英格索兰空压机专家介绍单螺杆空压机技术

发布日期:2018-07-27 18:08:00

一、技术历史

   用可靠性高的螺杆式压缩机取代易损件多、可靠性差的活塞式压缩机,已经成为必然趋势。日本螺杆压缩机1976年仅占27%,1985年则上升到85%。目前西方发达国家螺杆压缩机市场占有率为80%,并保持上升势头。螺杆压缩机具有结构简单、体积小、没有易损件、工作可靠、寿命长、维修简单等优点。
螺杆压缩机有双螺杆与单螺杆两种。单螺杆压缩机的发明比双螺杆压缩机晚十几年,设计上更趋合理、先进。单螺杆压缩机克服了双螺杆压缩机不平衡、轴承易损的缺点;具有寿命长,噪音低,更加节能等优点。八十年代技术成熟后,其应用范围在日渐扩大。

  单螺杆压缩机又称蜗杆压缩机,单螺杆压缩机的啮合副由一个6头螺杆和2个11齿的星轮构成。蜗杆同时与两个星轮啮合即使蜗杆受力平衡,又使排量增加一倍,压缩机的体积小,每分钟只有9立方米(9m3/min)蜗杆压缩机的重量仅为活塞式的1/6。蜗杆受力平衡使蜗杆压缩机具有一系列优点:

(1)运转平稳、振动小、噪声比双螺杆低10%以上;

(2)蜗杆没有弯曲变形,可以在高压下工作,例如:美国德莱赛·兰德公司生产的蜗杆工艺压缩机即使在一级压缩的条件也能达到6.61Mpa;

(3)啮合幅可以在很小的间隙下工作以减少泄漏,因而容积效率高、能耗低,比双螺杆节能。近年来双螺杆由于加工技术的提高和在研究齿形、挖掘各种参数(包括材料强度)的潜力方面已接近极限,使双螺杆比过去节能约20%。而喷油蜗杆压缩机减少因粘性而引起的剪切损失而不能采用小间隙,目前单、双螺杆压缩机在喷油机方面的能耗指数相当。但是在无油压缩机中,因粘性剪切损失大幅度降低,蜗杆压缩机的节能优势仍然明显;90年代的大型无油冷冻(空调)机的各项性能已全面达到或超过最节能的透平面式;美国格里迈尔·施密特公司声称,他们的无油蜗杆压缩机即使在一级压缩机的条件下也比两级压缩的双螺杆节能20%。此外,蜗杆压缩机由于轴承受力小,且星轮轴与蜗杆轴垂直交错,轴承尺寸不像双螺杆那样受限制,采用标准轴承时,轴承寿命为5万小时(球轴承)至10万小时(圆锥滚子轴承)。整机的"免维修"时间相应地在5-10万小时之间,压缩机的可靠性高、寿命长。潜水艇对压缩机的各项性能均有严格的要求,然而美国海军为了淘汰活塞式压缩机,对现有的各种压缩机进行了大量的试验与论证认为;蜗杆压缩机是潜水艇采用的最佳压缩机,对于高压无油压缩机来说是唯一的选择。美国海军从80年代开始积极研究并设法建立国内的技术来源。

蜗杆式比双螺杆式问世晚,但因性能优异而上升势头强劲,目前国际市场上单、双螺杆大体上平分秋色。主要用作空气压缩机、冷冻(空调)机、热泵和在化工生产的工艺流程中压缩各种气体或输送天然气、煤气等。目前只有美、日等五国在引进技术的基础上生产,以日本水平最高。

从1975年开始国内先后有几个单位研制蜗杆压缩机;1986年国家科委曾将蜗杆压缩机的研制工作列为重点攻关项目。这些研制工作均因未能解决一系列的关键技术而未获成功,主要表现为压缩机在运转过程中排气量迅速下降。如湖南某单位1994年研制的样机运转200小时后排气量从每分钟2.9立方米(2.9m3/min)下降到每分钟2.2立方米(2.2m3/min)。

 

二.技 术 概 况

1. 结构形式

  双螺杆压缩机是一种双轴容积式回转型压缩机,其主要是主(阳)副(阴)两根转子配合,组成啮合副,主副转子齿形外部同机壳内壁构成封闭的基元容积;而蜗杆压缩机是一种单轴容积式回转型压缩机,其啮合副是由一根蜗杆和两个对称平面布置的星轮所组成,由其蜗杆螺槽和星轮齿面及机壳内壁形成封闭的基元容积。
螺杆压缩机的机体均分为两种,一种为皮带传动式,另一种为直接传动式。其中皮带传动式较适用于22KW左右功率的压缩机,是由2个按速度比例制造的皮带轮将动力经由皮带传动;直接传动式是1个连轴器将电动源与主机结合在一起,蜗杆式压缩机可以直接带动蜗杆旋转,而双螺杆压缩机则须再增加一级增速齿轮以提高主转子的转速。

2. 工作过程

  双螺杆压缩机的工作过程:电动机经联轴器、增速齿轮或皮带带动主转子,由于两转子互相啮合,主转子即直接带动副转子一同旋转,在相对负压作用下,空气吸入,在齿峰与齿沟吻合作用下,气体被输送压缩,当转子啮合面转到与机壳排气口相通时,被压缩气体开始排出。
蜗杆压缩机的工作过程:电动机以联轴器或皮带将动力传到蜗杆轴上,由蜗杆带动星轮齿在蜗杆槽内相对移动,封闭基元容积发生变动,气体、输送压缩,当达到设计压力值,由主机壳体上左右两侧对称的三角形排气口排至油气分离器内。

  螺杆压缩机的主机壳体上均开有喷油孔,凭藉自身的压力差,在压缩过程中将油喷到压缩腔,以冷却气体,密封各部件间隙,并起到吸振、消声及润滑的作用。

 

三.技 术 对 比

现将蜗杆压缩机与活塞式压缩机、双螺杆压缩机的技术原理对比如下:

一).蜗杆压缩机与活塞式压缩机的比较:

活塞式的传动机构是曲轴连杆往复运动结构,与蜗杆式的旋转运动结构相比较,在技术上存在如下缺点:

1、 零部件的数量多,零部件的损坏的机率大,产品的可靠性低。这样必然增加用户的维修费用。
2、 曲轴连杆往复运动结构,由于其往复运动的特性,限制了其转速的提高,致使机器笨重,同时,该运动结构所产生的惯性力能以平衡,剩余的惯性力,会使机器产生振动、噪声以及零部件的不正常的损坏。所以活塞式振动大,机械性噪音大、可靠性低。
3、 气流噪音是空压机的主要噪声源。从气流噪声的角度,可以简要分析如下:
在空机上气流噪声主要是由气流脉动状况形成的,气流脉动与空压机在单位时间内排气次数直接相关。假定活塞式转速为每分钟740转(740r/min),一个二级缸,双作用,则每分钟排气次数为1440次。蜗杆式转速为每分钟2970转(2970r/min),12个气缸,则每分钟排气次数为35640次。单位时间内排气次数越少,气流脉动越严重,气流噪声也就越大。反之亦然,两者相比悬殊。

二) 蜗杆压缩机与双螺杆压缩机的比较:

  由技术概况可知,蜗杆压缩机除具备双螺杆回转式压缩机结构简单、紧凑、单位容积利用率高和无气阀组件等特点外,因其星轮对称地配置于蜗杆的两侧,还具有下列双螺杆压缩机所无法比拟的独特优点。

1、 单机容量大,无余隙容积

从蜗杆主机彩色图片上看,单螺杆上开有6个螺槽,由两个星轮将各螺槽分隔成上下两个空间,各自实现吸气、压缩、排气过程,而且是同步进行的,这是双螺杆压缩机无法做到的,也是在气流脉动,气流噪声方面无法比拟的地方。

由于两种型式的空压机转速可以完全相同,放在相同的转速下进行分析对比。由于蜗杆压缩机运行时,蜗杆每转一周,每一个蜗杆槽均工作两次(双作用),使蜗杆空间得到充分利用,因此与双螺杆压缩机相比,两者结构尺寸相同时,蜗杆压缩机排气量较大;而当两者排气量相同时,则蜗杆压缩机结构尺寸较小。
如以每分钟2970转(2970R/MIN)的蜗杆压缩机为例,每分钟压缩次数为2970*12=35640次;而双螺杆的2根螺杆的齿数比选其大的数值,取为5,相当于5个气缸,其转速也取为2970R/MIN,其每分钟次数为2970*5=14850次,显然与蜗杆压缩机的35640次相差很多。因此,双螺杆压缩机与蜗杆压缩机相比,在相同转速下单位内排气次数少,气流脉动大,气流噪声大。

此外,蜗杆的蜗杆槽深度随压力的增高而减少,在排气结束,星轮齿脱离单槽时,深度为零,故不存在余隙容积。因而,蜗杆压缩机较双螺杆压缩机的容积效率要高。

2、 结构合理,具有理想的力平衡性

双螺杆压缩机主机的主要件就是两个螺杆(俗称双螺杆),蜗杆压缩机的主要件是蜗杆(俗称单螺杆)。下面分析双螺杆,蜗杆的受力状况:

双螺杆压缩机在压缩气体的过程中,必然受到气体的反作用力,该力在两个螺杆上形成很大的径向力与轴向力(见宣传资料上的受力分析图),并自然传递到轴承上,所以双螺杆压缩机即使是选用最好的进口轴承,其寿命一般也只在一万五千个小时左右。

蜗杆压缩机在压缩气体的过程中,也同样必然受到气体的反作用力,该力也在蜗杆上形成很大的径向力和轴向力。蜗杆压缩机在蜗杆两端间开有引气通道,流至高压侧的气体将通过引气通道回流至低压侧,从而使蜗杆两端而上的气体力相互平衡。由于星轮在蜗杆轴线两侧对称布置,作用于蜗杆上的气体径向力平衡,作用于蜗杆槽内的气体轴向力也相互抵消,达到自身平衡(见受力分析图)。因此,蜗杆不受任何径向或轴向气体力的作用,且星轮片上所受的力也只是双螺杆压缩机的1/30左右,故蜗杆压缩机的主机能平衡,无振动地在高转速下运转,而无需特别的基础,仅需安放在水平地面上。蜗杆压缩机即使利用国产的普通轴承,其寿命也可以达到15万小时,而且可以在用户处就地维修。

3、 主机寿命长

由于蜗杆压缩机的高速轻载,啮合副型线的优化设计,间隙适当,容易在螺杆与星轮之间的间隙中建立流动体动力润滑油膜,从而有效地减少了星轮的磨损,降低了气体的泄漏,提高了机器的寿命与效率,保障了运行安全可靠。

4、 维护简便,易损件少

世界上没有永不磨损的机器,无论双螺杆压缩机还是蜗杆压缩机,在若干年后,均需对主机进行维修保养。

单就更换轴承而言,双螺杆压缩机的进、排气端4只重载轴承和2只四点轴承均需国外购进,成本昂贵;如若主、副转子出现磨损或者轴承走外圈,主副转子与机壳内壁发生磨擦,均无法在现场维修,须将主机运回生产厂,并花费巨额费用(约占整机售价的1/4~1/3)。而蜗杆压缩机则无此顾虑,在生产厂家技术人员的指导下,现场即能进行解决,其费用极低。

同时,由于双螺杆压缩机受力不好,轴承受力大,其机械噪声也要比单螺杆压缩机要大。

《注:上述资料有部分摘自相关技术书刊》



四.设 计 及 制 作 标 准 的 比 较

OG系列蜗杆空压机除了在结构紧凑,设计先进,运行可靠,效率高等技术上有着与活塞式空压机、双螺杆空压机所无法比拟的特点外,还有其独自的特点:

1. 主机和电动机壳体采用了凸凹法兰简相连接,实现了理想对中,其主机机轴和马达轴又采用了弹性梅花形缓冲联轴器,从而使其安装容易,延长了整机使用寿命。

2. 箱体内附有吸音材料,更配有消音整流罩,通过这些全面有效的降噪措施,使其噪声与同类型空压机相比更为降低,特别是使用200-300小时后,更为明显。

3. 独有的油气分离器结构,并配以国外进口高品质的滤材,以ISO8573要求制作的JH型高效折叠滤芯,分离芯表面积比一般分离器的要高几倍,能更有效地分离油雾,含油量小于5PPM,相比于竞争者的分离器设计更为优化。

4. 机油过滤器采用了带压差开关旋转式,便于检查更换的优点外,10微米级全流量能保证所有工作部件的更长的寿命。

5. 坚固的带有起重槽口的钢结构底座,有力地支承着整体,不需再另外加固地基或象双螺杆空压机那样有避震设施,就能保证平稳无震动运行。当机器在满负荷运行时,即使一枚硬币直立在机身上也不会倒下。

6. 冷却系统依据各地平均温度湿度的数值,专为高温高湿度的地区设计的B940系列板翅式铝合金结构冷却器,不仅热交换能力提高20%以上,并加强了材料结构及抗酸碱性处理,使其抗压、抗化学能力提高,较其它空压机的冷却系统,更能适应夏季40℃-48℃高温高湿地区,而机内的温控系统更兼有低温自动调节功能,同时适用于冬夏温差过大地区。

7. 全程调整卸载阀,系列卸载阀使用铸铝,本结构零部件经长效耐磨处理,动作稳定准确,较一般空压机所用膜片式、阀板式等相比,故障率极低;更因其紧密的进气设计,减少了启动负荷,提高了空载自动切断回油的能力,再配气路控制,有效的实现了气量调节,减少整机电流消耗。

8. 调节系统

A. 蜗杆式空压机设有专门的调节系统,利用压力控制器控制该系统的相关部件和气动元件,使压缩机始终在最佳效率中运行,并精确地满足需要,调节范围0.55/0.7MPa~0.85/1.0MPa并可按客户要求另行商议设定。

B. 负载/卸载控制:当用气量发生变化小于98%时,压缩机自动进入卸载状况,在此状态下工作超过设定6分钟,控制系统指令停机,以免不必要的电能消耗,当用气量增大时,则自动启动转入负载状态。

C. 当用气量在机组容量的10%-100%之间变化时,压缩机自动调节吸气量,实现无级调节气量,使用气量与吸气量始终达到一个相对平衡的状态,在0.65MPa时,电流消耗要降低20-30A。

9. 安全运行装置
A. 带锁定的紧急停车按钮
B. 仪表控制面设有监控装置,显示各种有关工况和参数,便于 操作, 各种故障报警灯,可以快速判断。
C. 高温控制器,当油所气温度过高时可使压缩机停机。
D. 断相与相序保护。
E. 电机过热保护,防止主电机和风扇电机超载。
F. 断水低水压,停机延时控制(水冷型)。
G. 油滤堵塞指示

  以上的这些系统的比较说明,均充分显示了蜗杆式空压机的优越性能,故而经长期使用,其维修费用在压缩机行业里已降到了最低限度,日常运行仅需要更换清理空气滤清器芯子,油过滤器芯,油分离器芯和压缩机油,并随周期按规定执行,维护保养更由于箱罩可拆卸,因此,使用、保养、维修均很方便。

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