整体齿轮式无油离心压缩机的结构设计分析

刘赓传　崔茂林

摘要：离心压缩机为一种常见的动力设备，在石油、化工、食品等领域应用广泛，现阶段，无油离心压缩机成为行业发展的重要趋势。本文以整体齿轮式无油离心压缩机为研究对象，介绍离心压缩机的特点及结构设计要点，为相关研究的开展提供理论依据，以进一步优化压缩机结构，提高动力性能。

关键词：离心压缩机;整体齿轮式无油离心压缩机;结构设计

引言：无油离心压缩机对传统空气压缩机结构做优化设计，以真正实现油气分离。传统空气压缩机结构中，润滑油处于活塞环、缸套、填料密封元件、活塞杆等元件之间，发挥润滑作用，避免各元件之间过度摩擦而引发设备故障问题。因润滑油的存在，离心式压缩机所输出的压缩气体中会含有一定油量，无法达到某些高精度工业生产活动对压缩气体清洁度的要求。整体齿轮式无油离心压缩机恰恰能够解决输出压缩空气中润滑油含量过高的问题，因此有必要对其结构和原理进行解析。

1离心压缩机的特点

离心式压缩机整体结构包括压缩机、电机、管网、电控元件等，其运行原理为，利用高速旋转的叶轮对空气或其他可压缩介质做离心处理，将离心式压缩机的机械能转化为气体的压力能力和动能，输出带有一定初始压力和流量的气体，用以各项工业生产活动中。进入离心式压缩机的空气介质需先通过过滤器的处理，排除空气中大颗粒杂质，避免其进入压缩机系统后与各结构元件之间发生摩擦而导致元件受损。在传统离心式压缩机中，由润滑油发挥润滑作用，避免结构元件之间发生干磨。离心式压缩机正式运转后，油泵逐渐向系统供油，因此在压缩机运行之前，需过程预润滑过程，以免在启动之初引发元件干磨受损问题。

2无油离心压缩机结构设计

2.1不同离心压缩机的结构特点

依照结构特点不同，离心式压缩机可分为单轴和多轴两种。其中，单轴压缩机即只存在单个缸和轴结构，为压缩机的最早形式，目前也有不少工业生产活动中采用此类压缩机。单轴离心式压缩机气缸兩侧轴承支撑一根主轴，主轴上安有叶轮，其数量一般由出气压力及流量需求决定。主轴与电机之间通过联轴器相连，二者转速保持一致。当电机做功时，通过主轴带动叶轮旋转，完成压缩气体输出。单轴离心式压缩机的优点为结构简单，后期维修方便，有足够的空间容纳大叶轮，以此来实现大流量压缩气体输出[1]。但该类压缩机存在出气压力低、适用范围窄等不足，一般被用于石化、废水处理等行业。

多轴离心式压缩机顾名思义，其结构体系中含有多个轴，相较于单轴压缩机，具备出气流量大、压缩能力强、运行效率高等优势。另外，整体齿轮式多轴无油离心压缩机还具备体积小、易于维修等特点。总结来讲，多轴离心式压缩机较单轴离心式压缩机表现出如下特点：第一，结构中不存在弯道回流机构，进气口进气更为顺畅、均匀;第二，因存在多个轴结构，每一轴上的叶轮均可被设置为不同的转速;第三，各级进气口与出气口独立设置，并在级与级之间添加冷却和过滤装置;第四，各级进口处可进行进气导向调整;第五，运行效率高，可提供更大的压缩比，适用于多种不同的生产工况。

2.2无油离心压缩机结构设计

本文以三轴整体齿轮式无油离心压缩机为例，介绍其结构设计方案。

2.2.1结构特点

三轴整体齿轮式无油离心压缩机结构设计紧凑，目前在工业生产中的应用非常广泛，属于高端空气压缩设备。在多个轴结构的同时作用下，空气流量及压力被逐级提高，由大齿轮驱动各小轴的运转，总转速可达到万级。在医药卫生、食品等领域，其生产对压缩空气的清洁度要求极高，一旦空气中混入油脂，即有可能导致设备受损及停工问题。工业生产活动对压缩空气清洁度要求提升促使无油离心压缩机成为压缩机的重点发展方向，如何将压缩空气中的含油量控制在1%以内，成为压缩机生产企业关注的重点。

2.2.2具体构成

典型的三轴整体齿轮式无油离心压缩机一般由1～3级吸气室、叶轮、大齿轮、轴承、油封、油泵、气封等结构构成。其结构多被设计为水平剖分式整体齿轮箱，该设计的好处在于，可为压缩机后期检修养护提供便利，使维修人员能够对齿轮、轴承等结构做近距离观察。

高效三元流后弯叶轮是提高空气压缩效率的关键，各压缩叶轮分别与水平剖分可倾瓦轴承相对应，该轴承的稳定性及抗振性极佳，且较一般轴承的使用寿命更长。为实现压缩空气与润滑油的彻底分离，必须严格保证齿轮箱内的润滑油不会渗透到气腔当中。因此在三轴整体齿轮式无油离心压缩机中，各级叶轮及齿轮箱之间均安装气封和油封结构。

（1）叶轮结构。叶轮转子为三轴整体齿轮式无油离心压缩机的核心构件，其负责对气体做功，完成能量转化，因此叶轮转子的性能就在很大程度上决定了离心式压缩机的压缩性能。三轴整体齿轮式无油离心压缩机分三级对空气做压缩处理，其安装的叶轮均为半开式叶轮结构，即不存在轮盖。此类叶轮结构的特点为强度大、可满足高速、大功率运转的需求。叶轮材质多为不锈钢，以保证其强度达标。压缩机中三个叶轮的尺寸逐渐降低，因此单位面积叶轮承受的荷载逐级递增。为避免叶轮运行中发生过度振动，在正式运行前需对其进行动平衡处理。叶轮与轴之间使用微花键连接方式，有效传输功率可达到10000kW，在拆卸过程中不易刮花其他零部件。

（2）轴承结构。轴承为主轴及高速齿轮轴提供支撑和承载。压缩机结构中，大齿轮的转速与电机保持一致，在低转速状态下运行，因此其对轴承性能的要求并不高，采用圆柱滚子轴承即可，以过盈配合方式与主轴连接。而高速齿轮因转速非常大，平均每分钟可达到万转等级，因此需采用性能更优的水平剖分可倾瓦轴承，提供更强的耐振能力，以最大限度减轻压缩机振动。实际工作中常在轴承瓦块上安装传感设备，对轴承运行温度做实时监测，部分压缩机还会对轴承振动、运行油压、出气压力等进行监测，以随时掌握离心压缩机的运行情况，发现异常及时开展检查维修工作。

（3）气封和油封结构。气封和油封结构的添加是实现三轴整体齿轮式无油离心压缩机无油的核心，借助气封与油封，可保证压缩机有较高的气密性，以满足高精度生产活动对压缩空气无油程度的要求。三轴整体齿轮式无油离心压缩机将油封设计为迷宫式，其能够将润滑油牢牢锁在齿轮箱内，避免进入压缩空气，且该结构不经密封气预冲即可随时发挥密封效果[2]。气封结构则设计为浮动双碳环，其优点为空气泄漏量极低，且使用寿命较长，可防止压缩气体进入齿轮箱内部。总结来看，三轴整体齿轮式无油离心压缩机能够提供更高的刚度和稳定性，其连管长度更小，整个压缩机的一体化程度更高。因水平剖分式齿轮箱的应用，使得压缩机的结构更为紧凑，减少占地面积，同时能够确保维修人员与维修点更为接近，便于压缩机内部轴承、齿轮等结构的检修维护。相较于一般的离心式压缩机，三轴整体齿轮式无油离心压缩机故障平均维修时长仅在1/7左右，可间接降低压缩机维修成本。

3 结论

工业生产精密度的提高使得整体齿轮式无油离心压缩机有了更大的应用空间，因其在叶轮结构、轴承结构及气封、油封结构上的优化设计，能够真正实现离心式压缩机空气压缩过程的油气分离，提供清洁度更高的压缩空气。相较于传统离心式压缩机结构，整体齿轮式无油离心压缩机在运行效率、使用寿命等方面也优势明显，值得作进一步推广。

参考文献：

[1]李欢.整体齿轮箱式无油离心压缩机的振动分析[D].苏州大学，2019.

[2]李欢，郭旭红.整体齿轮式无油离心压缩机的结构设计[J].内燃机与配件，2019（07）：3-5.