無油螺桿壓縮機干氣系統的應用

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、醫藥、電子、化工等行業中得到廣泛的應用。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)防止潤滑油竄入壓縮腔；(2)防止齒輪箱中的油氣泄漏到環境中；(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，通過電磁閥實現自動切換。該系統，在壓縮機運行時，能有效的防止潤滑油竄入壓縮腔；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，我們將該系統稱作“干氣系統”。

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域和無油區域兩部分。安裝在軸上的螺旋油封(又稱螺紋密封，黃色部分)會阻止潤滑油向壓縮腔方向遷移，而壓縮腔兩端的氣封(碳環，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。

這種現象在壓縮機卸載時會發生。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)呈現負壓狀態，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象。所以，如果發現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，真空發生器具有結構簡單，故障率低，不需要額外的動力裝置的優點。

3.2 常壓法

所謂“常壓法”，就是齒輪箱中始終處于常壓狀態。

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，污染周圍的環境。但是，這種結構有可能發生如上描述的“竄油”現象。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。其最大的優點在于，即使油封磨損失效，出現漏油現象，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，不會發生竄油的現象。

4 干氣系統介紹

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”，其流程圖如圖5。

圖5 干氣系統流程圖

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)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生器16后，由放空消音器23排放入大氣。由于真空發生器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)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。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 干氣系統優點

干氣系統由于采用“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，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”的技術背景、原理、流程以及在現實中的應用進行了詳細的敘述。該系統不但對壓縮機的使用環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。