水润滑单螺杆空气压缩机性能影响因素的试验研究_李亚南.pdf

为了深入研究水润滑单螺杆空气压缩机性能的影响因素，设计制造了一台水润滑单螺杆空气压缩机，并搭建了测试试验台，通过试验研究了不同转速、排气压力和喷水流量对水润滑单螺杆压缩机性能的影响 结果表明，增加转速可以减小泄漏量，提高压缩机的性能 其余工况不变，只增大喷水流量时，可以提高压缩机的水气比，增强水气之间的换热和压缩机的密封效果，进而提高水润滑单螺杆空气压缩机的各项性能 如转速为 、排气压力为.时，喷水流量由 提高至 ，压缩机的容积效率提高.，绝热效率提高 ，比功率降低.（）由于水的黏度远小于润滑油，因此为了保证压缩机的性能，水气比要高于同工况下的油气比 在额定转速 下，排气压力为.时，建议的水气比范围为.关键词：水润滑；单螺杆空气压缩机；热力性能；喷水流量；水气比；性能提升中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：收稿日期：；修回日期：基金项目：北京市自然科学基金资助项目（）作者简介：李亚南（），女，博士研究生，主要从事水润滑单螺杆压缩机方面的研究，：，（，；，）：，.，.（），.，第 期李亚南，等：水润滑单螺杆空气压缩机性能影响因素的试验研究 ，.，.：；随着人们对能源和环境的不断重视，节能、环保、高效已成为空气压缩机的发展趋势 尤其在医疗、食品、纺织、电子、化工等领域，对纯净无油的压缩空气的需求越来越迫切，水润滑单螺杆压缩机应运而生 水润滑单螺杆压缩机采用纯净水作为润滑介质，而不是用润滑油，可以保证压缩空气的清洁，同时由于水的冷却性能高于润滑油，可以有效降低压缩机的排气温度 而且单螺杆压缩机具有受力平衡、振动小、噪声低、寿命长、容积效率高和适用压力范围广等多方面的优势 因此，水润滑单螺杆压缩机的研究和发展得到了越来越多的关注为了提高单螺杆压缩机的性能，国内外学者做了很多研究，并取得了很大的进展 等最先提出了单螺杆结构的压缩机，并给出了一些单螺杆压缩机结构设计的经验数据 为了提高星轮片的耐磨性，等提出多圆柱包络啮合副，对采用多圆柱包络啮合副的单螺杆制冷压缩机的工作腔表面几何特性、泄漏特性、传热特性、磨损特性以及热力学性能进行了研究，证明采用多圆柱包络啮合副可以有效提高压缩机的性能 等研究了啮合间隙对单螺杆制冷压缩机性能的影响，给出了建议的啮合间隙为.，为单螺杆制冷压缩机的结构设计优化提供了研究依据 等提出了一种精确计算不同初始位置和不同喷液孔尺寸下喷液面积变化的方法，研究了不同喷液孔形状和工况下单螺杆制冷压缩机的性能，为单螺杆制冷压缩机喷液孔的结构设计提供了理论基础试验研究是研究单螺杆压缩机性能影响因素的有效方法 在单螺杆压缩机性能试验研究方面，黄远明通过试验测试了改变转速、喷油量、喷油温度等参数时喷油单螺杆压缩机的性能 辛电波等通过试验研究了喷油单螺杆压缩机容积效率、绝热效率和比功率等随转速、排气压力、油气体积比变化的一般规律，得出了油气体积比为 时压缩机性能较好吴建华等对单螺杆压缩机的工作性能进行了试验研究，得出了最佳内外压力比与内容积比的近似关系 李红旗等对喷油单螺杆压缩机转子螺槽的表面温度进行了测量 林强等通过试验研究了喷油雾化对单螺杆压缩机性能的影响，证明了为了保证润滑油雾化良好，所研究的单螺杆压缩机喷油的韦伯数应不小于 刘闪威等设计并制造了一台热泵用单螺杆压缩机，通过试验测试了单螺杆压缩机的制热量、输入功率、容积效率以及排气温度等参数在不同工况下的变化规律，为单螺杆压缩机在空气源热泵的应用提供数据参考油润滑单螺杆压缩机依靠喷油进行润滑、密封和冷却，而水润滑单螺杆压缩机采用水作为润滑介质 由于水的比热、黏度等参数与润滑油有很大的差别，因此有必要研究影响水润滑单螺杆压缩机性能的关键因素 目前关于水润滑单螺杆空气压缩机的研究主要有以下方面 陈伟成等介绍了全无油喷水单螺杆压缩机研发的关键技术与其具体的结构、水质的要求等 在啮合副型线方面，等进行了很多研究，发现多圆柱包络啮合副可以有效提高水润滑单螺杆压缩机的润滑效果 吴震宇等通过仿真分析了在高工作转速下燃料电池用单螺杆空气压缩机的压缩空气物性参数、容积效率和能量利用率的变化规律，并在后续进行了试验 但已有的研究都未对转速、排气压力和喷水流量对水润滑单螺杆空气压缩机性能的影响规律进行系统地试验研究因此，为了深入研究转速、排气压力和喷水流量对水润滑单螺杆空气压缩机性能的影响规律，提升压缩机的性能，本文自主研发了一台水润滑单螺杆空气压缩机，并搭建了测试试验台，通过试验研究了不同转速、排气压力以及喷水流量对压缩机的容积效率、绝热效率和比功率等性能参数的影响 为水润滑单螺杆压缩机的设计优化提供一定的参考意义 试验样机和系统.水润滑单螺杆空气压缩机样机研发.水润滑单螺杆空气压缩机工作原理水润滑单螺杆空气压缩机主要由螺杆、星轮和机壳组成，螺杆和星轮的齿数比为 其工作过北 京 工 业 大 学 学 报 年程可分为吸气、封闭、压缩、排气 个阶段 如图 所示图 水润滑单螺杆空气压缩机工作过程示意图 .水润滑单螺杆空气压缩机结构设计由于水润滑单螺杆压缩机采用喷水进行润滑、密封和冷却，且水具有腐蚀性，因此零件的材料要具有耐腐蚀性 压缩机的结构如图 所示，采用机械密封对高压腔进行密封，防止高压气体的泄漏，同时也防止水进入主轴轴承处，主轴轴承选用脂润滑角接触轴承，不需要另加润滑油回路，可以保证压缩机压缩空气的清洁性 脂润滑轴承座外侧装有水套，当压缩空气温度过高时，可以在水套加入循环冷却水对脂润滑轴承进行冷却，保证轴承使用的可靠性和寿命图 样机结构 润滑水通过水冷却器冷却后分为两路进入压缩机，一路进入压缩机的压缩腔和螺杆轴系的机械密封，一路进入星轮轴系的水润滑滑动轴承处，分别对啮合副、机械密封和水润滑轴承进行润滑、冷却和密封.水润滑单螺杆空气压缩机主要结构参数水润滑单螺杆空气压缩机的主要结构设计参数和工况参数如表 所示表 水润滑单螺杆空气压缩机主要设计及工况参数 名称参数螺杆直径 星轮直径 中心距.螺杆齿数星轮齿数喷水孔直径 转速（）额定功率 额定排气压力.试验系统搭建设计并搭建水润滑单螺杆空气压缩机性能测试试验台，如图、所示 试验系统主要由气体回路和喷水回路两部分组成 压缩机排出的气水混合物经水气分离器分离后，气体经喷嘴流量计排出，水在高压气体的压力下经过水冷却器、水过滤器和体积流量计后喷入压缩机，与压缩腔中的气体混合后经排气口排出，进入水气分离桶，如此循环图 试验系统流程 压缩机在电机的驱动下运转，在系统中装有变频器和功率计，可以控制压缩机的转速，并测量压缩机的实际功耗 压力传感器和温度传感器可以测量各测点的压力和温度 水气分离桶上装有最小压力阀，可以使水气分离桶中的气体压力在压缩机刚启机时能快速达到最小压力阀的设定压力 在气体压 第 期李亚南，等：水润滑单螺杆空气压缩机性能影响因素的试验研究图 试验系统照片 力的作用下，水气分离桶中的水及时被喷入压缩机，防止压缩机干压缩造成螺杆机壳抱死等严重问题在总喷水回路装体积流量计，用来测量压缩机的喷水流量 增加水泵可以使喷水流量的范围增大，通过调节阀的开度可以调节喷水流量，得出不同的喷水流量下压缩机的性能参数.性能参数容积效率是压缩机性能的重要评价指标，反映了压缩机几何尺寸利用的完善程度，评价泄漏对压缩机性能造成的影响 其计算公式为实际排量与理论排量的比值：，（）式中：为容积效率；，为试验所测的实际排量，；，为理论排量，绝热效率为绝热压缩所需的耗功与实际耗功的比值：（）式中：为绝热效率；为绝热压缩功率，；为试验所测的实际功率，压缩机的绝热压缩功率计算方程为（，）（）式中：为压缩机的实际质量流量，；为吸气状态下的气体比焓，；，为排气压力下，与吸气状态熵相等时的气体比焓，压缩机的比功率为单位容积流量气体所消耗的功率，即实际消耗的功率与实际容积流量的比值：，（）式中 为比功率，（）.不确定性分析水润滑单螺杆空气压缩机的间接测量性能参数可以由直接测量参数进行计算 系统中主要仪表精度如表 所示表 水润滑单螺杆空气压缩机试验系统仪表精度 仪器测量范围精度 温度传感器 .压力传感器.喷嘴流量计 电磁流量计 .功率计 .由上述仪器的测量精度和误差传递公式可计算出由直接测量误差传递引起的间接测量误差：().（）式中：为直接测量参数；为间接测量参数的绝对误差；为直接测量参数；为直接测量参数的绝对误差间接测量参数的相对误差为（）由式（）可以计算得到，在额定工况下，间接测量参数容积效率 的相对测量误差为.试验结果与讨论.转速与排气压力的影响.喷水流量由图 可以看出，当转速不变时，随着排气压力的升高，喷水流量逐渐升高 这是由于试验系统采用压差喷水，排气压力升高，水气分离桶中的压力升高，因此喷水孔前后压差增大，单位时间喷入螺槽中的水的质量增大，且转速不变时，单个螺槽的啮合时间不变，因此喷入单个螺槽中的水质量增大，所以压缩机总的喷水流量增大 当排气压力不变时，转速的变化对总的喷水流量的影响不明显 这是因为影响总喷水流量的因素为喷入单个螺槽的水的质量和转速 排气压力不变时，喷水孔前后的压差不变，即喷水的质量流量不变 但转速升高时，单个螺槽的啮合时间变短，因此喷入单个螺槽的水的质量减小 由于转速的升高和喷入单个螺槽中水的质量的减小比例相当，因此，总的喷水流量随转速变化不明显北 京 工 业 大 学 学 报 年图 转速和排气压力对喷水流量的影响 .容积效率和水气比图 为转速和排气压力对容积效率的影响，由图可以看出，当转速不变时，随着排气压力的升高，容积效率逐渐减小 这是由于排气压力升高导致泄漏通道的前后压差升高，增大泄漏量 在额定转速 下，排 气 压 力 由.提 高 到.，容积效率降低了.当排气压力不变时，增加转速可以减少单个螺槽的泄漏时间，使泄漏量减少，提高容积效率 在设计排气压力.时，转速由 提高至 ，容积效率由.提高至.图 转速和排气压力对容积效率的影响 图 为转速和排气压力对水气比的影响 水气比为喷水流量与实际排气量的比值 由图可以看出，当转速不变时，随着排气压力的升高，水气比逐渐增大 这是由于喷水流量会随着排气压力升高而增大，而压缩机的排气量却减少，因此两者的比值增大 在 额 定 转 速 下，排 气 压 力 由.提高到.，水气比升高了.由之前的分析可知，转速对总喷水流量的影响不大（见图），但转速升高可以提高压缩机的实际排气量（见图），因此当排气压力不变时，增加转速会使水气比减小 在设计排气压力.时，转速由 提高至 ，水气比由.减小至.还可以看出，所有工况下，最小水气比为.，最大水气比为.，普遍大于油润滑压缩机的油气比图 转速和排气压力对水气比的影响 .绝热效率图 转速和排气压力对绝热效率的影响 图 为转速和排气压力对绝热效率的影响，由图可以看出，当转速为 时，绝热效率在排气压力为.和.时的绝热效率基本不变，然后随着排气压力的升高而降低 当转速为 和 时，随着排气压力的升高，绝热效率有先增大后减小的趋势 这是由于绝热效率为绝热耗功与实际耗功的比值，当转速不变，排气压力升高时，绝热耗功和实际耗功同时升高，但升高的幅度不同，当绝热耗功增大的幅度大于实际耗功的增大幅度时，绝热效率增大；反之，绝热效率减小 在额定转速 下，排气压力为.时的绝热效率最高，为.第 期李亚南，等：水润滑单螺杆空气压缩机性能影响因素的试验研究当排气压力不变，转速升高时，单个螺槽的泄漏速率变化不大，但泄漏时间减小，因此泄漏量减小这使压缩过程的不可逆损失减小，降低压缩机的实际功耗，提高压缩机的绝热效率 在设计排气压力.时，转 速 由 提 高 至 ，绝热效率由.提高至.还可以看出，排气压力越大，提高转速所增大的绝热效率越明显.比功率图 为转速和排气压力对比功率的影响，比功率为压缩机的输入功率与实际排气量的比值 由图可以看出，当转速不变时，随着排气压力的升高，比功率线性增大 这是因为随着排气压力的增大，压缩机压缩气体的耗功增大，而排气量减小，因此比功率增大 在额定转速 下，排气压力由.提 高 到.，比 功 率 升 高 了.（）当排气压力不变时，增加转速可以减小泄漏量，使排气量增大，同时也减小了压缩机的耗功，比功率减小 在设计排气压力.时，转速由 提高至 ，比功率减小了.（）图 转速和排气压力对比功率的影响 .喷水流量与排气压力的影响由于压缩机的喷水孔直径固定，通过水气分离桶的压差进行喷水时，最大喷水流量是固定的 由上文的数据可以看出，在额定转速 时，随着排气压力的增大，喷水流量的范围为.为了研究喷水流量对压缩机性能的影响，在试验系统中加装水泵，增大了喷水流量的范围.容积效率和水气比图 为喷水流量和排气压力对容积效率的影响，代表排气压力 由图 可以看出，在额定转速 下，当排气压力不变，喷水流量增大时，容积效率逐渐增大 这是由于喷水流量增大可以有效提高压缩机的密封效果，使泄漏量减小 还可以看出，排气压力越大，增大喷水流量对提高容积效率的作用越明显 如排气压力为.时，喷水流量由 提高至 ，容积效率提高了.；当排气压力为.时，喷水流量由 提高至 ，容积效率提高了.图 喷水流量和排气压力对容积效率的影响 图 喷水流量和排气压力对水气比的影响 水润滑压缩机与油润滑压缩机采用的润滑介质不同，由于水的黏度远小于油，因此为了保证密封性，使用时水气比要高于油气比 水气比越高越有利于提高压缩机的容积效率 排气压力越高，要达到同样的容积效率所需要的水气比越高 由图、可以看出，若达到 的容积效率，各排气压力所对 应 的 最 小 水 气 比 分 别 为.、.、.、.北 京 工 业 大 学 学 报 年.绝热效率由图 可以看出，在额定转速 下，当排气压力不变时，随着喷水流量的增大，绝热效率呈波折上升趋势，喷水流量增大到一定值后，绝热效率趋于平稳 这是由于，喷水流量增大有利于密封，增大压缩机的质量流量，使绝热耗功增大，但喷入的水也增大了压缩机的实际压缩耗功 当喷水流量达到一定值后，两者增大的幅度相当，则绝热效率不再增大 还可以看出，排气压力越大，绝热效率曲线趋于平稳所需的喷水流量越大，喷水流量增大所提高的绝热效率也越明显 如排气压力为.时，喷水流量由 提高至 ，绝热效率提高了.；当排气压力为.时，喷水流量由 提高至 ，绝热效率提高了.图 喷水流量和排气压力对绝热效率的影响 .比功率由图 可以看出，在额定转速 下，当排气压力不变时，随着喷水流量的增大，比功率呈波折下降趋势，喷水流量增大到一定值后，比功率趋于平稳 与绝热效率类似，喷水流量增大有利于密封，增大压缩机的排量，但喷入的水也增大了压缩机的实际压缩耗功 当喷水流量达到一定值后，两者增大的幅度相当，则比功率不再减小 排气压力越大，增大喷水流量所降低的比功率越明显 如排气压力为.时，喷水流量由 提高至 ，比功率降低.（）；当排气压力为.时，喷水流量由 提高至 ，比功率降低.（）综合以上分析，在额定转速 下，当排气压力在.时，建议喷水流量为 ，对应的水气比为.当排图 喷水流量和排气压力对比功率的影响 气压力在.时，建议喷水流量为 ，对应的水气比为.结论本文设计制造了一台水润滑单螺杆空气压缩机，并搭建了测试试验台，进行了不同转速、排气压力和喷水流量下水润滑单螺杆空气压缩机的性能试验研究 得到的主要结论如下：）其余工况不变时，增大喷水流量可以增大压缩机的水气比，增强水气之间的换热和压缩机的密封效果，进而提高水润滑单螺杆空气压缩机的各项性能 当转速为 ，排气压力为.时，喷水流量由 提高至 ，压缩机的容积效率由.提高至.，绝热效率由.提高至.，比功率由.（）降低至.（）增加转速可以减小泄漏量，提高压缩机的性能 但是同时也减小了水气比，影响换热和密封 因此随着转速的升高，对性能的提升作用逐渐变小）由于水的黏度远小于润滑油，因此为了保证较高的容积效率，水润滑单螺杆压缩机的水气比要高于同工况下的油气比）综合本文的研究，在额定转速 下，当排气压力在.时，建议喷水量为 ，对 应 的 水 气 比 为.当排气压力在.时，建议喷水量为 ，对应的水气比为.）压缩机在额定工况下，即转速为 ，排气压力为.，不加水泵，只采用水气分离 第 期李亚南，等：水润滑单螺杆空气压缩机性能影响因素的试验研究器进行喷水时，容积效率为.；绝热效率为.；比功率为.（），喷水流量为.参考文献：沈维道，童钧耕 工程热力学 版 北京：高等教育出版社，：邓定国，束鹏程 回转式压缩机 北京：机械工业出版社，：，：，：，：，：，：，：，：，：，（）：，：黄远明 喷油单螺杆压缩机试验研究 压缩机技术，（）：，（）：（）辛电波，彭学院 喷油单螺杆压缩机热力性能影响因素的试验研究 流体机械，（）：，（）：（）吴建华，金光熹，杨坚 喷油单螺杆压缩机工作性能的实验研究 流体工程，（）：，（）：（）李红旗，金光熹，吴业正 喷油单螺杆压缩机转子螺槽表面温度的测量 流体工程，（）：，（）：（）林强，樊灵，金光喜 单螺杆压缩机喷油雾化的理论分析和实验研究 西安石油学院学报（自然科学版），（）：，（），（）：（）刘闪威，鹿院卫，吴玉庭，等 空气源热泵用单螺杆压缩机的实验研究 建筑科学，（）：，（）：（）（下转第 页）北 京 工 业 大 学 学 报 年试仿真 计算机仿真，（）：，（）：（）黄长征，李圣怡 超精密车床主轴回转误差运动的动态测试 航空精密制造技术，（）：，（）：（），（）：，（）：，（）：马平，李健洪，欧建国，等 主轴回转精度多步误差分离研究 机械科学与技术，（）：，（）：（）洪迈生，邓宗煌 圆度和回转运动误差的时域二点法分离技术 中国机械工程，（）：，（）：，（）苏恒，李自军，魏员雷 机床主轴运动误差的在线高精度测量 现代制造工程，（）：，（）：（），（）：（责任编辑 张 蕾）（上接第 页）陈伟成，邓谦 全无油喷水单螺杆压缩机的研发与应用 流体机械，（）：，（）：（），：，：，（）：，：，（）：，：吴震宇，陶国良 燃料电池用高速单螺杆压缩机的仿真研究 浙江大学学报，（）：，（）：（）吴震宇 车载燃料电池用空气压缩机工作性能研究及能效分析 杭州：浙江大学，：，（）（责任编辑 张 蕾）