整體齒輪式無油離心壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

劉賡傳　崔茂林

摘要：離心壓縮機(jī)為一種常見的動(dòng)力設(shè)備，在石油、化工、食品等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，現(xiàn)階段，無油離心壓縮機(jī)成為行業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。本文以整體齒輪式無油離心壓縮機(jī)為研究對(duì)象，介紹離心壓縮機(jī)的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為相關(guān)研究的開展提供理論依據(jù)，以進(jìn)一步優(yōu)化壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)，提高動(dòng)力性能。

關(guān)鍵詞：離心壓縮機(jī);整體齒輪式無油離心壓縮機(jī);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言：無油離心壓縮機(jī)對(duì)傳統(tǒng)空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)做優(yōu)化設(shè)計(jì)，以真正實(shí)現(xiàn)油氣分離。傳統(tǒng)空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)中，潤(rùn)滑油處于活塞環(huán)、缸套、填料密封元件、活塞桿等元件之間，發(fā)揮潤(rùn)滑作用，避免各元件之間過度摩擦而引發(fā)設(shè)備故障問題。因潤(rùn)滑油的存在，離心式壓縮機(jī)所輸出的壓縮氣體中會(huì)含有一定油量，無法達(dá)到某些高精度工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)壓縮氣體清潔度的要求。整體齒輪式無油離心壓縮機(jī)恰恰能夠解決輸出壓縮空氣中潤(rùn)滑油含量過高的問題，因此有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行解析。

1離心壓縮機(jī)的特點(diǎn)

離心式壓縮機(jī)整體結(jié)構(gòu)包括壓縮機(jī)、電機(jī)、管網(wǎng)、電控元件等，其運(yùn)行原理為，利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)空氣或其他可壓縮介質(zhì)做離心處理，將離心式壓縮機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能力和動(dòng)能，輸出帶有一定初始?jí)毫土髁康臍怏w，用以各項(xiàng)工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中。進(jìn)入離心式壓縮機(jī)的空氣介質(zhì)需先通過過濾器的處理，排除空氣中大顆粒雜質(zhì)，避免其進(jìn)入壓縮機(jī)系統(tǒng)后與各結(jié)構(gòu)元件之間發(fā)生摩擦而導(dǎo)致元件受損。在傳統(tǒng)離心式壓縮機(jī)中，由潤(rùn)滑油發(fā)揮潤(rùn)滑作用，避免結(jié)構(gòu)元件之間發(fā)生干磨。離心式壓縮機(jī)正式運(yùn)轉(zhuǎn)后，油泵逐漸向系統(tǒng)供油，因此在壓縮機(jī)運(yùn)行之前，需過程預(yù)潤(rùn)滑過程，以免在啟動(dòng)之初引發(fā)元件干磨受損問題。

2無油離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1不同離心壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

依照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，離心式壓縮機(jī)可分為單軸和多軸兩種。其中，單軸壓縮機(jī)即只存在單個(gè)缸和軸結(jié)構(gòu)，為壓縮機(jī)的最早形式，目前也有不少工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中采用此類壓縮機(jī)。單軸離心式壓縮機(jī)氣缸兩側(cè)軸承支撐一根主軸，主軸上安有葉輪，其數(shù)量一般由出氣壓力及流量需求決定。主軸與電機(jī)之間通過聯(lián)軸器相連，二者轉(zhuǎn)速保持一致。當(dāng)電機(jī)做功時(shí)，通過主軸帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，完成壓縮氣體輸出。單軸離心式壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，后期維修方便，有足夠的空間容納大葉輪，以此來實(shí)現(xiàn)大流量壓縮氣體輸出[1]。但該類壓縮機(jī)存在出氣壓力低、適用范圍窄等不足，一般被用于石化、廢水處理等行業(yè)。

多軸離心式壓縮機(jī)顧名思義，其結(jié)構(gòu)體系中含有多個(gè)軸，相較于單軸壓縮機(jī)，具備出氣流量大、壓縮能力強(qiáng)、運(yùn)行效率高等優(yōu)勢(shì)。另外，整體齒輪式多軸無油離心壓縮機(jī)還具備體積小、易于維修等特點(diǎn)?？偨Y(jié)來講，多軸離心式壓縮機(jī)較單軸離心式壓縮機(jī)表現(xiàn)出如下特點(diǎn)：第一，結(jié)構(gòu)中不存在彎道回流機(jī)構(gòu)，進(jìn)氣口進(jìn)氣更為順暢、均勻;第二，因存在多個(gè)軸結(jié)構(gòu)，每一軸上的葉輪均可被設(shè)置為不同的轉(zhuǎn)速;第三，各級(jí)進(jìn)氣口與出氣口獨(dú)立設(shè)置，并在級(jí)與級(jí)之間添加冷卻和過濾裝置;第四，各級(jí)進(jìn)口處可進(jìn)行進(jìn)氣導(dǎo)向調(diào)整;第五，運(yùn)行效率高，可提供更大的壓縮比，適用于多種不同的生產(chǎn)工況。

2.2無油離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文以三軸整體齒輪式無油離心壓縮機(jī)為例，介紹其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2.2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

三軸整體齒輪式無油離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，目前在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用非常廣泛，屬于高端空氣壓縮設(shè)備。在多個(gè)軸結(jié)構(gòu)的同時(shí)作用下，空氣流量及壓力被逐級(jí)提高，由大齒輪驅(qū)動(dòng)各小軸的運(yùn)轉(zhuǎn)，總轉(zhuǎn)速可達(dá)到萬級(jí)。在醫(yī)藥衛(wèi)生、食品等領(lǐng)域，其生產(chǎn)對(duì)壓縮空氣的清潔度要求極高，一旦空氣中混入油脂，即有可能導(dǎo)致設(shè)備受損及停工問題。工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)壓縮空氣清潔度要求提升促使無油離心壓縮機(jī)成為壓縮機(jī)的重點(diǎn)發(fā)展方向，如何將壓縮空氣中的含油量控制在1%以內(nèi)，成為壓縮機(jī)生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。

2.2.2具體構(gòu)成

典型的三軸整體齒輪式無油離心壓縮機(jī)一般由1～3級(jí)吸氣室、葉輪、大齒輪、軸承、油封、油泵、氣封等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)多被設(shè)計(jì)為水平剖分式整體齒輪箱，該設(shè)計(jì)的好處在于，可為壓縮機(jī)后期檢修養(yǎng)護(hù)提供便利，使維修人員能夠?qū)X輪、軸承等結(jié)構(gòu)做近距離觀察。

高效三元流后彎葉輪是提高空氣壓縮效率的關(guān)鍵，各壓縮葉輪分別與水平剖分可傾瓦軸承相對(duì)應(yīng)，該軸承的穩(wěn)定性及抗振性極佳，且較一般軸承的使用壽命更長(zhǎng)。為實(shí)現(xiàn)壓縮空氣與潤(rùn)滑油的徹底分離，必須嚴(yán)格保證齒輪箱內(nèi)的潤(rùn)滑油不會(huì)滲透到氣腔當(dāng)中。因此在三軸整體齒輪式無油離心壓縮機(jī)中，各級(jí)葉輪及齒輪箱之間均安裝氣封和油封結(jié)構(gòu)。

（1）葉輪結(jié)構(gòu)。葉輪轉(zhuǎn)子為三軸整體齒輪式無油離心壓縮機(jī)的核心構(gòu)件，其負(fù)責(zé)對(duì)氣體做功，完成能量轉(zhuǎn)化，因此葉輪轉(zhuǎn)子的性能就在很大程度上決定了離心式壓縮機(jī)的壓縮性能。三軸整體齒輪式無油離心壓縮機(jī)分三級(jí)對(duì)空氣做壓縮處理，其安裝的葉輪均為半開式葉輪結(jié)構(gòu)，即不存在輪蓋。此類葉輪結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為強(qiáng)度大、可滿足高速、大功率運(yùn)轉(zhuǎn)的需求。葉輪材質(zhì)多為不銹鋼，以保證其強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。壓縮機(jī)中三個(gè)葉輪的尺寸逐漸降低，因此單位面積葉輪承受的荷載逐級(jí)遞增。為避免葉輪運(yùn)行中發(fā)生過度振動(dòng)，在正式運(yùn)行前需對(duì)其進(jìn)行動(dòng)平衡處理。葉輪與軸之間使用微花鍵連接方式，有效傳輸功率可達(dá)到10000kW，在拆卸過程中不易刮花其他零部件。

（2）軸承結(jié)構(gòu)。軸承為主軸及高速齒輪軸提供支撐和承載。壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)中，大齒輪的轉(zhuǎn)速與電機(jī)保持一致，在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下運(yùn)行，因此其對(duì)軸承性能的要求并不高，采用圓柱滾子軸承即可，以過盈配合方式與主軸連接。而高速齒輪因轉(zhuǎn)速非常大，平均每分鐘可達(dá)到萬轉(zhuǎn)等級(jí)，因此需采用性能更優(yōu)的水平剖分可傾瓦軸承，提供更強(qiáng)的耐振能力，以最大限度減輕壓縮機(jī)振動(dòng)。實(shí)際工作中常在軸承瓦塊上安裝傳感設(shè)備，對(duì)軸承運(yùn)行溫度做實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，部分壓縮機(jī)還會(huì)對(duì)軸承振動(dòng)、運(yùn)行油壓、出氣壓力等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以隨時(shí)掌握離心壓縮機(jī)的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)開展檢查維修工作。

（3）氣封和油封結(jié)構(gòu)。氣封和油封結(jié)構(gòu)的添加是實(shí)現(xiàn)三軸整體齒輪式無油離心壓縮機(jī)無油的核心，借助氣封與油封，可保證壓縮機(jī)有較高的氣密性，以滿足高精度生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)壓縮空氣無油程度的要求。三軸整體齒輪式無油離心壓縮機(jī)將油封設(shè)計(jì)為迷宮式，其能夠?qū)?rùn)滑油牢牢鎖在齒輪箱內(nèi)，避免進(jìn)入壓縮空氣，且該結(jié)構(gòu)不經(jīng)密封氣預(yù)沖即可隨時(shí)發(fā)揮密封效果[2]。氣封結(jié)構(gòu)則設(shè)計(jì)為浮動(dòng)雙碳環(huán)，其優(yōu)點(diǎn)為空氣泄漏量極低，且使用壽命較長(zhǎng)，可防止壓縮氣體進(jìn)入齒輪箱內(nèi)部?？偨Y(jié)來看，三軸整體齒輪式無油離心壓縮機(jī)能夠提供更高的剛度和穩(wěn)定性，其連管長(zhǎng)度更小，整個(gè)壓縮機(jī)的一體化程度更高。因水平剖分式齒輪箱的應(yīng)用，使得壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)更為緊湊，減少占地面積，同時(shí)能夠確保維修人員與維修點(diǎn)更為接近，便于壓縮機(jī)內(nèi)部軸承、齒輪等結(jié)構(gòu)的檢修維護(hù)。相較于一般的離心式壓縮機(jī)，三軸整體齒輪式無油離心壓縮機(jī)故障平均維修時(shí)長(zhǎng)僅在1/7左右，可間接降低壓縮機(jī)維修成本。

3 結(jié)論

工業(yè)生產(chǎn)精密度的提高使得整體齒輪式無油離心壓縮機(jī)有了更大的應(yīng)用空間，因其在葉輪結(jié)構(gòu)、軸承結(jié)構(gòu)及氣封、油封結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠真正實(shí)現(xiàn)離心式壓縮機(jī)空氣壓縮過程的油氣分離，提供清潔度更高的壓縮空氣。相較于傳統(tǒng)離心式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)，整體齒輪式無油離心壓縮機(jī)在運(yùn)行效率、使用壽命等方面也優(yōu)勢(shì)明顯，值得作進(jìn)一步推廣。

參考文獻(xiàn)：

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