关于无油工艺螺杆压缩机实际吸气量的研究

刘常峰，赵远扬，杨启超，张泉明，黄杰勤

（1.中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海200072；2.合肥通用机械研究院压缩机技术国家重点实验室，安徽合肥230031）

关于无油工艺螺杆压缩机实际吸气量的研究

刘常峰1，赵远扬2，杨启超2，张泉明1，黄杰勤1

（1.中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海200072；2.合肥通用机械研究院压缩机技术国家重点实验室，安徽合肥230031）

针对螺杆压缩机气缸内泄漏及轴封结构对实际吸气量影响很大的问题，搭建了无油工艺螺杆压缩机性能测试实验台，并在压缩机性能测试实验台上，进行了变排气压力、变喷液量和变转速实验，得到了排气压力、喷液量以及转速对平衡管回流量、气缸内泄漏以及吸气量的影响关系曲线。研究结果表明：一般情况下，随着喷液量的增加，吸气量先快速增加后趋近于一个定值；随着排气压力的增加，压缩机的吸气量减小；随着转速的增加，压缩机的吸气量增加。该结果为合理设计压缩机转速、喷液量提供指导。

螺杆压缩机；吸气量；内泄漏；平衡管

1　引言

随着无油工艺螺杆压缩机的发展，产品结构的优化设计和参数的合理匹配是压缩机技术发展的主要方向。吸气量是压缩机的重要参数之一，如果实际吸气量偏小，将会影响产品产量以及产品质量，而实际吸气量过大，又会造成用户采购成本以及运营成本的浪费，甚至影响机组可靠性能。因此，能够准确的得到压缩机的吸气量将在压缩机设计选型和工程实际中发挥重要作用［1-2］。

影响无油螺杆压缩机实际吸气量的因素有很多，既包括如转子型线类型、吸气孔口位置、泄漏三角形面积、转子啮合间隙，以及齿顶配合间隙等压缩机结构参数，也包括如压缩机喷液量、转速、排气压力、排气温度等工况参数［3-6］。

本文针对同一样机，对影响无油螺杆压缩机实际吸气量的工况参数进行了研究。首先，通过分析压缩机吸气过程，得到计算实际吸气量的表达式［7-9］；其次，搭建了无油工艺螺杆压缩机实验测试平台，对不同工况下实际吸气量表达式中各计算量进行了实验测量［10］；再次，分析试验结果，得出了压缩机喷液量、转速以及排气压力对吸气量的影响规律；最后，得出一般性结论，为工程实际提供指导。

2　理论分析

螺杆压缩机属于容积式压缩机，其理论吸气量仅与压缩机结构参数以及运行转速有关，计算式见公式（1）

其中Cφ——扭角系数

Cn1——面积利用系数

n——阳转子转速，r/min

λ——转子长径比

D1——阳转子半径，m

压缩机实际运行时，实际吸气量与理论吸气量存在一定差别，该差别主要与气缸内的气体泄漏情况有关，同时也与轴封系统的运行情况有关［5］。理论分析如下：

（1）气缸内泄漏：螺杆压缩机气缸内各齿间容积压力不等，高压侧的气体向低压侧泄漏，直接或间接回到压缩机吸气腔，泄漏通道包括接触线，泄漏三角形，转子齿顶间隙以及转子排气端面间隙。影响气缸内泄漏量大小的因素有很多，既包括转子尺寸、转子型线、转子材质以及配合间隙等几何参数，也包括运行转速、吸排气压力、喷液量以及气体组分等运行工况参数。

（2）轴封结构：无油工艺螺杆压缩机在阴、阳转子的吸、排气端各配置一套轴封装置，轴封装置一般包括主密封、前置密封以及平衡用密封（参见图1虚线框内部分）。主密封采用机械密封或者干气密封，泄漏量很少，其影响可以忽略；前置密封采用碳环密封或者迷宫密封，吸气端前置密封泄漏气直接进入压缩机入口，排气端前置密封泄漏气经平衡管间接回到压缩机入口；平衡用密封采用碳环密封或者迷宫密封，泄漏介质为带液介质气，通过平衡管回到压缩机入口。

可见，气缸内泄漏、平衡用密封气回流以及前置密封气进入吸气端是导致实际吸气量减小的直接原因。当然需要强调的是，上述3路气流不仅以占用容积的方式直接地减小实际吸气量，而且由于其温度通常高于压缩机入口温度，导致压缩机吸气腔内温度高于吸气管道内的温度，因此还以降低密度的方式进一步减小实际吸气量。

本文为了分析方便，给出以下基本假设：

（a）吸气腔内温度、压力处处相等；

（b）吸气腔压力等于环境大气压力；

（c）忽略压缩机入口水的蒸汽压对吸气量的影响；

（d）忽略平衡管回流中含液情况对吸气量的影响。

另外规定，以吸气腔的温度、压力作为参考状态，后文中出现的实际吸气量、气缸内泄漏量、平衡用密封气回流量以及吸气端密封气泄漏量，如无特殊说明，其大小均指在此参考状态下换算得出的。

结合以上分析、假设和规定，根据质量守恒原理，即可得出式（2）

其中Q理论——压缩机理论吸气量/m3·min-1

Q实际——通过压缩机入口管道的实际吸气量/m3·min-1

Q吸端密封气——指吸气端密封气泄漏量/m3·min-1

Q平衡管——平衡管回流气量/m3·min-1，包括了平衡用密封泄漏量以及排气端密封气泄漏量

Q内泄漏——指气缸内泄漏至吸气腔的气量/m3·min-1

由式（2）得出压缩机实际吸气量的计算公式（3）

可见，压缩机实际吸气量与理论吸气量的差值，即为吸端密封气泄漏量、平衡管回流量以及气缸内泄漏量三者之和。

其中，平衡管回流与气缸内泄漏的理论计算涉及两相流模型，不仅建模难度极大，而且相关边界条件的设定也缺乏依据，难以保证计算精度。因此，为了准确的得到三者与吸气量之间的关系，需要通过实验测量进行分析，故本文搭建无油工艺螺杆压缩机性能测试实验台，对相关问题进行实验研究。

图1　实验台流程图

3　实验研究

3.1实验装置

本文搭建的无油工艺螺杆压缩机性能测试实验台，其设计完全参考工程实际，采用的压缩机是转子直径为204 mm的无油工艺螺杆压缩机，实验装置流程图如图1所示。

由图1可以看出，孔板流量计安装在吸气管路上，用于测量入口状态下的实际吸气量，吸气管路与大气连通；排气阀安装在气液分离器后，用于调节压缩机排气压力；主电机为变频电机，可以连续调节压缩机转速；浮子流量计安装在压缩机入口喷液管路上，用于测量喷液量。另外，在螺杆压缩机阴、阳转子的吸、排气端各配置一套轴封装置。实验台的实物图如图2所示。

3.2实验测量方法及内容

本文搭建的实验台主要目的是对吸端密封气泄漏量、平衡管回流量以及气缸内泄漏量进行测量分析，从而得出不同工况对压缩机实际吸气量的影响。

3.2.1吸端密封气泄漏量的测量

吸端密封气的流量是可以直接测量的，通过在密封气管道上布置一个浮子流量计，测得压缩机吸端密封气的泄漏量。

3.2.2平衡管回流量的测量

平衡管内的回流可以看成两路气流汇聚而成，一路是来自排气端的密封气，另一路是来自平衡用密封的带液介质气。在转速、排气压力、喷液量大小有所变动时，平衡管内的压力、温度以及含液比例也会随之发生变化，因此很难找到合适的流量仪表对平衡管内的气量进行测量。为此，本文采取对比实验的方法，对平衡管回流量进行间接测量。

图2　实验装置图

由前文可知，如果把平衡管直接放空，而不接回到压缩机入口，那么平衡管的回流量就没有回到压缩机入口，此时实际吸气量的计算公式变为式（4）

由于平衡管放空对吸气端密封气泄漏的影响很小，因此将平衡管放空后，其实际吸气量必然大于此前测量的实际吸气量，而两者的差值，即为平衡管回流量的大小。

3.2.3气缸内泄漏量的测量

由于无油螺杆压缩机的内泄漏通道较为复杂，而且压缩机运行时，泄漏通道的结构几何特性与两侧气体状态都是时刻变化的，因此，理论上无法对气缸内泄漏至吸气腔的气量进行直接而精确地测量。为此，将式（4）进行等式变换得到式（5）

因此，只需测得平衡管放空时的实际吸气量，利用式（5）就可以对气缸内泄漏量进行测量。

4　实验结果及分析

4.1实验结果

4.1.1吸端密封气泄漏量

以压缩机转速3600 r/min、排气压力0.3 MPa、喷液量1 t/h时的工况为例，调节前置密封进气压力至0.05 MPa，调节干气密封进气压力至0.1 MPa，使用浮子流量计，测量此时吸气端密封气泄漏量约为0.38 m3·min-1。分别改变压缩机转速，排气压力、喷液量，发现仪表读数并未发生明显变化，而提高吸气端密封的充气压力时，密封气泄漏量明显增加。

由此可见，吸气端密封气的泄漏量与压缩机转速、排气压力以及喷液量关系不明显，而充气压力对其有明显影响。上述结论符合碳环密封的工作特性。

4.1.2平衡管回流量

以压缩机转速3600 r/min为例，通过实验，测到不同排气压力条件下平衡管回流量关于喷液量的变化曲线，如图3所示。

由图可知，排气压力和喷液量对平衡管回流量的影响较为明显。

图3　平衡管回流量变化曲线

（1）在相同的排气压力下，喷液量越大，平衡管回流量越小，以排气压力0.2 MPa为例，当喷液量小于0.75 t/h时，随着喷液量的增加，平衡管回流量快速减小，而喷液量继续增加时，平衡管回流量减小速度缓慢。

（2）在相同的喷液量下，排气压力越大，平衡管回流量越大，并且喷液量越小，排气压力对平衡管回流量的影响越明显。例如，喷液量为0.5 t/h时，排气压力每增加0.1 MPa，平衡管回流量减小0.4 m3/min，而喷液量为2.5 t/h时，排气压力每增加0.1 MPa，平衡管回流量减小0.1 m3/min。

4.1.3气缸内泄漏量

以转速3600 r/min为例，测得不同排气压力条件下气缸内泄漏至吸气腔的气量关于喷液量的变化曲线，如图4所示。

图4　气缸内泄漏流量变化曲线

由图可知，内泄漏量受排气压力与喷液量的影响较为明显。在相同的的喷液量下，排气压力越高，内泄漏量越大；在相同排气压力下，喷液量越小内泄漏越大，以排气压力0.2 MPa为例，当喷液量小于1.0 t/h时，随着喷液量的增加，内泄漏量快速减小，而喷液量继续增加时，内泄漏量减小缓慢。

4.2影响实际吸气量的综合分析

分析以上实验结果可以看出，气缸内泄漏量约为平衡管回流量的4倍，约占理论气量的25%～45%，而吸气端前置密封气的流量较小，其影响可以忽略。

事实上，转速对平衡管回流量以及内泄漏量也是有一定影响的。因为喷液量不变时，转速越高，气缸及排气腔内的含液比例越小，导致平衡管回流以及气缸内泄漏的流量越大；另外，转速增高，转子与壳体的相对滑移速度增加，也会导致气缸内泄漏量的增加。

可见，转速的增加不仅提高了理论吸气量，同时也提高了平衡管回流量和气缸内泄漏量。因此，无油工艺螺杆压缩机喷液运行时，转速对实际吸气量的影响既有正面因素，也有负面因素。根据目前实验结果的统计来看，绝大多数情况下吸气量随转速的增加而增加，并且近似成线性关系。

下面以若干工况下的转速实验结果为参考，对压缩机的实际吸气量进行综合分析，如图5所示。

图5　吸气量随转速的变化曲线

由5图可以看出：

曲线1：理论吸气量，与压缩机的排气压力、喷液量大小无关，对于同一台压缩机，仅与转速成正比。

曲线2：排气压力0.3 MPa，喷液量1 t/h，可见吸气量明显低于理论吸气量，两者的差值即为吸端前置密封气泄漏量、平衡管回流量以及气缸内泄漏量之和；另外，吸气量随转速增加的速度低于理论吸气量随转速增加的速度，这是由于转速增加导致气缸内泄漏量和平衡管回流量增加引起的。

曲线3：排气压力0.3 MPa，喷液量0.25 t/h，可见吸气量明显低于曲线2，这是因为喷液量减小时，气缸内泄漏量与平衡管回流量增加。

曲线4：排气压力为0.2 MPa，喷液量为1 t/h，可见吸气量明显高于曲线2，这是因为排气压力减小，气缸内泄漏量与平衡管回流量减小。

曲线5：排气压力为0.2 MPa，喷液量为0，可见吸气量明显低于曲线4，并且平均斜率与曲线1十分接近。这是因为当喷液量减小到0时，由于缺少液体的密封作用，气缸内泄漏量及平衡管回流量达到最大；另外，转速改变对平衡管回流量几乎没有影响，而对内泄漏量的影响也仅体现在滑移速度的变化（实验间隔时间较短，忽略泄漏间隙的变化），因此相比于曲线2、3、4，曲线5与曲线1的斜率最为接近。

5　结语

本文搭建了无油工艺螺杆压缩机性能测试试验台，对影响压缩机实际吸气量的因素进行了实验研究和分析，研究结果表明：

（1）压缩机实际吸气量与理论吸气量存在一定的差值，其中内泄漏量所占比重最大，其次是平衡管回流量，密封气泄漏量的影响可以忽略。

（2）在一定的排气压力下，喷液量越大，气缸内泄漏量及平衡管回流量越小，此时吸气量越大，喷液量足够大后，吸气量基本保持不变。

（3）在一定的喷液量下，排气压力越低，气缸内泄漏量及平衡管回流量越小，此时吸气量越大。

（4）转速越高，内泄漏量越大，同时吸气量也越大，并与转速呈近似线性增长关系。

根据以上结论，为工程设计人员提出以下建议：

（1）在对转子直径小于350 mm的压缩机吸气量进行计算校核时，平衡管回流量对实际吸气量的影响明显，不可忽略。

（2）计算气缸内泄漏量时，应该充分考虑排气压力以及喷液量对计算结果的影响。

（3）合理设计喷液量。在保证排气温度不超标的同时，适当增加喷液量，不仅提高了吸气量，而且减小了压缩机的设计转速，因此在节省功耗的同时，还可能省去增速箱的配置，从而减少采购、成套成本，同时也提高了机组运行的可靠性。

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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

刘常峰（1983-），男，工程师，主要从事螺杆压缩机工作过程与性能研究。E-mail:13917239618@126.com

2014-10-27

国家自然科学基金项目（51406047）