无油螺杆压缩机干气系统的应用

丁兆亮，沈冬明，金轩轾

(苏州寿力气体设备有限公司，江苏 苏州 215024)

1 引言

无油螺杆压缩机产生纯净无油的压缩空气，在食品、医药、电子、化工等行业中得到广泛的应用。由于无油螺杆压缩机产生的压缩空气内不能含油，因此，无油螺杆压缩机的使用环境以及压缩腔内部的洁净度都有较高的要求。

针对无油螺杆压缩机的这一特点，我们在设计前提出三点要求：(1)防止润滑油窜入压缩腔；(2)防止齿轮箱中的油气泄漏到环境中；(3)防止压缩腔锈蚀。

基于以上三点要求，我们选取了合适的“防止窜油”方案，增加了“压缩腔自动干燥”功能，并在压缩机控制器中加入相应的程序，通过电磁阀实现自动切换。该系统，在压缩机运行时，能有效的防止润滑油窜入压缩腔；在停机后，能将压缩机内部的冷凝水带走，保持内部的干燥，有效防止压缩机内部锈蚀。因此，我们将该系统称作“干气系统”。

2 技术背景

无油螺杆压缩机机头的基本结构。在机壳中，平行地配置着一对相互啮合的螺旋形转子(阴、阳转子)。空气从转子的一端吸入，经过压缩后，从转子的另一端被排出。

在喷油螺杆压缩机中，润滑油被喷入压缩腔，起到润滑、冷却和密封等作用。在无油螺杆压缩机中，为了获得纯净无油的压缩气体，润滑油不能被喷入压缩腔中。由于没有润滑油的润滑，无油螺杆的阴、阳转子不能相互接触，两者之间需要保持着微小的间隙，这个间隙是靠安装在阴、阳转子轴伸端的同步齿轮予以保证。阴、阳螺杆在两端的轴承支撑下，在同步齿轮的带动下，相互啮合做高速转动，连续地“吸入-压缩-排出”气体。

由于轴承、齿轮是需要润滑油进行润滑的。因此，整个无油螺杆机头被分为有油区域和无油区域两部分。安装在轴上的螺旋油封(又称螺纹密封，黄色部分)会阻止润滑油向压缩腔方向迁移，而压缩腔两端的气封(碳环，黑色部分)会阻止压缩气体向外泄露。

压缩机在正常的情况下，油封和气封能有效的将润滑油和压缩空气隔开，两者互不干涉。但是，由于螺旋油封的结构特性，在某些特定的条件下，会造成油封失效。下面，我们结合油封和气封的示意图来解释一下这种情况，如图1。

图1 气封和油封示意图

主轴高速旋转，在油封的螺旋槽中产生微小的向右的推力，将泄露到油封螺旋槽中润滑油(油雾)又推回到齿轮箱中。这个推力是很小的，当轴封轴承侧有一定压力(建议不要超过20 mmH2O)[2]，轴封就会失效。这种情况下，润滑油(油雾)会沿着主轴表面慢慢地往压缩腔迁移，直至“窜”入压缩腔中，污染压缩空气。

这种现象在压缩机卸载时会发生。当压缩机卸载时，压缩腔内会产生负压(约-0.1 bar左右)，从而导致油封的左侧部分(大气开放口部分)呈现负压状态，此时即使齿轮箱中为大气压力，也会导致油封失效，引起润滑油(油雾)往压缩机腔迁移的现象。所以，如果发现压缩机大气开放口处有油滴，很有可能压缩腔已被润滑油污染。

3 防止窜油的技术方案

了解油封的失效原理后，我们比较容易找到解决问题的方法--使轴封两端的压差小于20 mmH2O(即P右端-P左端<20 mmH2O)。

有三种方法可以解决以上的问题，我们分别取名为：负压法、常压法、正压法。

3.1 负压法

所谓“负压法”，就是通过特定的方法，在齿轮箱中(即油封轴承侧)产生一定的负压(油封右端约为-3～-8 kPa[3])。这样即使压缩机处于卸载状态时，油封左侧的压力仍然大于右侧的压力，油封依然有效，润滑油(油雾)会被有效地隔离。

产生负压的方法一般有两种，离心风机抽气和真空发生器，如图2。

图2 负压法示意图

离心风机抽气的方法一般会使用在齿轮箱容积较大，负压程度较高的地方，例如离心式压缩机齿轮箱。使用真空发生器产生负压的方法一般使用在齿轮箱容积较小，负压程度较低的地方，无油螺杆压缩机的应用场合正合适。而且，真空发生器具有结构简单，故障率低，不需要额外的动力装置的优点。

3.2 常压法

所谓“常压法”，就是齿轮箱中始终处于常压状态。

此法，齿轮箱的顶部仅安装油雾过滤器(也可称为呼吸器)，防止含油的空气直接排放到空气中，污染周围的环境。但是，这种结构有可能发生如上描述的“窜油”现象。这就需要对密封结构进行调整，在气封和油封之间再增加一个大气开放口，形成“双大气开放口”[4]，如图3。如此，压缩空气对应大气开放口A，润滑油对应大气开放口B。当压缩机处于卸载状态时，只会在大气开放口A形成负压，而大气开放口B不受影响，从而不影响油封的功能。

图3 双大气开放口示意图

这种方案无需增加任何辅助的设备，也不消耗额外的压缩空气。其最大的优点在于，即使油封磨损失效，出现漏油现象，会从大气开放口B流出，不会窜入压缩腔中。缺点在于，主机壳体结构变得复杂。

3.3 正压法

所谓“正压法”，就是在油封的左侧第一道螺旋槽中开一个小孔，然后将干燥的空气从小孔充入，使轴封的左侧一直保持一定的压力，如图4。

图4 正压法示意图

如此，充入的空气膨胀后将油封和气封隔离开。这样，只要保持充入的干燥空气压力稍高于大气压力，在压缩机卸载运行时，油封左侧的压力一直大于右侧压力，油封就能够正常工作，不会发生窜油的现象。

4 干气系统介绍

基于需要具备的三点要求，我们采用了“负压法”，并增加“压缩腔自动干燥”功能，形成“干气系统”，其流程图如图5。

图5 干气系统流程图

干燥压缩空气(压缩空气压力在0.55～0.65 MPa之间)经调压阀18调压，压力(压力表21上显示读数)保持在0.15～0.18 MPa之间。此时，消耗的空气量约为50 L/min，相当少。

当压缩机在运行期间，三通电磁阀22得电，压缩空气流过真空发生器16后，由放空消音器23排放入大气。由于真空发生器16的文丘里效应，在油过滤器15中会产生负压，将齿轮箱2中的油雾不断地“往外抽”，使得齿轮箱2中的压力(压力表27上显示读数)维持在-50 mmH2O左右。齿轮箱中的油雾在通过油滤芯14时，油雾会被“捕获”，吸附在滤芯14上。随着时间推移，滤芯中的油雾会慢慢汇合形成小油滴、大油滴，最终汇集在油过滤器15底部，通过管道流入浮球阀24中。浮球阀24的底部和油泵4的进口相连。当浮球阀24中没有润滑油时，浮块会遮住阀底的出口，此时浮球阀24相当于处于关闭状态。当浮球阀24中的润滑油汇聚到一定的高度，使得浮块漂浮起来，浮球阀24被打开，油就会通过阀底部的出口被吸回油泵，完成油雾的收集、回收。

当压缩机停机后，三通电磁阀22失电，管路进行自动切换，压缩空气会经过减压阀22和单向阀26后，被缓缓地充入机头和级间管路中，带走压缩机内部的“湿气”，保持内部干燥，防止零件锈蚀。

5 干气系统优点

干气系统由于采用“负压法”，增加了空气在油滤芯中的流速，油雾在滤芯中不容易“结成”油膜，油雾更容易凝结成油滴，延长了油滤芯得更换周期。如图6，在油滤芯规格相同的情况下，“常压法”油滤芯的更换时间，曲线A，“负压法”油滤芯的更换时间，曲线B。

图6 滤芯更换时间对比

干气系统的“自动干燥”功能能够有效地缓减压缩腔内部的锈蚀，减少由此引发的故障。

我们知道，无油螺杆机头内部以及所有气管路中是没有润换油的。在压缩机运行时，机头处于高温状态，没有什么问题。一旦压缩机停机后，机头的温度会逐渐降低，机头中的饱和高温空气由于温度降低会有冷凝水析出。这些冷凝水会吸附在转子表面，锈蚀转子表面。虽然转子表面和压缩腔内表面都有涂层，但随着气流的冲蚀，涂层会逐渐被磨损，失去保护作用。据售后部门不完全统计，在无油螺杆机头“咬死”的故障中，75%的情况直接或间接与转子停机后锈蚀有关。

6 结语

本文对“干气系统”的技术背景、原理、流程以及在现实中的应用进行了详细的叙述。该系统不但对压缩机的使用环境以及压缩腔内部的洁净度给予保证，确保压缩气体的质量，而且能够防止压缩机内部锈蚀，对压缩机有一定的保护，在实际生产中可以得到广泛的应用。