淺談噴油特性對螺桿空壓機的熱力性能影響

呂 鵬，劉建超

(91251部隊，上海 200940)

1 引言

螺桿空氣壓縮機是一種容積式壓縮機，具有可靠性高、操作維護方便以及動力平衡性好等獨特的優點，被廣泛應用于空氣動力等工業領域?？諌簷C在運行時，向壓縮腔中噴入適量的潤滑油，可以在轉子之間形成良好的油膜，能夠及時有效降低轉子之間的摩擦、冷卻和密封壓縮空氣。但噴入的潤滑油使空壓機摩擦增大、粘性剪切和攪拌耗功以及吸氣預熱等方面的損失，增加了空壓機的功耗，使空壓機性能受到影響[1]。因此從理論上分析，空壓機應該具有最佳噴油量。另外，壓縮機組中通過植入變頻器控制電機轉速的方式，雖然可以實現對空壓機排氣量的調節，使螺桿空壓機性能更加優越，但壓縮氣體的相對泄漏量隨著空壓機運行轉速的變化而變化，同樣影響空壓機的性能，為使空壓機在不同轉速下性能最佳，應該在空壓機油路系統安裝油量調節裝置。

2 螺桿空壓機的潤滑系統與噴油特性

2.1 潤滑系統組成

螺桿空壓機油路系統主要由空壓機主體、油氣分離器、油冷卻器、溫控閥和油過濾器等組成，空壓機潤滑系統如圖1所示。有些螺桿空壓機還在排氣口處安裝溫度傳感器的方式代替了溫控閥，并由主變頻器直接監測并控制排氣溫度與排油溫度。在空壓機的工作過程中，空氣在空壓機腔內被壓縮到特定狀態后潤滑油從噴油孔口噴入，并在齒間容積內與被壓縮的空氣混合形成油氣混合物。因此，壓縮后的空氣會含有大量的油霧滴，空壓機排氣口出來的高溫高壓混合氣體需要先進入油氣分離器，經過分離后潤滑油先后經過油冷卻器和油過濾器再噴入到壓縮腔中完成整個循環。

圖1 螺桿空壓機噴油系統組成圖

但是，油氣分離器的效率并不能達到百分之百，為了維持空壓機內所需潤滑油的平衡，系統中需要向螺桿空壓機的吸氣端提供適當的潤滑油量即回油量，滿足回油量不低于排氣含油量的條件時，空壓機的油路系統循環才能順利運行。過濾后的潤滑油在進入噴油孔口之前，主噴油管會旁通一支管路向空壓機軸承腔噴油來冷卻因承受載荷而溫度升高的軸承。

螺桿空壓機油路系統的油氣分離器中通常會安裝最小壓力閥來建立空壓機組內壓，促使油路系統中潤滑油的循環、滿足減荷閥的工作壓力、避免壓力差對分離器的傷害的作用。最小壓力閥存在的原因是空壓機的潤滑油供給是靠機器本身的壓力差進行的，并未設置額外的油泵，當空壓機處于空載狀態時，機器仍然需要一定的壓力維持油路系統的循環，所以空壓機進氣閥相對關閉，而最小壓力閥防止壓力泄漏，保證著空壓機中潤滑油的循環。另外，最小壓力閥還起到單向閥的作用，可以防止空壓機在卸載運行時空氣倒流。

2.2 潤滑油量計算

對于噴油螺桿空壓機整個壓縮過程，如果給定排氣溫度之后，螺桿空壓機的理論噴油量可由空壓機的熱平衡確定，反之如果確定噴油量等參數，也可求出理論排氣溫度。根據能量守恒定律，得到空壓機的熱平衡式如下

Pe=qm，lCp，l(Td，l-Ts，l)+qm，gCp，g(Td，g-Ts，g)

式中Pe--空壓機的軸功率，kW

qm，l--潤滑油的質量流量，kg·s-1

Cp，l--油的比定壓熱容，kJ·(kg·k)-1

Td，l--排油溫度，K

Ts，l--噴油溫度，K

qm，g--壓縮空氣的質量流量，kg·s-1

Cp，g--空氣的比定壓熱容，kJ·(kg·k)-1

Td，g--排氣溫度，K

Ts，g--空壓機吸氣溫度，K

螺桿空壓機噴油量的理論計算時一般假定式中的排油溫度與排氣溫度相同，并且認為該過程并不向外界散失熱量。實際壓縮過程中因為潤滑油與空氣之間的換熱溫差以及存在與外界之間的換熱，計算結果必然會產生相應的偏差，具體應用時還需要參照實驗數據加以修正。值得注意的是，除了向轉子齒間容積噴油以外，螺桿空壓機軸承和軸封處也需要相應潤滑油量。因為空氣幾乎不溶于油，所以供給空壓機中所有部件的油，最終都起到了控制排氣溫度的作用，只是傳遞的路徑各不相同。該公式中僅是理論上單純考慮換熱確定的噴油量，在實際模擬和計算中，還需要考慮到泄漏和功耗等因素的影響。

2.3 噴油霧化程度

在螺桿空壓機工作過程中，對工作腔噴入的潤滑油都很好的增強了壓縮介質的換熱，起到了潤滑、密封和降噪的作用。對于不同的工作介質，噴入空壓機腔內的潤滑油的類別和物性必然不同。針對空壓機選用潤滑油時除了考慮潤滑油粘度外，還要同時考慮潤滑油的抗氧化性、抗泡沫性、抗腐蝕性和抗乳化性等指標。

噴油過程中，潤滑油自身的粘性力、所受到的空氣阻力和油的表面張力對油的噴射破碎機理起主要的作用。壓縮腔中的空氣阻力使噴入的較大油滴產生扭曲變形，并結合油與壓縮空氣之間的摩擦作用，將由于油滴內部擾動而形成凸出于油滴表面的部分分裂開去，并在油的表面張力作用下形成較小油滴。顯然，空氣阻力需要克服表面張力與粘性力的合力才可以使油滴發生扭曲變形、分散油滴，直至它們的合力重新達到平衡狀態。油滴霧化效果可以用油滴尺寸的微分方程式描述，即：

式中a，b--油滴的分布系數，通常由實驗確定

n--包括所有直徑的油滴數量

此外，影響螺桿空壓機噴油過程的參數還包括噴油孔口的位置和直徑、噴油溫度和噴油量等，這些參數都直接或者間接影響噴油的霧化效果。在螺桿空壓機中通常采用維勃數的大小來判定潤滑油霧化程度的好壞，其中油滴的霧化形式可以分為滴下液流、光滑液流、波紋流和噴霧流[2]。顯然，在滿足空壓機密封的前提下，噴霧流可以充分的與壓縮空氣換熱，效果最佳。

3 噴油特性對螺桿空壓機的性能影響

3.1 對排氣溫度的影響

相比較干式螺桿空壓機，潤滑油的噴入使螺桿空壓機的性能發生了很大的變化，簡化了結構、提高了壓比、控制了排氣溫度并降低了噪聲。噴油螺桿空壓機的排氣溫度不再由壓比和空氣物性決定，而是潤滑系統、噴油量、壓縮機轉速、空氣比容等聯合作用的結果。根據前述中理論噴油量的計算公式，如果噴油量足夠多、噴油溫度足夠低，那么空壓機的排氣溫度完全可以低于進氣溫度。但這種工況并不是等溫壓縮過程的實現，是因為噴入足量潤滑油的原因，實際的運行效率依舊低于絕熱壓縮效率。在變頻螺桿空壓機中，當空壓機運行轉速較高時，轉子之間的摩擦交大，潤滑油與壓縮空氣之間換熱不充分，相同噴油量下理論排氣溫度應該較高；而轉速較低時，理論排氣溫度也會較低。

3.2 對容積效率的影響

容積效率是衡量空壓機運行特性的重要指標之一。噴油螺桿空壓機的容積效率反映了空壓機幾何尺寸利用的完善程度。噴油螺桿空壓機的實際容積流量和容積效率可以通過理論計算求出。螺桿空壓機的容積效率受型線種類、壓差、轉速和噴油與否等諸多因素的限制。潤滑油的噴入對空壓機多條泄漏通道起到了很好的密封作用，從而顯著降低了泄漏，提高了容積效率。實際運行中，噴油螺桿空壓機的容積效率是轉子型線、運行工況和容積流量的函數。理論分析螺桿空壓機變轉速運行時，同一噴油量下轉速越高，容積流量越大、密封效果越好，理論容積效率也應該越高；當轉速恒定時，噴油量的增多應該會使容積效率逐漸增大，但不能忽視空壓機中回油量的影響。

3.3 對絕熱效率的影響

絕熱效率是衡量空壓機性能的另一個重要指標，反映了空壓機能量利用的完善程度。噴油螺桿空壓機的等熵絕熱功率可以通過式下列公式計算得到，此時壓縮空氣被當作理想氣體處理。等熵絕熱功率與空壓機實際軸功率的比值式就是絕熱效率。

ηad=Pad/Pe

式中ps、pd--空壓機吸、排氣壓力，MPa

κ--空氣等熵過程指數

Qv--空壓機的實際容積流量，m3·s-1

可以看出，噴油螺桿空壓機的絕熱效率也是轉子型線、運行工況和容積流量的函數?？諌簷C工作過程中，潤滑油在起到密封作用的同時也受到轉子攪油的剪切摩擦作用，需要吸收一定的功[3]。顯然，耗功的多少與噴油量的大小、空壓機轉速和潤滑油粘度密切相關。理論上來說，對于絕熱效率而言，轉速恒定時噴油量應該有最佳值；變頻螺桿空壓機運行時，轉速和噴油量應該精確配合，空壓機性能才會最優。

4 結語

本文主要介紹了螺桿空壓機噴油系統、噴油參數及霧化特性對空壓機性能的影響。潤滑油的噴入不僅降低了排氣溫度，還能改善了空壓機的效率。變頻螺桿空壓機可以通過改變轉子轉速來改變其容積流量，因此噴油不能局限在傳統螺桿空壓機定轉速運行工況下考慮和計算，而是應該與轉速合理配合。螺桿空壓機的理想噴油量應該是在理論計算的基礎上加以實際修正。螺桿空壓機的噴油孔徑、噴油量和噴油壓力等決定了潤滑油的霧化程度，實際中應在滿足空壓機密封的前提下，采取換熱效果最佳的噴霧流。變頻螺桿空壓機的性能與運行噴油特性關系更加密切，針對性的油量調節裝置可使變頻螺桿空壓機在不同轉速下性能更佳。