空气压缩机的产生和使用已经经历了数百年历史,随着人们对压缩机技术的实践和热动力理论的完善,对压缩机的佳结构形式—所谓终极压缩机已经有了清晰的认识,这就是零泄漏+等温压缩。
泄漏是造成压缩机效率下降的主要原因,在压缩机提升气体压力的同时,一部分气体透过机器内部间隙从高压侧向低压侧逆向流动,可以称这部分气体为内泄漏气体,其流量取决于机器内部间隙的长度和宽度。内泄漏气体对压缩机的影响:1、消耗一定的压缩功,造成压缩机能效降低;2、加热进气气流,导致排气温度提高;3、穿过缝隙的气流产生“吹哨子”声,增大压缩机噪音。
减小内泄漏的主要手段是:1、设计选型上优先考虑间隙长度短的压缩机结构形式;2、提高加工和装配精度,缩小间隙宽度;3、通过向气缸内喷液,填充部分间隙,改善密封效果。
等温压缩是理想的压缩过程,是消耗功率小的压缩过程,是压缩机设计者追求的高技术境界,等温压缩的特点是压缩过程中空气没有温升,排气温度等于进气温度。由于空气中含有一定水蒸汽,如果空气压力提高的同时温度上升较滞后,压缩空气就有可能达到压力露点,水蒸气发生相变形成冷凝水,从空气中析出。对于喷液压缩机,喷入液体会与冷凝水混合。对于喷油压缩机来说,过多的冷凝水会加速润滑油的失效。水份还会导致金属部件生锈,加速机器磨损。但是喷液是实现等温压缩的佳手段,甚至是手段。喷水压缩机不会受到冷凝水的负面影响,所以喷水压缩机是实现等温压缩的理想机型。
评判压缩机结构形式优劣的四项准则是:1、内间隙和余隙小;2、取得合理间隙的制造成本低;3、间隙不随时间变化;4、有利于实现喷水内冷和水润滑。
1、内间隙和余隙小。压缩机机头内部一般是有间隙和余隙的,有间隙必然有泄漏,压缩机处于静止状态时,在一定压力下排气侧向进气侧的泄漏是个常数,并且基本不随转速或排气量变化,转速或排气量变化仅仅改变机头的相对泄漏量,即泄漏量与进气量的比值。提高机头转速是降低相对泄漏量的主要手段,但是提高转速造成摩擦磨损增大,轴承寿命缩短,机器可靠性降低。不同机种间隙的长度有很大差异,这种差异严重影响到机器效率。
活塞压缩机主要采用接触密封,其内间隙小,因此活塞压缩机至今仍然是效率高的机种,活塞压缩机的缺点是可靠性受气阀故障较高的影响因而偏低。双螺杆间隙长度远远大于活塞压缩机,只有大幅度减小间隙宽度才能接近活塞机间隙值,因此双螺杆压缩机机头加工精度大大高于活塞压缩机。而单螺杆的间隙长度是双螺杆的2倍,要达到双螺杆的密封效果加工精度必须高于双螺杆。除滑片式压缩机外,包括涡旋压缩机机在内的所有回转压缩机,都是采用间隙密封。采用间隙密封的压缩机减小泄漏的主要手段是提高加工精度,向压缩腔喷油,用润滑油填充部分间隙也是改善密封水平的主要措施。无油螺杆压缩机由于无法利用润滑油填充间隙,所以往往通过降低单级压差,提高转速改善内泄漏,尽管如此无油螺杆压缩机的效率依然低于喷油螺杆压缩机。
滑片式压缩机是采用采用接触密封的回转式压缩机,所以滑片式压缩机的间隙小,接近活塞压缩机,同其它回转式压缩机一样滑片式压缩机工作时也可以向工作腔大量喷油进一步改善密封水平,所以滑片式压缩机的内泄漏小。
回转压缩机的余隙是有害容积,余隙中的气体被压缩后又在进气阶段膨胀,即消耗一定的压缩功又减少了进气量。
2、取得合理间隙的制造成本低。活塞压缩机的工作腔是简单的圆柱体和圆孔,用普通的加工设备就可以取得合理间隙,所以取得合理间隙的成本很低,由于采用的都是通用设备,投资风险也较小。螺杆压缩机曲面复杂,必须使用昂贵的高精度专用设备和量仪才能保证加工质量;设备对厂房的温湿度也有严格要求;由于专用刀具费用高,为降低加工成本往往需要在一次装夹中使用完刀具寿命,极易造成零件库存巨大,造成资金积压。单螺杆和涡旋机亦是如此。回转压缩机中只有滑片压缩机用普通的加工设备就可以取得合理间隙。
3、间隙不随时间变化。机器是要磨损的。由于磨损造成间隙增大,导致压缩机长期运行后效率下降。活塞压缩机的活塞环切口长期运行后会增大,导致效率下降。单螺杆压缩机的星轮磨损后导致间隙增大,效率下降。双螺杆压缩机止推轴承磨损后,排气端的端面间隙增大,导致内泄漏增大,效率下降。滑片压缩机的滑片虽然也在磨损,但是它能够自动补偿,不会因磨损增大间隙,所以滑片压缩机的效率可以长期保持不变。对磨损的自动的即时的补偿是保持泄漏量不随时间变化的必要条件,所有已知的压缩机结构形式中只有滑片压缩机具备这一特征。
4、酚醛树脂层压板、硬橡胶、聚四氟乙烯和碳化硅陶瓷等都是机械产品中常用的良好的水润滑材料,可以很方便的用于喷水压缩机。用酚醛棉布层压板制作的滑片和星轮已经长期用于滑片压缩机和单螺杆压缩机,用碳化硅陶瓷制作的轴承在水润滑机械中有良好表现。用2字头和7字头铝材制作的金属零件不仅耐腐蚀还有足够的机械强度和工艺性。
由于水的粘性小,密封效果远不及润滑油,对于采用间隙密封的回转式压缩机,水几乎没有密封效果,所以喷水螺杆压缩机、喷水单螺杆压缩机和喷水涡旋压缩机排气量显著低于相应的喷油机型,水在这几种机型中仅仅起到冷却和润滑作用。对于采用接触密封的滑片压缩机水同时具有密封、冷却和润滑作用,所以喷水滑片压缩机具备实现零泄漏+等温压缩的终极目标。