国产压缩机 50 年技术进展一隅

1 　 我国压缩机学科/制造业的诞生

111 　 初的压缩机品种及其制造厂

    20世纪 50 年代初的国民经济恢复时期 , 各类矿山亟需采掘用空气压缩机 , 我国压缩机制造业遂应运而生。1950 年 , 原沈阳气体压缩机厂 (以下简称沈气厂) 早仿 (日本) 制了排气压力 017 MPa、容积流量各为3 m3/ min、6 m3/ min、10 m3/ min的小型固定式空压机。

    1951年 , 原天津动力机厂按原中央机械工业局设计室测绘图样 (参照德国 DIN 绘图标准要求) , 仿 (美国) 制了高速柴油机及其直联驱动的空压机 (排气压力 017 MPa、容积流量 9m3/ min) 和系统 , 成为国产移动式空压机。原重工业部黄敬部长莅临剪彩。

    1952 年 , 原杭州制氧机厂仿 (苏联) 制了排气压力 15MPa 的高压小型移动式空压机。

1954年10月, 作为建国初期重点建设项目之一的原沈气厂, 仿 (苏联) 制了小型石油气压缩机;1955年原大连化工厂仿制了 2400HP大型氮氢气高压压缩机, 开国产工艺流程用压缩机之先河。

1957 年 , 在吉合群厂长兼总工程师任上 , 原沈气厂仿 (加拿大) 制的 1 - 100/ 8 型空压机 , 参照美国机械工程师协会标准ASME PTC - 9 , 于 12月 3 日测得: 排气压力 016863 MPa 时 , 容积流量91 m3/ min、轴功率 471 kW、比功率 5118 kW/(m3· min - 1) 。此乃国产大型动力用空压机。

1.2 　 压缩机专业的教学、科研与外援

原高等教育部参照原苏联办学经验 , 1955 年决定在交通大学设立压缩机专业学科 , 石华鑫先生(同济) 肩负创建重任 , 石门桃李遂满天下矣。1957 年后 , 该教研室长期由郁永章、杨绍侃先生领导。1960 年 , 原一机部在武汉机械学院设压缩机专业 (现属华中科技大学建制) 。

1956 年 , 原一机部通用机械研究所建立 , 原沈气厂总工艺师黄隆厚先生奉部调令入所 , 1958年时下设 6 人压缩机组 , 后扩为研究室。1960 年 ,原一机部一三局与沈阳市机械局在部直属沈气厂内设沈阳气体压缩机研究所。

上述二校、二所 , 是培育压缩机专业人材和全方位实施压缩机专业研究的强大基地 , 也是精品压缩机的主要源头。

原苏联专家沙夫拉为原一机部、化工部合办的压缩机短期训练班授课 (1957年) ; 原苏联苏姆市优龙芝机器制造厂压缩机工艺专家列兹尼钦科来原沈气厂指导 (1958年4月～1959年10月) ; 原全苏化工机械科学研究院列宁格勒分院大型压缩机设计专家多勃罗克隆斯基到通用所指导 (1960 年初～8 月) , 都为我国容积式压缩机技术的奠基作出了贡献。

2 　 隔膜式压缩机

20世纪60 年代初, 原杭州制氧机厂、原北京通用机械厂分别仿制了原苏联、法国的隔膜式高压压缩机, 开辟了我国压缩机制造业的崭新领域。211 　 超高压活塞式/隔膜式压缩机组 (图 1)机组排气压力 200 MPa、容积流量 2 m3/ min ,由一次机 (活塞式 , 4 级 , 排压 30 MPa , 轴功率40 kW) 、二次机 (隔膜式 , 排压 100 MPa , 轴功率12 kW) 、三次机 (隔膜式 , 轴功率 22 kW) 各一台及系统构成 , 供气量2 Nm3/ min。用于中国空气动力研究与发展中心的尖端科技大型2 m激波风洞 , 供航天器的高马赫数、高雷诺数、高速高焓试验之需。该风洞为亚洲大、世界前列。机组于1984 年～1988 年由中国通用机械工程总公司设计/成套 , 大隆机器厂制造。经数年实验运行 , 膜片等均未破损 , 1992 年鉴定。

11缸头　21配油盘　31缸体　41 调压阀 　51 卸荷阀 　61 油腔压

力表　71进气压力表　81温度传感器 　91 排气压力表 　101 油冷

却器　111润滑油精过滤器　121转子油泵　131补油泵　141补油

量调节阀　151机身　161润滑油压力表

图 1 　 膜压机及部分控制管路简图

机组主要技术内涵:

(a) 满足了分别以 3 种不同压力 ( 30 MPa、100 MPa、200 MPa) 向风洞供气之需。

(b) 同一机组既可压缩氢气又可改压氮气 , 以供风洞选气种用。氢、氮二者在超高压力下的可压缩性系数值差异较大 ( 100 MPa 下 , H2 为 116、N2 为 212 ; 200 MPa 下 , H2 为 212、N2 为 315) ,同一膜腔将会造成不同的压力比分配和排气温度的较大差异。

(c) 在国内首次确定了 230 MPa 超高油压下油缸/柱塞的合理间隙值。柱塞/缸套间隙若过大 , 则油泄漏量大 , 产生的油压过低 , 排气压力也过低。若间隙过小 , 则将发生柱塞在缸套内咬死的严重后果。终确定间隙值为柱塞直径的 011 %～012 % , 被实践证明可行。

(d) 择定缸头/缸体联接用双头螺栓预紧系数。终确定的双头螺栓预紧系数为 1112。在此恰当的预紧系数下 , 还必须对螺纹根部实施滚压工艺 , 使应力集中部位恒处于压缩应力状态; 尚需进行硫化处理 , 以防高精度螺纹拧紧时咬死。

(e) 优选膜片材质为半硬化 316 不锈钢板或Ni36Cr TiAl薄板 , 并控制膜腔相对余隙容积小于215 %。

(f) 得出了避免严重应力集中和延长高循环数、高应力幅作用下零件寿命的对策。

(g) 强力双头螺栓固紧技术。三次机缸头配置 12 只 M52 双头螺栓 , 每只都承受 588kN 预紧力 , 当压缩机吸、排气时其应力幅变化很大。除了选用疲劳强度高的材料和设计为弹性螺栓结构外 , 在螺栓固紧时不仅每只螺栓必须受力均匀 , 尚需各只螺栓同步实施固紧。液压拉伸器 (图 2) 理想地解决了此棘手问题。

11缸头　21支承套　31主螺母　41主螺栓

油缸　61拉伸器体　71进油　81接另一只拉伸器

图 2 　 液压拉伸器

(h) 研制了能够远距离操作、自动控制油压恒高于气压约 10 % , 以防膜片超压破裂的调压阀。

当为 3 层膜片 (气侧/中间/油侧各 1 片) 并采用膜片破裂油、气信号引出/自控制系统 (图 3)时 , 机组的运行安全性更获确保。

212 　 充氧 (氮) 车载隔膜式高压压缩机组

    排气压力 35 MPa , 吸气压力 12 MPa 时供气量120 Nm3/ h (N2 ) 或 85 Nm3/ h (O2 ) , 转速 500 r/min , 柱塞行程 55 mm , 油缸直径 28 mm。单级压缩、双缸对置, 油冷却器强制风冷, 容积效率高达5 0 % ,噪声声压级8116dB (A) ,1m。 质量仅600 kg ,外形仅 680 mm×1 200 mm×675 mm , 得益于在国内隔膜机中先采用的曲柄滑块机构。以汽车发动机为动力。能适应排气压力变化的油压随动调节阀,保持油压高于排气压力 14 %～17 %, 有助于降低功率消耗和延长膜片寿命。当压缩氧气时, 采用铍青铜膜片和4839氟油。具有膜片及随动阀膜片破裂报警、检测系统, 油温、油压监测保护系统。

由原北京通用机械厂研发 , 1997 年鉴定。

2.3 　 对称平衡型隔膜压缩机2003 年 3 月 , 北京市科学技术委员会组织专家通过了对北京汇知机电设备有限责任公司GD134 - 30/ 160 型隔膜压缩机科技成果鉴定。确认其对称平衡型结构隔膜压缩机为国内首创 , 填补了我国大型隔膜压缩机品种的空白 , 认定其技术性能指标为国内先进、接近国际先进水平。

3 　 全无油空气压缩机

主轴承和连杆大小头轴承皆注有润滑脂、气缸无油润滑的全无油空压机 , 在我国由原烟台空压机厂 (现兰星压缩机有限公司) 于 20 世纪 80 年代初开拓 , 研发了全系列机型和低噪声机组。

3.1 　3W- 016/ 10 型全无油空压机

通用所设计、常德通用机械厂试制之本机型 ,于 1984 年 7 月鉴定 , 其水准接近国际同类机型。

主要结构设计特色:

(a) 运动机构: 采用气缸中心线和曲轴回转中心线不共面的结构 , 以利减少摩擦功耗、延长活塞环和导向环寿命; 采用内外平衡相结合的动力平衡系统设计 , 结构紧凑、重量轻、平衡调节方

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