淺析兩級壓縮中壓螺桿空氣壓縮機的系統設計

徐偉+蔣建江

摘 要：研發了一款兩級壓縮、雙機頭組合應用的中壓螺桿壓縮機，以滿足國內市場對中壓螺桿空氣壓縮機的需求。嘗試運用1臺雙軸伸電機實現對2個壓縮主機的驅動，在此基礎上，進行了整機系統設計，運用三維造型軟件Pro/E進行了整機系統的虛擬設計，以縮短設計周期，樣機試制與樣機檢測數據達到了設計輸入的要求。結果證明，雙螺桿壓縮主機的組合應用在中高壓領域是可行的，且相比傳統并聯或串聯式兩級壓縮機有很多突出優點。

關鍵詞：螺桿壓縮機；兩級壓縮；Pro/E；排氣壓力

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.104

空氣壓縮機作為傳統的通用機械，在我國的工業體系中有著舉足輕重的地位，而排氣壓力在3.0～5.0 MPa范圍內的中壓空壓機主要應用在冶金、化工、PET吹瓶等行業中。傳統的單級壓縮螺桿空氣壓縮機受其工作原理的限制，其排氣壓力無法做到中高壓，市場上的中壓空壓機也主要以活塞壓縮機為主，而活塞壓縮機有著噪聲大、故障點多、售后維修不方便等缺點。比如，合肥通用研究院的李奇等人通過螺桿壓縮機與活塞壓縮機串聯的形式來實現高的排氣壓力，這種方案的兩種壓縮機之間匹配和聯動技術一直是研究的熱點，也是難點所在，氣流脈動也是難以客服的難點之一。

單螺桿壓縮機雖然在單級高壓領域有一定的優勢，但星輪易磨損，磨損后的整機效率下降明顯，在市場上應用不夠成熟。因此，我公司針對中壓空壓機市場，特別是針對PET吹瓶壓縮機市場，研發了一款兩級壓縮螺桿壓縮機，目標是在兩級壓縮及雙機頭組合應用領域有所突破。

本文重點闡述了該中壓螺桿空氣壓縮機的系統設計，尋求最優的水冷兩級壓縮噴油螺桿壓縮機的整機系統方案，制造出系統穩定、可靠，具有自動精準控制、低能耗、低故障率的螺桿中壓空壓機。

1 整機方案

1.1 設計輸入的確定

目前，國內聚酯瓶的應用領域主要集中在碳酸軟飲料、礦泉水、食用油、調味類食品、農藥、醫藥、日化產品、熱灌裝飲料、酒類等領域，應用領域十分廣泛，且在持續擴大。PET吹瓶空壓機市場最常用的排氣壓力為4.0 MPa，根據市場調研及綜合考慮技術開發的可行性，設計輸入參數如表1所示。

1.2 主機設計

螺桿壓縮機的工作原理是利用一對相互嚙合的陰陽轉子的相互轉動實現封閉容積的變化，從而實現空氣壓縮。螺桿轉子的長徑比需控制在一定的范圍內，陰陽轉子共軛嚙合的原理尺寸決定了軸承的布置和尺寸，加之螺桿轉子的接觸線、泄漏三角形等的存在，導致螺桿壓縮機在單級高壓領域表現不足，或即使實現了單級高壓，也會因其泄漏量大、壓比過大而導致容積效率低、能耗大。

傳統的高壓螺桿機采用兩級壓縮是必然的選擇，目前，市場上常見的兩級壓縮螺桿壓縮機（比如開山）通常采用并聯的方式，這種主機需要在機頭內布置大量的齒輪傳動，加之機頭內部結構復雜、軸承受力等因素，該種機頭通常的排氣壓力在3.0 MPa以下。本項目拋開傳統的兩級機頭并聯和串聯的思維，運用雙機頭組合的方案，利用雙軸伸電機頭尾帶動2個機頭，即一級壓縮主機和二級壓縮主機采用一個驅動電機帶動，空氣經一級壓縮至一定壓力后經過級間冷卻再進入二級壓縮，進而得到理想的排氣壓力。

1.3 冷卻方式

常見的中高壓空氣壓縮機冷卻方式有水冷式和風冷式，相比于風冷式壓縮機，水冷式壓縮機的優點有冷卻效果更好、冷卻塔布置在主機之外（整機更易布置）、冷卻水有一定的清潔作用，有助于延長設備的保養清洗周期和提高壓縮空氣質量。

1.4 系統流程設計

機組采用整體結構，除水冷卻塔和水泵外，所屬的主、輔設備都布置在同一底架上，整機包括雙軸伸電機、一級螺桿壓縮機主機、二級螺桿壓縮機主機、一級和二級油氣分離器、一級和二級油冷卻器、一級和二級冷卻器及空濾、止回閥、進氣閥、溫控閥、比例閥和自動控制系統等。

自動控制系統包括主電機的變頻控制，一、二級主機的進、排氣溫度，一、二級進、排氣壓力，潤滑油溫度，冷卻水溫度的過臨界點的超溫，超壓保護或過低保護，電機和控制系統的過載保護、短路保護等。電機啟動采用軟啟動，以減少對電網的沖擊。系統流程圖如圖1所示。

2 結構設計與樣機試驗

在Pro/E軟件中虛擬設計的整機如圖2所示。

在完成主機的熱力計算和結構設計后，進行整機的系統結構設計與布局。為了降低新產品開發的成本和縮短研發周期，我們采用PTC公司的三維造型設計軟件PROE進行整機三維模型及圖紙的設計，建立主要零部件的三維模型和系統管道模型，確定各設備的相對位置與銜接關系，并虛擬裝配，消除零件之間的干涉。為了優化水管系統的布置，將一級冷卻器與一級油冷卻器進行一體化設計，將二級冷卻器與二級油冷卻器合并成一體，這樣做的好處是不僅節省了空間，還降低了水路布置的難度，將流程圖中的4路進水管縮減為2路，將4路排水管也縮減至2路。在油氣分離器的布置上，遵循“就近”的原則，即一級油氣分離器靠近一級壓縮主機，二級油氣分離器靠近二級壓縮主機，目的是有效降低管道布置的難度，減小氣流脈動引起的整機振動。在各類氣閥、控制閥、比例閥及電磁閥、儀表等輔助元件的布局滿足功能性需要的同時，兼顧安裝、維修的便利性。在電氣系統的布局上，充分利用整機的空間，并使主要的電氣元件、電控柜避開整機高溫區域。在整機布局大致完成后，考慮整體系統的空氣流場和溫度分布，在可能的高溫區域對應的外罩上開設排風風機，且在相應的外罩上開設百葉窗和網孔，以使整機的溫度與氣流分布合理。

在完成系統設計后，本項目組進行樣機試制與試驗，進行整機的各項參數測試，測試數據（取平均值）如表2所示。

3 結束語

測試數據表明整機的排氣壓力、排氣溫度、整機的穩定性及能效都達到了設計輸入的要求。樣機的成功研制及現場應用測試數據表明，水冷兩級壓縮及單電機驅動方案的具有可行性，也證明了螺桿壓縮機雙機頭組合應用在中高壓領域應用是完全可行的，同時，雙軸伸電機驅動壓縮機主機技術則是本產品的重要創新。

參考文獻

[1]邢子文.螺桿壓縮機、設計及應用[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2]李奇，鮑軍，譚躍進，等.大排量高壓空氣壓縮機組研制[J].流體機械，2009（08）.

[3]熊偉，馮全科.螺桿壓縮機研究現狀與熱點[J].流體機械，2005（03）.

[4]章根國.單螺桿壓縮機技術在PET吹瓶用領域應用前景分析[J].食品工業，2013（07）.

〔編輯：張思楠〕