浅谈隔膜压缩机双作用结构的应用

王晓龙 张秋颖 郭殿文 路伟 安俊霖

摘  要：由于隔膜压缩机不污染介质的特性，越来越多的行业开始使用隔膜压缩机来代替普通活塞式往复压缩机，而双作用结构更是在保证大气量、高压比的情况下提高了压缩机运行的稳定性。本文介绍了隔膜压缩机双作用结构的工作原理及应用。

关键词：隔膜压缩机;双作用;工作原理;应用

中图分类号：TH45   文献标识码：A  文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00

0 引言

隔膜压缩机主要由液压油增压系统和气体压缩系统两部分组成，一组三层膜片通过静密封将两个系统完全的分开，保证了气体在被压缩的过程中不会受到任何的污染，特别适用于一些稀有、易燃易爆、有毒有害、对纯净度要求极高的气体的压缩。

随着各行各业的不断发展，人们对气量、压力、纯度的需求越来越高，而气量越大、排气压力越高，造成隔膜压缩机内部运动部件所受到的气体力、综合活塞力、十字头销载荷越来越大，不得不通过增大所选的机型来满足受力的要求。而一般的隔膜压缩机大多为盖侧单作用结构，使得十字头销处没有反向角。API618中规定衬套的设计（如有槽衬套）具有经证实的可靠性，在 3%幅度活塞杆反向只有 15 度。简单的衬套设计（无槽）可能要求最小 45 度的活塞杆反向和 20%的幅度。

对于小机型（10吨以下综合活塞力）而言，可以通过采用活塞尾端“T”形结构，与十字头采用浮动连接，使活塞在做往复运动时可沿径向自由窜动，自动找正，改善反向角对十字头销的影响。但是对于所受活塞力较大的大机型而言，活塞尾端“T”形结构无法承受较大的活塞力，压缩机运行不平稳，噪声大，此时宜采用双作用的结构。

1 双作用隔膜压缩机工作原理

如图1所示：一级的活塞和二级的活塞在同一根活塞杆上，一级的活塞直径大于二级的活塞直径。当活塞向盖侧运动的过程中，一级气缸油腔的体积逐渐减小，腔内的油压逐渐升高，当油压大于气腔的气压时，膜片将克服气体压力，从而贴向缸盖的穹形表面，将气腔内的气体排出;与此同时，二级气缸油腔的体积在一、二级活塞直径的差值作用下逐渐增大，腔内的油压逐渐降低，当油压小于气腔的气压时，膜片将克服油的压力，从而贴向配油盘的穹形表面，使气腔吸入气体。

当活塞向轴侧运动的过程中，一级气缸油腔的体积逐渐增大，腔内的油压逐渐降低，当油压小于气腔的气压时，膜片将克服油的压力，从而贴向配油盘的穹形表面，将气体吸入气腔当中;与此同时，二级气缸油腔的体积在一、二级活塞直径的差值作用下逐渐减小，腔内的油压逐渐升高，当油压大于气腔的气压时，膜片将克服气体的压力，从而贴向缸盖的穹形表面，将气腔内的气体排出。

2应用

（1）10吨以上综合活塞力的机型需采用双作用的结构，用以消除反向角对压缩机的影响，十字头销的润滑得以保证。双作用结构对称的两列受力情况完全相同，使得压缩机运行更加平稳。

（2）10吨以下综合活塞力的机型，若为两级压缩，且每一级膜片的直径都很大时，也宜采用双作用结构。因为膜片的直径大，意味着气缸缸盖的尺寸更大，活塞的直径也很大，因基础件本身（机身、曲轴、连杆、十字头）尺寸较小，使整个机组看起来不是很协调，机组的振动也会过大。若采用双作用结構，即通过增加气缸的数量减少了膜片及缸盖的尺寸，也减少了活塞直径的大小，同时机组运行也更加平稳。若每一级的膜片直径不大，单作用结构即可，避免了增加气缸数量造成的成本的增加。

（3）基于活塞密封的考虑，排气压力大于35MPA时不宜采用活塞环式的密封结构，而需采用柱塞式的密封结构。

然而柱塞式的活塞本身要求与气缸缸径的间隙非常小，所以此结构不宜应用到双作用气缸的结构当中，主要是因为双作用结构的活塞较长，间隙小时安装极其困难。所以柱塞式的活塞结构主要应用在盖侧单作用的结构当中。

3实例分析

现有一组氢气隔膜压缩机的基本参数为：进气压力29.8bar（G），排气压力200bar（G），气量1100Nm³/h。

方案初定为盖侧单作用结构，两级压缩，D型布置，每级一个膜头，级间压力78bar（G），行程210mm。通过计算得出：

气缸直径：一级145mm，二级95mm;各列受力情况如图2/3/4所示。

从图2可以看出气体力无反向角。

从图3可以看出在气体力和往复惯性力综合作用下，十字头销处并不存在反向角反向角。

改用双作用结构方案重新计算，每级各有两个膜头，同样通过计算可以得出：

气缸直径：一级105mm，二级68mm;各列受力情况如图5/6/7所示。

从图4可以看出气体力存在反向角。

从图5可以看出在气体力和往复惯性力综合作用下，十字头销处反向角为160°，满足API618的设计要求。

对比单、双作用气缸受力图，可以看出双作用气缸各列所受气体力比单作用的小100KN，所选机型大大降低。

4 结语

目前，沈阳远大压缩机有限公司为空气化工（南京）有限公司生产的MD12-D-1000/29.8-200型氢气隔膜压缩机，双作用结构，最大许用综合活塞力12吨，气量1000Nm3/h，排气压力达到200barg，已经在用户现场投入使用，各项参数满足设计要求，运行平稳，得到了用户的认可。

参考文献

[1]郁永章.容积式压缩机技术手册[M].机械工业出版社，2000：532-538.

[2]活塞式压缩机设计编写组.活塞式压缩机设计[M].机械工业出版社，1974：628-633.

[3]李新，王立辉.天然气往复压缩机反向角的理论分析与实例[J].压缩机技术，2008（2）：21-24.

[4]API618石油、化学和气体工业设施用往复压缩机[S].美国石油协会，2007.

收稿日期：2019-07-10

作者简介：王晓龙（1989—），男，辽宁沈阳人，本科，研发部室主任，工程师，主要从事特种压缩机的研发工作。