基于转子速度的螺杆压缩机选型探讨

安绍沛

（中国石化天津分公司,天津300271）

基于转子速度的螺杆压缩机选型探讨

安绍沛

（中国石化天津分公司,天津300271）

转子运动速度是螺杆压缩机的重要参数。通过讨论转子运动速度与机组系统的容积流量、效率、振动、噪声的相互关系，研究了转子转速对压缩机效率、振动、噪声、轴承及轴封部件的影响。研究表明，将转子转速控制在一定范围内，可以提高效率、降低振动和噪声、延长轴承部件寿命，这一结论为压缩机的进一步选型提供了理论依据和参考。

螺杆压缩机；转速；齿顶速度；设计选型

1 引言

转子速度和压缩机的容积流量息息相关，并且齿顶线速度对机组的效率、振动、噪声、轴承的选择有着重要影响。因此，转子速度设计的恰当与否，直接影响着机组性能的好坏。目前，关于压缩机选型方面的研究文献较多，但对转子转速的研究较少，一些文献只是定性地分析了转子速度对系统的影响，不够系统[1-3]。本研究旨在阐述转子速度对容积流量、振动、噪声的影响及轴承部件对转速的限制，从而得出在压缩机选型中确定转子转速的方法。

2 转速与容积流量

螺杆压缩机的理论容积流量，为单位时间内转子转过的齿间容积之和，其大小取决于压缩机的集合尺寸和转速。习惯中，常以阳转子的直径和转速来表征和计算，因此，它们之间有如下关系[1]

式中qvi——螺杆压缩机的利润容积流量，m3/min

Cφ——压缩机扭角系数，由转子型线与扭转角共同决定

Cn1——压缩机面积利用系数，由转子的型线决定

λ——转子长度与直径的比值，简称长径比

n——阳转子转速，r/min

D1——阳转子直径，m

通过上式可以看出，容积流量与转速成线性关系。对于给定型线和扭转角的螺杆压缩机，转速和长径比、直径有着相互制约的关系，三者共同决定压缩机的容积流量。转子直径、长径比直接影响机组的整体尺寸及重量；长径比对压缩机组所承受的压差、几何特性值（排气孔口面积、泄漏三角形面积、接触线长度）、绝热效率有一定的影响。所以，合理设计与选择转子直径、长径比、转速，对压缩机的整体性能影响很大。

3 齿顶速度与效率

压缩机的容积效率是实际容积流量与理论容积流量的比值，受到型线种类、喷液与否、压差、转速、气体性质等众多因素的影响。在干式螺杆压缩机中，由于没有起密封作用的液体存在，通过泄漏三角形、接触线、转子齿顶、排气端面的气体泄漏量较为严重。图1给出了干式螺杆压缩机的容积效率与压比和转速之间的特性曲线。从图1中可以看出，随着压比的上升，容积效率变化较小，但转速对容积效率的影响较大。

图1 容积效率随压比与转速的关系

有学者指出，容积效率与圆周马赫数有关，当圆周马赫数Ma在0.15～0.35范围内，容积效率具有最佳值。而圆周马赫Ma数可以通过以下公式计算得出

式中v1r——阳转子齿顶圆周速度

k——气体等熵指数，或者多变指数

R——气体常数

T1——进气温度

根据式（2）可以得出标况（101.3 kPa，293.15 K）下常见气体的阳转子齿顶速度范围下表1所示。

表1 常见气体对应阳转子转速范围

对无油螺杆压缩机而言，内部泄漏损失和动力学损失是影响其效率的2个主要因素。内部泄漏损失是由被压缩的介质通过转子副本身的间隙和转子副与机体内壁的间隙回流产生的，其值取决于出口压力和入口压力之间的比值、气体的种类和间隙的大小；提高齿顶速度，可以降低内部泄露损失，提高压缩机容积效率和绝热效率。动力学损失包括流动损失、摩擦损失和轴承损失，其大小随着顶部速度的增加而增加[4]。简单地讲，无油螺杆压缩机的顶部速度是由被压缩气体的音速决定的，而顶部速度的最佳范围又由气体性质决定。图2给出了压缩机动力效率、容积效率随阳转子齿顶速度的变化关系（介质为空气）。

图2 压缩机效率与阳转子齿顶速度关系

由图2可以看出，最佳齿顶速度范围为50～120 m/s，优化速度为82 m/s。需要指出的是：(1)气体分子量不同，最佳速度范围也不同，分子量越大，最佳齿顶速度越小；（2）在低速下容积效率的降低，将会引起压缩机出口温度的升高；（3）低音速的重气体，转速可以在较宽范围内调节；轻气体的转速调节这要收到限制，干式压缩机的转速调节范围在30%以内。

4 齿顶速度与振动、噪声

转子的不平衡是引起压缩机振动、产生噪声的主要因素之一。而不平衡又是由于转子制造误差、装配误差、材质不均匀等原因造成的，如出厂时动平衡没有达到平衡精度要求，在投用之初便会产生较大的振动，因此，在转子在出厂前必须进行严格的动平衡检测和消除。

设转子的质量为M，偏心质量为m，偏心距为e，如果转子的质心到两轴承连心线的垂直距离不为零，具有挠度为a，如图3所示。

图3 转子力学模型

根据转子动力学与强迫振动机理可知，转子振动位移为

考虑到阻尼力时的转子振动位移为

其中

式中η=ω/ωn为频率比

ζ——振动阻尼从式（3-1）可以看出，当ω=ωn时，振幅趋于无限大，由于实际中存在阻尼，此时，振幅会达到一个有限的峰值。此时的ωn称为转子临界角速度，对应的转速为临界转速

在实际设计过程中，严格计算转子的临界转速，并避免转子在临界转速附近工作，以免发生共振，产生难以预料的危险。此外，考虑到转子齿顶速度对螺杆压缩机振动和噪声的影响，干式螺杆压缩机齿顶速度应该控制在50～100 m/s内。

5 轴承对转子速度的限制

轴承是支撑转子运动的关键零部件，也是压缩机运行中容易出现故障的部分。由于转子速度是影响轴承寿命的主要因素。所以，当轴承所能承受的转速低于压缩机效率所限制的最高转速时，应予以优先考虑[5]。这种情况在选用滚动轴承时出现的比较多，常见滚动轴承对转速的限制如表2所示。

表2中，dm为轴承平均内径，n为转子的转速。需要指出的是：（1）对采用特殊径向润滑（如：喷射润滑）布置的湿式螺杆压缩机，径向和止推滚动轴承的n·dm可以根据厂商建议适当加大；（2）当机器额定功率（kW）与额定速度(r/min)之积大于5×106时，应考虑采用流体动压润滑径向轴承和止推轴承。

表2 轴承对转速的限制

6 结语

本文较为系统的讨论了螺杆压缩机设计过程中，转子转速对容积流量的影响，以及确定转子转速需要考虑的因素。主要有以下几个结论：（1）不同气体达到较高效率时，所对应的最佳转速范围不同，分子量在60～80 kJ/kmol的气体，最佳顶部速度是在30～60 m/s范围内；分子量在20～40 kJ/kmol的气体，则在70～120 m/s范围内；对于非常轻的气体，尽管不是在最佳范围内，顶部速度也可以是150 m/s。（2）转子的动平衡精度如果达不到要求，机体会产生很大振动，这种情况在小机器上更加明显。（3）采用滚动轴承时，其寿命限制了转子转速的上限；采用滑动轴承时，其动压润滑油膜的形成条件限制了转子转速的下限。

[1]邢子文.螺杆压缩机——理论、设计及应用[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2]章根国.单螺杆压缩机市场前景分析[EB].压缩机，2013，70.

[3]佚名.燃料气用无油螺杆压缩机概述[EB].压缩机，2013，8.

[4]Klaus D.Lelgemann.The Design，Selection and Application of Oil-free Screw Compre-ssorsfor Fuel Gas Service[J]. IGTI-Vol.8，ASME COGEN-TURBO，ASME，1993.

[5]API 619，Rotary Type Positive Drive Displace-ment Compressor for Petroleum，Chemical and Gas Industry Services.

Discussion of the Screw Compressor Selection Based on Rotor Speed

AN Shao-pei
(Sinopec Tianjin Branch Office,Tianjin 300271,China)

Rotor speed is considered as an important parameter of screw compressor.Based on discussing on the relationship between rotor speed and volume capacity,efficiency,vibration,noise of compressor system,the influence of the rotor speed on the compressor efficiency,vibration,noise,bearing and bearing seal is studied in this paper.The study shows that controlling the rotor speed in a certain range can improve efficiency,reduce vibration and noise,and extend bearing component life.This conclusion provides theoretical basis and reference for further selection of compressor.

screw compressor;speed;tooth top speed;design selection

TH455

B

1006-2971（2015）03-0045-04

2014-12-08