压力的稳定性是至关重要的。在设计涡旋压缩机时，根据动涡旋盘所受气体轴向力来确定背压腔气体压力。由于背压腔与润滑系统联通，只有合理匹配润滑系统的结构参数，才能保证背压腔气体压力的稳定[1]。当涡旋压缩机结构参数给定时，可以根据以上式子算出 G2 、G3两个流量。

3结论

开式涡旋压缩机增压装置中的涡旋压缩机存在各种摩擦副，适量的润滑油不仅可以降低功耗，而且还起到降温的作用。本文根据涡旋压缩机压缩腔气体的最佳含油量建立了控制油量的模型，对机械密封按其热负荷确定了润滑油的流量。此结果为实现油量自动控制的设计提供了一定的理论依据。

参考文献：

[1]王君，李超，马小礼，等.涡旋压缩机工作腔潤滑油密封的实验研究[J].润滑与密封，2006（3）：100-102.

[2]赵兴艳，刘振全.涡旋压缩机润滑系统润滑油量优化分析[J].甘肃工业大学学报, 1997，23（2）：37—40.

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[4]屈宗长，程志明，王迪生.车用涡旋空调压缩机含油量优化[J].河北工业科技, 1998，15（2），：1—4.

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[6]Chen J, Wang, L C, Li S L. Study and profound analysis on general profile theory of scrolls (in Chinese). Chinese J Mech Eng, 2006, 42(5): 11–15

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