浅谈喷油特性对螺杆空压机的热力性能影响

吕 鹏，刘建超

(91251部队，上海 200940)

1 引言

螺杆空气压缩机是一种容积式压缩机，具有可靠性高、操作维护方便以及动力平衡性好等独特的优点，被广泛应用于空气动力等工业领域。空压机在运行时，向压缩腔中喷入适量的润滑油，可以在转子之间形成良好的油膜，能够及时有效降低转子之间的摩擦、冷却和密封压缩空气。但喷入的润滑油使空压机摩擦增大、粘性剪切和搅拌耗功以及吸气预热等方面的损失，增加了空压机的功耗，使空压机性能受到影响[1]。因此从理论上分析，空压机应该具有最佳喷油量。另外，压缩机组中通过植入变频器控制电机转速的方式，虽然可以实现对空压机排气量的调节，使螺杆空压机性能更加优越，但压缩气体的相对泄漏量随着空压机运行转速的变化而变化，同样影响空压机的性能，为使空压机在不同转速下性能最佳，应该在空压机油路系统安装油量调节装置。

2 螺杆空压机的润滑系统与喷油特性

2.1 润滑系统组成

螺杆空压机油路系统主要由空压机主体、油气分离器、油冷却器、温控阀和油过滤器等组成，空压机润滑系统如图1所示。有些螺杆空压机还在排气口处安装温度传感器的方式代替了温控阀，并由主变频器直接监测并控制排气温度与排油温度。在空压机的工作过程中，空气在空压机腔内被压缩到特定状态后润滑油从喷油孔口喷入，并在齿间容积内与被压缩的空气混合形成油气混合物。因此，压缩后的空气会含有大量的油雾滴，空压机排气口出来的高温高压混合气体需要先进入油气分离器，经过分离后润滑油先后经过油冷却器和油过滤器再喷入到压缩腔中完成整个循环。

图1 螺杆空压机喷油系统组成图

但是，油气分离器的效率并不能达到百分之百，为了维持空压机内所需润滑油的平衡，系统中需要向螺杆空压机的吸气端提供适当的润滑油量即回油量，满足回油量不低于排气含油量的条件时，空压机的油路系统循环才能顺利运行。过滤后的润滑油在进入喷油孔口之前，主喷油管会旁通一支管路向空压机轴承腔喷油来冷却因承受载荷而温度升高的轴承。

螺杆空压机油路系统的油气分离器中通常会安装最小压力阀来建立空压机组内压，促使油路系统中润滑油的循环、满足减荷阀的工作压力、避免压力差对分离器的伤害的作用。最小压力阀存在的原因是空压机的润滑油供给是靠机器本身的压力差进行的，并未设置额外的油泵，当空压机处于空载状态时，机器仍然需要一定的压力维持油路系统的循环，所以空压机进气阀相对关闭，而最小压力阀防止压力泄漏，保证着空压机中润滑油的循环。另外，最小压力阀还起到单向阀的作用，可以防止空压机在卸载运行时空气倒流。

2.2 润滑油量计算

对于喷油螺杆空压机整个压缩过程，如果给定排气温度之后，螺杆空压机的理论喷油量可由空压机的热平衡确定，反之如果确定喷油量等参数，也可求出理论排气温度。根据能量守恒定律，得到空压机的热平衡式如下

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

式中Pe--空压机的轴功率，kW

qm，l--润滑油的质量流量，kg·s-1

Cp，l--油的比定压热容，kJ·(kg·k)-1

Td，l--排油温度，K

Ts，l--喷油温度，K

qm，g--压缩空气的质量流量，kg·s-1

Cp，g--空气的比定压热容，kJ·(kg·k)-1

Td，g--排气温度，K

Ts，g--空压机吸气温度，K

螺杆空压机喷油量的理论计算时一般假定式中的排油温度与排气温度相同，并且认为该过程并不向外界散失热量。实际压缩过程中因为润滑油与空气之间的换热温差以及存在与外界之间的换热，计算结果必然会产生相应的偏差，具体应用时还需要参照实验数据加以修正。值得注意的是，除了向转子齿间容积喷油以外，螺杆空压机轴承和轴封处也需要相应润滑油量。因为空气几乎不溶于油，所以供给空压机中所有部件的油，最终都起到了控制排气温度的作用，只是传递的路径各不相同。该公式中仅是理论上单纯考虑换热确定的喷油量，在实际模拟和计算中，还需要考虑到泄漏和功耗等因素的影响。

2.3 喷油雾化程度

在螺杆空压机工作过程中，对工作腔喷入的润滑油都很好的增强了压缩介质的换热，起到了润滑、密封和降噪的作用。对于不同的工作介质，喷入空压机腔内的润滑油的类别和物性必然不同。针对空压机选用润滑油时除了考虑润滑油粘度外，还要同时考虑润滑油的抗氧化性、抗泡沫性、抗腐蚀性和抗乳化性等指标。

喷油过程中，润滑油自身的粘性力、所受到的空气阻力和油的表面张力对油的喷射破碎机理起主要的作用。压缩腔中的空气阻力使喷入的较大油滴产生扭曲变形，并结合油与压缩空气之间的摩擦作用，将由于油滴内部扰动而形成凸出于油滴表面的部分分裂开去，并在油的表面张力作用下形成较小油滴。显然，空气阻力需要克服表面张力与粘性力的合力才可以使油滴发生扭曲变形、分散油滴，直至它们的合力重新达到平衡状态。油滴雾化效果可以用油滴尺寸的微分方程式描述，即：

式中a，b--油滴的分布系数，通常由实验确定

n--包括所有直径的油滴数量

此外，影响螺杆空压机喷油过程的参数还包括喷油孔口的位置和直径、喷油温度和喷油量等，这些参数都直接或者间接影响喷油的雾化效果。在螺杆空压机中通常采用维勃数的大小来判定润滑油雾化程度的好坏，其中油滴的雾化形式可以分为滴下液流、光滑液流、波纹流和喷雾流[2]。显然，在满足空压机密封的前提下，喷雾流可以充分的与压缩空气换热，效果最佳。

3 喷油特性对螺杆空压机的性能影响

3.1 对排气温度的影响

相比较干式螺杆空压机，润滑油的喷入使螺杆空压机的性能发生了很大的变化，简化了结构、提高了压比、控制了排气温度并降低了噪声。喷油螺杆空压机的排气温度不再由压比和空气物性决定，而是润滑系统、喷油量、压缩机转速、空气比容等联合作用的结果。根据前述中理论喷油量的计算公式，如果喷油量足够多、喷油温度足够低，那么空压机的排气温度完全可以低于进气温度。但这种工况并不是等温压缩过程的实现，是因为喷入足量润滑油的原因，实际的运行效率依旧低于绝热压缩效率。在变频螺杆空压机中，当空压机运行转速较高时，转子之间的摩擦交大，润滑油与压缩空气之间换热不充分，相同喷油量下理论排气温度应该较高；而转速较低时，理论排气温度也会较低。

3.2 对容积效率的影响

容积效率是衡量空压机运行特性的重要指标之一。喷油螺杆空压机的容积效率反映了空压机几何尺寸利用的完善程度。喷油螺杆空压机的实际容积流量和容积效率可以通过理论计算求出。螺杆空压机的容积效率受型线种类、压差、转速和喷油与否等诸多因素的限制。润滑油的喷入对空压机多条泄漏通道起到了很好的密封作用，从而显著降低了泄漏，提高了容积效率。实际运行中，喷油螺杆空压机的容积效率是转子型线、运行工况和容积流量的函数。理论分析螺杆空压机变转速运行时，同一喷油量下转速越高，容积流量越大、密封效果越好，理论容积效率也应该越高；当转速恒定时，喷油量的增多应该会使容积效率逐渐增大，但不能忽视空压机中回油量的影响。

3.3 对绝热效率的影响

绝热效率是衡量空压机性能的另一个重要指标，反映了空压机能量利用的完善程度。喷油螺杆空压机的等熵绝热功率可以通过式下列公式计算得到，此时压缩空气被当作理想气体处理。等熵绝热功率与空压机实际轴功率的比值式就是绝热效率。

ηad=Pad/Pe

式中ps、pd--空压机吸、排气压力，MPa

κ--空气等熵过程指数

Qv--空压机的实际容积流量，m3·s-1

可以看出，喷油螺杆空压机的绝热效率也是转子型线、运行工况和容积流量的函数。空压机工作过程中，润滑油在起到密封作用的同时也受到转子搅油的剪切摩擦作用，需要吸收一定的功[3]。显然，耗功的多少与喷油量的大小、空压机转速和润滑油粘度密切相关。理论上来说，对于绝热效率而言，转速恒定时喷油量应该有最佳值；变频螺杆空压机运行时，转速和喷油量应该精确配合，空压机性能才会最优。

4 结语

本文主要介绍了螺杆空压机喷油系统、喷油参数及雾化特性对空压机性能的影响。润滑油的喷入不仅降低了排气温度，还能改善了空压机的效率。变频螺杆空压机可以通过改变转子转速来改变其容积流量，因此喷油不能局限在传统螺杆空压机定转速运行工况下考虑和计算，而是应该与转速合理配合。螺杆空压机的理想喷油量应该是在理论计算的基础上加以实际修正。螺杆空压机的喷油孔径、喷油量和喷油压力等决定了润滑油的雾化程度，实际中应在满足空压机密封的前提下，采取换热效果最佳的喷雾流。变频螺杆空压机的性能与运行喷油特性关系更加密切，针对性的油量调节装置可使变频螺杆空压机在不同转速下性能更佳。