氦氣噴油式螺桿壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)初步解決方案金晶晶;胡忠軍;王炳明;李青;龔領(lǐng)會(huì)【摘要】針對(duì)氦氣螺桿壓縮機(jī)容易泄漏、油氣換熱等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，采用縮緊主機(jī)三大間隙及新型線開發(fā)、噴油霧化冷卻等技術(shù)，有效減少了轉(zhuǎn)子內(nèi)漏和流動(dòng)損失，提高了熱力學(xué)效率和可靠性.初步解決了氦氣分子量小帶來(lái)的極易泄漏以及絕熱指數(shù)高帶來(lái)的壓縮熱大的兩大技術(shù)難點(diǎn).針對(duì)中型氦液化器常用機(jī)型，在噴油冷卻特性研究、轉(zhuǎn)子型線優(yōu)化、機(jī)組方案優(yōu)化等基礎(chǔ)上，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，獲得了接近國(guó)際先進(jìn)水平的容積效率和絕熱效率.【期刊名稱】《低溫工程》【年(卷)，期】2016(000)006【總頁(yè)數(shù)】7頁(yè)(P29-35)【關(guān)鍵詞】大型低溫;氦氣壓縮;噴油式螺桿壓縮機(jī);型線【作者】金晶晶湖忠軍;王炳明;李青;龔領(lǐng)會(huì)【作者單位】中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所北京100190;中國(guó)科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100190;中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京100049;中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所北京100190;中國(guó)科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100190;中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所北京100190;中國(guó)科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100190;中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所北京100190;中國(guó)科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100190;中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所北京100190;中國(guó)科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100190【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TB652近年來(lái)，隨前沿科學(xué)的發(fā)展，大型低溫系統(tǒng)在大科學(xué)工程等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多，規(guī)模越來(lái)越大。低溫系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，由于復(fù)溫和降溫需要一個(gè)較長(zhǎng)恢復(fù)周期，整個(gè)大科學(xué)裝置將陷于癱瘓，后果通常比較嚴(yán)重。低溫系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)設(shè)備，主要是壓縮機(jī)和膨脹機(jī)，它們的可靠性在一定程度上決定了整個(gè)低溫系統(tǒng)的可靠性。和膨脹機(jī)一樣，壓縮機(jī)也是大型低溫系統(tǒng)的核心部件，其效率和壽命決定了整個(gè)大型低溫系統(tǒng)的基本性能。大科學(xué)裝置也曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)由于雷擊引起電網(wǎng)波動(dòng)造成氦氣壓縮機(jī)停車的故障。自從美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室于1979年在〃萬(wàn)億電子伏特加速器(Tevatron)”低溫系統(tǒng)中引入噴油式氦氣螺桿壓機(jī)后，噴油螺桿壓縮機(jī)憑借著大容量、低振動(dòng)、高可靠性等優(yōu)勢(shì)，基本替代了活塞式等其它類型壓縮機(jī)在大型低溫工程中的應(yīng)用［1］。氦氣螺桿壓縮機(jī)通常是在空氣螺桿壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上通過(guò)特殊的改造設(shè)計(jì)制成。目前林德公司和法液空公司的氦液化器產(chǎn)品廣泛采用德國(guó)凱撒(KAESER)公司的系列化產(chǎn)品。掌握這種技術(shù)的還有美國(guó)壽力(SULLAIRCORP)、德國(guó)艾岑(AERZEN)、英國(guó)豪頓(HOWDEN)、日本前川(MYCOM)等。其中，一些非標(biāo)研發(fā)的凱撒機(jī)型，由于和林德等排他性協(xié)議，不對(duì)中國(guó)用戶單獨(dú)出口。即使允許出口到中國(guó)的產(chǎn)品，除了價(jià)格昂貴，還施行最終用戶的限制，禁止使用在航天、核技術(shù)、國(guó)防等應(yīng)用領(lǐng)域。這將嚴(yán)重制約和限制了中國(guó)大型低溫技術(shù)及其相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。近年來(lái)，中國(guó)已經(jīng)逐步成為全球螺桿主機(jī)的制造中心，國(guó)內(nèi)在制造的工藝裝備，精密的試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)施上與國(guó)夕卜基本一致［2］。中國(guó)雖然擁有了國(guó)際上生產(chǎn)高質(zhì)量轉(zhuǎn)子的加工設(shè)備，但性能水平和制造質(zhì)量仍落后于國(guó)際同行，關(guān)鍵是設(shè)計(jì)技術(shù)跟不上。主機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，主要是轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)技術(shù)。因此，像氦氣介質(zhì)這樣技術(shù)含量高和對(duì)螺桿壓縮機(jī)有特殊要求的產(chǎn)品卻仍不能滿足國(guó)內(nèi)需求。中國(guó)在氦螺桿壓縮機(jī)方面尚無(wú)成熟的產(chǎn)品提供，主要由于氦螺桿壓縮機(jī)的研制難度大，更重要的原因是與國(guó)外相比中國(guó)大科學(xué)工程的起步晚。早在1997年大型環(huán)模裝置KM6中曾經(jīng)有過(guò)氦氣螺桿壓縮機(jī)改制的先例，但是軸封泄漏、油路堵塞和油分效果等問(wèn)題都沒(méi)有解決［3］。2003年武漢新世界制冷公司（今屬大連冰山）為中國(guó)科學(xué)院等離子所EAST項(xiàng)目改制了氦氣螺桿壓縮機(jī)，性能也不穩(wěn)定［4］。國(guó)內(nèi)外卜相關(guān)氦螺桿技術(shù)的研究，主要集中在實(shí)際運(yùn)行狀況熱力性能分析、節(jié)能優(yōu)化分析、噴油參數(shù)優(yōu)化研究等方面［5］,缺乏對(duì)轉(zhuǎn)子內(nèi)部泄漏規(guī)律等深層研究。理化所在國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目（一期）〃大型低溫制冷設(shè)備研制”中，也開展了小型氦氣壓縮機(jī)樣機(jī)的研制工作［6］,整機(jī)效率仍然比國(guó)際水平低很多。進(jìn)一步研制具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能氦螺桿壓縮機(jī)意義重大。在國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目（二期）〃液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)研制”實(shí)施過(guò)程中，理化所積極推進(jìn)聯(lián)合研發(fā)性能先進(jìn)的氦氣噴油式螺桿壓縮機(jī)。目前對(duì)型線、密封、噴油冷卻等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了初步技術(shù)突破。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在熱力性能和濾油性能等方面基本接近國(guó)際先進(jìn)水平，更好的適應(yīng)和滿足將來(lái)中國(guó)“積極牽頭實(shí)施大科學(xué)計(jì)劃和大科學(xué)工程”新形勢(shì)、新任務(wù)。2關(guān)鍵技術(shù)分析氦的臨界溫度很低只有5.19K，是自然界中最難液化的氣體，因此是大型低溫工程的主要工質(zhì)。氦氣獨(dú)特的物理性質(zhì)決定了氦氣壓縮機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)。氦氣的絕熱指數(shù)高（1.667），遠(yuǎn)高于空氣的絕熱指數(shù)（1.4），因此壓縮過(guò)程中容易產(chǎn)生更高的壓縮熱，加之氦氣的比熱容小，從而引起壓縮升溫很大。以對(duì)室溫氦氣進(jìn)行絕熱壓縮引起的溫升為例，在壓比為14時(shí)的溫升約為5501。氦氣是單原子分子、運(yùn)動(dòng)粘度小、滲透性強(qiáng)，帶來(lái)極易泄漏的難題，特別是在軸封的外漏和轉(zhuǎn)子間隙內(nèi)漏尤為突出。氦氣噴油式螺桿壓縮機(jī)是利用油吸收壓縮熱(約占輸入功率的90%),溫升控制在相對(duì)較低水平。噴油內(nèi)冷卻是使其得以迅速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。采用噴油冷卻可以使得壓縮過(guò)程更接近于等溫過(guò)程，從而獲得較高的熱力學(xué)效率；同時(shí)由于螺桿轉(zhuǎn)子之間粘度較高的油膜的密封效應(yīng)，有效減少了氦氣壓縮過(guò)程中的內(nèi)部泄漏。實(shí)際壓縮的油-氣混合物中的質(zhì)量比通常在30—50，從這方面來(lái)看，堪稱油壓縮機(jī)［7］。為避免雜質(zhì)氣氛在低溫下出現(xiàn)凍結(jié)堵塞等危害，大型低溫系統(tǒng)對(duì)氦氣純度要求特別高，油蒸汽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在10x10-9以下。氦氣壓縮過(guò)程中的噴入大量的油必須再通過(guò)多級(jí)油分離系統(tǒng)進(jìn)行去除，最終獲得痕量水平，由此帶來(lái)第三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，就是高效率的油氣分離技術(shù)。一般要求氦氣壓縮機(jī)排氣中油質(zhì)量分?jǐn)?shù)在(2—3)x10-6的水平，而在空壓機(jī)或制冷劑螺桿壓縮機(jī)技術(shù)中一般只要求(5—10)x10-6的水平，工業(yè)上國(guó)產(chǎn)螺桿壓縮機(jī)油分系統(tǒng)龐大，普遍存在油分效率低的問(wèn)題。針對(duì)氦氣噴油式螺桿壓縮機(jī)上述3個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，提出初步的解決方案如下：開發(fā)新的轉(zhuǎn)子型線結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步減少泄漏三角形、嚙合間隙等引起的內(nèi)漏損失；優(yōu)化噴油冷卻的特征參數(shù)，包括噴油霧化情況和噴油量的優(yōu)化；研制可靠的轉(zhuǎn)軸密封結(jié)構(gòu)，使壓縮機(jī)組通過(guò)軸封的氦氣在動(dòng)、靜狀態(tài)下的漏率滿足要求；采用旋風(fēng)式離心油分離結(jié)構(gòu)用以提高分離的效率。最后進(jìn)行氦氣壓縮實(shí)驗(yàn)，測(cè)試氦氣壓縮機(jī)性能進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)和加工工藝。上述關(guān)鍵技術(shù)解決方案是通過(guò)聯(lián)合專業(yè)制造螺桿壓縮機(jī)廠家完成。雖然中國(guó)生產(chǎn)螺桿壓縮機(jī)企業(yè)有幾百家，但是由于氦氣螺桿需要更高的加工精度，一般采用磨削為主的轉(zhuǎn)子加工設(shè)備，并具備新型線設(shè)計(jì)開發(fā)基礎(chǔ)，因此實(shí)際上具備聯(lián)合攻關(guān)氦氣螺桿的卻只有很少的幾家，包括采用西安交通大學(xué)型線的煙臺(tái)冰輪、采用倫敦城市大學(xué)N型線的大連冰山和無(wú)錫壓縮機(jī)廠、采用北美研發(fā)中心Y型線的開山集團(tuán)，以及采用瑞典SRM型線的福建雪人公司等。但是氦氣螺桿壓縮機(jī)研制，不能走在廠家原有機(jī)型上簡(jiǎn)單改制的技術(shù)路線上。過(guò)去二十年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，以往改制的氦氣壓縮機(jī)，突出的技術(shù)問(wèn)題是絕熱效率過(guò)低(一般低于70%)、實(shí)際流量不足、流程不合理、軸封泄漏率大等問(wèn)題。螺桿壓縮機(jī)的核心部件是主機(jī)，其價(jià)值占整個(gè)機(jī)組的20%—30%，壓縮機(jī)的品質(zhì)如何一般以用的什么主機(jī)來(lái)衡量。螺桿壓縮機(jī)主機(jī)決定了整個(gè)機(jī)組的效率、流量和運(yùn)行的可靠性。壓縮機(jī)組的工程事故原因與設(shè)計(jì)相關(guān)約占10%，主機(jī)占到80%，其余發(fā)生在管路閥門和電氣配套［8］。因此關(guān)鍵技術(shù)方案必須圍繞提高螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的性能展開。在諸多因素中，對(duì)雙螺桿壓縮機(jī)的熱力學(xué)性能影響最大的是各種泄漏通道的影響。這些泄漏通道是不可避免的，一方面，必須預(yù)留有足夠的間隙來(lái)防止轉(zhuǎn)子干涉，但是對(duì)氦氣介質(zhì)來(lái)說(shuō)，這部分的間隙必須足夠小才能有效提高容積效率。另一方面，需要利用間隙來(lái)補(bǔ)償制造缺陷和公差。由于運(yùn)行時(shí)溫度和壓力引起轉(zhuǎn)子形變，熱態(tài)間隙通常比冷態(tài)裝配間隙小很多。與其它回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)一樣，間隙設(shè)計(jì)是提高熱力性能最關(guān)鍵、最重要的技術(shù)。轉(zhuǎn)子內(nèi)部泄漏是影響容積效率的決定因素，對(duì)于小分子量的氦氣介質(zhì)，影響更加顯著。這種泄漏通道共有5條，分別是陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子接觸線、轉(zhuǎn)子齒頂與氣缸間的密封線、泄漏三角形、吸氣端和排氣端的端面間隙。其中泄漏三角形和接觸線影響最大，而這兩條泄漏通道主要決定于轉(zhuǎn)子型線。為解決上述關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試等過(guò)程都需要不斷的反復(fù)進(jìn)行，最終評(píng)價(jià)是否達(dá)到國(guó)際水平還必須經(jīng)過(guò)一系列規(guī)范的性能測(cè)試。由于中國(guó)沒(méi)有適合氦氣螺桿壓縮機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)臺(tái)，因此還研制了一套氦壓縮機(jī)性能測(cè)試臺(tái)，具有PLC自動(dòng)控制的管網(wǎng)穩(wěn)壓系統(tǒng)，能夠真實(shí)的模擬在實(shí)際低溫工程中的實(shí)際應(yīng)用工況，方便地測(cè)試出諸如壓力、流量、效率、功耗、泄漏等性能指標(biāo)［9］。為詳細(xì)介紹氦氣螺桿壓縮機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)解決方案，以一臺(tái)配合40L/h氦液化器使用的氦氣螺桿壓縮機(jī)為例，具體關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下：排氣流量約500Nm3/h；壓比為14；排氣溫度<100°C;排氣壓力：1.4MPa(a);排氣含油量<2x10-6;變頻器變頻范圍：25%—100%;整機(jī)漏氣率小于10-7Pa?m3/s，漏油量：翌mL/day。機(jī)組的流程如圖1所示，這臺(tái)氦氣螺桿壓縮機(jī)組，由螺桿壓縮機(jī)主機(jī)、電機(jī)、油氣分離器、冷卻器、能量調(diào)節(jié)裝置（滑閥或變頻器調(diào)節(jié)）、氣管路、油管路等組成。螺桿壓縮機(jī)主機(jī)的設(shè)計(jì)，最重要的就是轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)。主機(jī)效率和壽命由轉(zhuǎn)子型線特征、加工精度等決定。螺桿轉(zhuǎn)子型線經(jīng)歷了三代變革，第三代型線是最新的非對(duì)稱螺旋轉(zhuǎn)子，采用圓弧、橢圓、拋物線等曲線組合，由線密封變成為曲面密封，有利于形成油膜、減少磨損和降低噪音，具有較小面積的泄漏三角形，較好的嚙合性、利于加工，小的熱變形和彎曲變形等優(yōu)點(diǎn)。代表性的有KAESER公司的Sigma型線、GHH公司的CF型線、日立公司的56U型線等［10］，也是目前世界上公認(rèn)效率較高的型線。表1列出了常見(jiàn)型線的特征參數(shù)，型線幾何參數(shù)有效減少軸向和橫向的氦氣內(nèi)部泄漏。除要求轉(zhuǎn)子接觸線連續(xù)和盡量短外，還要求泄漏三角形面積盡量小，設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)鍵是在這兩個(gè)要素之間進(jìn)行妥協(xié)。例如小的泄漏三角形會(huì)造成大的封閉容積和長(zhǎng)的接觸線；流線型線雖然具有好的動(dòng)力性能和嚙合性，但會(huì)增大泄漏三角形的問(wèn)題。每種型線、各種間隙與介質(zhì)和實(shí)際工況相關(guān)，對(duì)于氦氣工質(zhì)，流線型齒形可有效降低泄漏三角形，并且利于流體動(dòng)力學(xué)潤(rùn)滑油膜的形成，可以彌補(bǔ)單純依靠提高加工精度減小嚙合間隙的不足。新型線的設(shè)計(jì)過(guò)程：先初步選定一種或幾種曲線組成齒曲線，然后通過(guò)計(jì)算其幾何特征值包括結(jié)構(gòu)參數(shù)，如長(zhǎng)徑比、扭轉(zhuǎn)角和孔口參數(shù)。通過(guò)運(yùn)行工況熱力學(xué)性能計(jì)算得到排氣量、軸功率、絕熱效率、容積效率等宏觀性能，進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化諸如齒數(shù)組合及型線結(jié)構(gòu)參數(shù)等，最終獲得高效新型線［11］。由于型線的前段無(wú)軸向氣密性要求，取用橢圓-橢圓包絡(luò)線；背段為減少泄漏三角形面積，采用點(diǎn)嚙合擺線；型線的前后段間則用圓弧光滑過(guò)渡。包絡(luò)線上的連續(xù)接觸，利于保存油膜，降低轉(zhuǎn)子的擾動(dòng)損失。中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所與無(wú)錫壓縮機(jī)股份有限公司，進(jìn)行了型線優(yōu)化的聯(lián)合設(shè)計(jì)嘗試，采用N型線代替第二代X型線，更有利于油膜的形成，泄漏三角形僅為對(duì)稱型線的十分之一。轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計(jì)工具采用了DISCO軟件，這是英國(guó)倫敦城市大學(xué)針對(duì)螺桿主機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)的一款集轉(zhuǎn)子幾何計(jì)算及性能預(yù)測(cè)的綜合平臺(tái)。通過(guò)程序化和智能化的設(shè)計(jì)模塊，提高了設(shè)計(jì)工作效率，有效縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)的時(shí)間。在熱力、流體以及強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，可以對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化［12］。型線的一個(gè)重要的特征參數(shù)就是陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒數(shù)和齒數(shù)比。陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒數(shù)少，型線形成的齒槽較深，面積利用系數(shù)大，但由于軸徑減少，剛度有所降低，并且工作基元腔少導(dǎo)致相鄰基元壓差大，造成更加嚴(yán)重的內(nèi)部泄漏損失，一般用于低壓差、大流量的運(yùn)行工況下。反之，大齒數(shù)的陽(yáng)轉(zhuǎn)子一般用于高壓差、小流量的場(chǎng)合。根據(jù)壓力范圍，小于0.5MPa，陽(yáng)轉(zhuǎn)子一般用3齒；0.5—1.6MPa，陽(yáng)轉(zhuǎn)子一般用4齒；高于1.6MPa，一般用6齒。陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒數(shù)差通常只有1或2。陰轉(zhuǎn)子齒數(shù)的減少可以提高面積利用系數(shù)，減少陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差，但也會(huì)降低陰轉(zhuǎn)子的軸徑剛度。齒數(shù)越多強(qiáng)度越高，有利于轉(zhuǎn)子副的扭角系數(shù)，但會(huì)降低面積利用系數(shù)。因此，在保證轉(zhuǎn)子強(qiáng)度前提下，陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒數(shù)差為1。所以在本壓縮機(jī)的運(yùn)行壓力范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)方案確定使用陽(yáng)轉(zhuǎn)子4齒，陰轉(zhuǎn)子5齒。齒數(shù)和齒數(shù)差與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也密切相關(guān)。國(guó)外也在這方面做的研究表明，在非常低的線速度下，5/6轉(zhuǎn)子組合要比4/6轉(zhuǎn)子組合的效率略高3%—5%。線速度大于25—27m/s以上，4/6轉(zhuǎn)子組合要比5/6轉(zhuǎn)子組合效率高，兩者的差距隨線速度的上升而增加，在線速度接近50m/s，效率差甚至可高達(dá)10%。除了齒數(shù)組合外，型線另外兩個(gè)對(duì)壓縮機(jī)性能有重大影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)是齒頂高和齒高半徑。齒頂高的取值直接關(guān)系到泄漏三角形面積的大小，而齒高半徑則直接影響到面積利用系數(shù)。通過(guò)對(duì)3種不同型線的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)性能較好的螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子都有以下共同特點(diǎn)：高效齒型中，陽(yáng)、陰轉(zhuǎn)子齒數(shù)比有4/5、5/6、5/7，基元容積間壓差減少，利于效率提升；陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子直徑相差不大，轉(zhuǎn)子剛度接近，承載能力高，受力更好，適用于壓差和壓比較大的工況。如圖2所示，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子各種內(nèi)漏通道引起損失的權(quán)重歸一化對(duì)比分析，優(yōu)化后由于有效減小了泄漏三角形，各種間隙對(duì)實(shí)際效率的影響更大。轉(zhuǎn)子嚙合間隙和吸排氣端面間隙等間隙的設(shè)計(jì)對(duì)噴油螺桿壓縮機(jī)的性能和效率有很大的影響。對(duì)間隙進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)也是提高壓縮機(jī)性能的重要途徑。通過(guò)優(yōu)化間隙設(shè)計(jì)對(duì)壓縮機(jī)性能影響見(jiàn)表2和圖3。雙邊型線的陰轉(zhuǎn)子齒頂圓更大，圓周線速度更高，密封性能更好。圖3就是改變間隙值對(duì)主機(jī)效率影響的性能曲線，隨著間隙值的減小，容積效率、絕熱效率和等溫效率都在增大。但是間隙值不能過(guò)小，防止出現(xiàn)壓縮機(jī)抱軸現(xiàn)象。由于氦氣的絕熱系數(shù)較大的特點(diǎn)，造成排氣溫度比較高，當(dāng)噴油螺桿壓縮機(jī)的排出溫度超過(guò)100°C,系統(tǒng)的潤(rùn)滑油變質(zhì)，壓縮機(jī)出現(xiàn)熱故障而難以正常運(yùn)行，所以要提高噴油冷卻效果。降低油溫、增加噴油量、提高噴油的霧化程度和對(duì)噴口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使壓縮機(jī)的油氣排溫盡可能降低。圖4就是模擬計(jì)算的不同噴油量對(duì)主機(jī)容積效率、等溫效率和絕熱效率影響的性能曲線。噴入的潤(rùn)滑油一方面降低了工作腔內(nèi)溫度，使壓縮過(guò)程更接近于等溫過(guò)程。另一方面，噴入的油增加了粘性剪切力和攪拌功。因此，存在一個(gè)最佳噴油量使得耗功量少。根據(jù)試驗(yàn)可知，轉(zhuǎn)子速度和噴油溫度對(duì)壓縮機(jī)的效率和性能也有一定的影響。由于速度小時(shí)泄漏大、速度大時(shí)動(dòng)力損失大的特點(diǎn)，把速度控制在最佳圓周速度范圍內(nèi)。根據(jù)噴油溫度與效率的試驗(yàn)比較分析來(lái)選擇最合適的噴油溫度。壓縮機(jī)組的外部泄漏率不僅會(huì)引起低溫系統(tǒng)氦氣工質(zhì)的泄漏，由于系統(tǒng)內(nèi)外雜質(zhì)成分的分壓力不同，所以通常還會(huì)引起空氣中的氮?dú)?、二氧化碳和水蒸氣等向系統(tǒng)內(nèi)部的擴(kuò)散，特別是水分會(huì)對(duì)壓縮機(jī)潤(rùn)滑油性能造成影響，因此整機(jī)密封性能也尤其重要。對(duì)于開啟式噴油螺桿壓縮機(jī)，最難解決的密封問(wèn)題在軸封處，這是一道動(dòng)密封，采用機(jī)械密封和油密封相結(jié)合的密封方式。從一次油氣分離器引入油，高壓油噴入機(jī)械密封腔室，該腔室中的壓力油通過(guò)迷宮密封泄入主機(jī)低壓側(cè)。這樣，用機(jī)械密封密封住高壓油，用壓力油密封住高壓氦氣，從而，保證對(duì)氦氣的絕對(duì)密封。在壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油氣分離器壓力和吸氣壓力平衡，油不再噴入機(jī)械密封室，依靠機(jī)械密封動(dòng)環(huán)與靜環(huán)密封端面的貼合密封低壓側(cè)氦氣。如圖5所示，軸封在長(zhǎng)期停機(jī)過(guò)程中，由于油膜在重力作用下變薄，使得靜態(tài)泄漏率有所增大。如B點(diǎn)所示，27天后測(cè)試漏率比A點(diǎn)初調(diào)試時(shí)候增大百倍。通過(guò)盤車和運(yùn)行可以恢復(fù)原有的密封效果，圖中C、D、E點(diǎn)分別表示盤車一次、兩次和重新運(yùn)行后測(cè)試的泄漏率。由于氦氣中噴入了大量的潤(rùn)滑油，壓縮機(jī)排出的高壓氦氣含有大量油霧。氦氣中如果含有較高濃度的油霧，長(zhǎng)時(shí)間條件下管道內(nèi)壁和冷卻器會(huì)淤積形成油質(zhì)薄膜，阻塞管道影響氦氣的流動(dòng)和換熱。所以須提高壓縮機(jī)一次油分的效率，一般要求質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到(2—3)x10-6的水平，遠(yuǎn)高于空壓機(jī)和制冷壓縮機(jī)質(zhì)量分?jǐn)?shù)5x10-6以上的水平。高效率油分離效率的獲得是通過(guò)采取旋風(fēng)立式分離原理，將絕大部分油滴甩至油分筒內(nèi)壁，微細(xì)油滴的去除是通過(guò)凝聚式親和過(guò)濾原理，使分離出來(lái)的油及時(shí)返回壓縮機(jī)來(lái)保證壓縮機(jī)的正常潤(rùn)滑。關(guān)于高效油氣分離的闡述詳見(jiàn)其它將發(fā)表的專題論文。為驗(yàn)證上述型線開發(fā)、噴油優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)方案的實(shí)際效果，專門設(shè)計(jì)了一套氦氣螺桿壓縮機(jī)的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，試驗(yàn)測(cè)試流程如圖6所示。氦氣經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)入主機(jī)吸氣端，壓縮到一定壓力后，排出油氣混合物，經(jīng)過(guò)油分離器后分為油路和氦氣路兩部分，其中油經(jīng)過(guò)油冷卻器和油過(guò)濾器回到吸氣端形成油路的循環(huán)。經(jīng)過(guò)油分后的氦氣，在氣體冷卻器中進(jìn)行冷卻，然后通過(guò)旁通閥減壓后再回到壓縮機(jī)吸氣端，由于氦氣的轉(zhuǎn)化溫度較低，室溫節(jié)流不會(huì)引起制冷效應(yīng)。管網(wǎng)高壓和低壓壓力的穩(wěn)定是通過(guò)加、卸載閥和旁通閥配合使用，功能等同于大型低溫系統(tǒng)的氣體管理面板。當(dāng)壓縮機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)，旁通閥關(guān)閉，剩余管道內(nèi)氣體經(jīng)過(guò)卸載閥進(jìn)入緩沖罐。當(dāng)壓縮機(jī)再次開機(jī)時(shí)，緩沖罐的氣體又經(jīng)過(guò)加載閥進(jìn)入到系統(tǒng)中，從而保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。通過(guò)功率計(jì)、流量計(jì)、溫度傳感器和壓力傳感器的測(cè)量結(jié)果，可以計(jì)算出壓縮機(jī)的絕熱效率、容積效率等。這些傳感器均經(jīng)過(guò)計(jì)量單位的標(biāo)定和校驗(yàn)，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定性分析表明，絕熱效率的不確定度為±1.5%。對(duì)所研制的噴油螺桿壓縮機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)轉(zhuǎn)子型線優(yōu)化設(shè)計(jì)確實(shí)有效地減小了內(nèi)部泄漏，提高壓縮機(jī)效率。典型工況下的絕熱效率從上一代型線的69%提高到了82.4%，容積效率達(dá)到了90%。同等工況下基于希格瑪型線的凱撒氦氣壓縮機(jī)絕熱效率約為85%—90%。參照ISO8573-2標(biāo)準(zhǔn)《測(cè)定懸浮狀油含量的試驗(yàn)方法》中膜片累積和紅外分光光度儀測(cè)定的方法，對(duì)排氣中的油含量進(jìn)行了測(cè)試。油含量測(cè)試結(jié)果表明，采用有效的油分離技術(shù)，油質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到2x10-6以下的先進(jìn)水平，每十組測(cè)試結(jié)果重復(fù)性相對(duì)誤差小于2%。氦氣噴油螺桿壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)在于型線的設(shè)計(jì)、間隙的優(yōu)化、噴油冷卻和霧化設(shè)計(jì)。通過(guò)N型線新型線的開發(fā)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了匹配的接觸線長(zhǎng)度和泄漏三角形。在氦氣螺桿壓縮機(jī)新型線開發(fā)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步縮緊了各種間隙并優(yōu)化了噴油參數(shù)，初步解決了氦氣螺桿壓縮機(jī)的內(nèi)部泄漏和冷卻等關(guān)鍵技術(shù)，提高了容積效率和絕熱效率，基本達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。在高精度加工中心和自修正磨床保障加工精度前提下，將陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子嚙合間隙縮緊到20—50pm，排氣端間隙、單邊間隙也有所縮緊。采用適當(dāng)?shù)挠蜌赓|(zhì)量比，提高了等溫效率，采用有效的旋風(fēng)油分離技術(shù)，出口油質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2x10-6，但與國(guó)際先進(jìn)產(chǎn)品相比，型線還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，還需要進(jìn)一步解決的技術(shù)問(wèn)題主要是軸封端面機(jī)械密封靜態(tài)泄漏問(wèn)題、機(jī)組結(jié)構(gòu)的緊湊化設(shè)計(jì)等?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】1AMartinez,CBPallaver.Operationandmaintenanceoffermilab’s300kWheliumscrewcompressorsaftertwo-millionhoursofoperation.CryogenicEngineeringConferenceandInternationalCryogenicMaterialsConference(CEC/lCMC95)，Columbus，Ohio，July17-21，1995.2錢家祥.空氣動(dòng)力用螺桿壓縮機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析[J].通用機(jī)械，2012(3):19-23.3李鴻勛.用于KM6載人航天器空間環(huán)境模擬器氦制冷機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].低溫與特氣，2005，23(3):23-28.LiHongxun.Systemdesignoftherefrigeratorusedinthemanned-spacecraftspaceenvironmentsimulationchamberKM6[J].LowTemperatureandSpecialtyGases，2005，23(3):23-28.4徐光福，莊弱，張啟勇，等.EAST氦制冷系統(tǒng)中噴油螺桿壓機(jī)性能特性分析研究[C].第九屆全國(guó)低溫工程大會(huì)論文集，安徽合肥，2009.XuGuangfu,ZhuangMing,ZhangQiyong,etal.ScrewcompressorcharacteristicsforEASTheliumcryogenicSystem[C].ProceedingsoftheNinthNationalConferenceCryogenicEngineering,Hefei,2009.5徐光福，莊明，盛林海等?氦低溫系統(tǒng)螺桿壓縮機(jī)組運(yùn)行分析及節(jié)能優(yōu)化[J].低溫工程，2009(2):15-19.XuGuangfu,ZhuangMing,ShengLinhai.Operatingandenergysavinganalysisofscrewcompressorsforheliumcryogenicsystem[J].Cryo