气体压缩机技术发展动态一隅

    历经逾白年之技术进步，在而今的十一一世纪里，压缩机已为国际民生所不可须臾或缺。愿拙文富含之诸多压缩机技术诀窍，能启迪诸君兴企、富民、强国之灵感。

1 隔膜式压缩机

由金属隔膜压缩机的极高气密性和高工作压力两大优势所决定，它适宜在军民核能技术、纳米技术、防化、国防、化工、石油化工、气体工业、医疗、医药工业、超临界二氧化碳萃取领域压缩、输送气体，尤其适于压缩剧毒、强腐蚀、发射性、珍稀、极纯净、极干燥、可燃易爆气体。此种特殊功能是其他结构类型的容积式或动力压缩机所部具备的。模腔型线优化，膜片寿命过关，多层膜片在一片破裂报警的同时还能确保安全，远传膜头与气动膜头技术，多层膜片在一片破裂报警的同时还能确保安全，远传膜头与气动膜头技术，膜腔气压与液压缸油压差值保持技术等，也是促进了国产隔膜压缩机近年需求量的飙升。

毫无疑问，国产隔膜式压缩机在国际市场上拥有优异的性能——价格比及低价位优势。实际上，其出口业绩也多年看好。

在积淀还内研发金属隔膜压缩机四十年经验的基础上，上海信然压缩机有限公司于本世纪初率先研发成功了具有完整自主知识产权的对称平衡型金属隔膜压缩机。嗣后五年，又进一步首先推出了双气缸、双作用对称平衡型金属隔膜压缩机，并获中国机械工业联合会科技进步二等奖。其相应技术，亦均获国家实用新型专利证书。这就从实际产品和技术内涵两个方面，将国产金属隔膜压缩机推进到趋近于国际先进水准的程度，着实令人振奋。

国家机械装备集团中国通用机械工程总公司与原上海大隆机器厂合作研制的超高压300MPa活塞式/隔膜式氢气压缩机组，具有高技术水准和运行可靠性，是迄今为止高压力等级的国产超高隔膜压缩机组，拥有多项深沉次技术内涵。

该机组（图1）排气压力200MPa、容积流量2m³/min，由一次机（活塞式，4级，排压30MPa、轴功率40KW）、二次机（隔膜式，排压100MPa、轴功率12KW）、三次机（隔膜式，轴功率22KW）各一台及系统构成，供气量2Nm³/min。用于中国空气动力研究与发展中心的尖端科技大型2M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，经数年试验运行，膜片等均未破损，1992年鉴定。系原机械工业部科技进步二等奖项目。2011年笔者趋赴现场考察时，该超高压活塞式/隔膜式压缩机组任在正常运行。

上海2011亚洲国际动力传动与控制技术展览会暨第五届国际亚座机气体技术展览会论坛论文

机组核心技术内涵：

A. 满足了分别以3种不同压力（30MPa、100MPa、200MPa）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、氧二者在超高压力下的可压缩性系数值差异较大（100MPa下，H2 为1.6、N2为2.2 ；200MPa下，H2 为2.2、N2为3.5），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230MPa超高油压下油缸/柱塞的合理间隙值。

二次机转速400r/min、行程140mm、膜腔直径210mm、柱塞直径21mm，三次机转速350r/min、行程140mm、膜腔直径160mm、柱塞直径14mm。隔膜压缩机油腔压力高于气腔压力10%左右，三次机油压230MPa下得油缸柱塞/缸套间隙值的合理确定，是机组成败的关键所在。细长的油缸柱塞在极高油压下受压变形、受热膨胀，又无可避免的存在着机械加工误差。柱塞/缸套间隙若过大，则油泄漏量大，产生的油压低，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0.1%~0.2%，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。

杠头/缸体间夹持着膜片，为保气/油密封的可靠，螺栓预紧系数（残余密封力和气体力之比值）的确定至关紧要。预紧系数值高，表面看来密封可靠，实则不然。超高压力下膜片的密封面宽度不能太宽，比压值也必然较高。但当比压值大于膜片材质的屈服限后，密封面宽度将变宽，密封力下降，气/油不能实现可靠的密封。终确定的双头螺栓预紧系数为1.12.在此恰当的预紧系数下，还必须对螺纹根部实施滚压工艺，供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. 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。

在缸头/缸体处力求不设径向开孔，以防极高的应力集中所导致的疲劳破裂。但因结构的关系，三次机缸必须设有联接调压阀和卸荷阀的孔口。为此，不开径向孔而改为斜向孔，且将孔口端面精修磨成圆角并研光，从而大大降低了应力集中的程度，改善了缸体受力情况。缸头/缸体优选双真空冶炼（真空冶炼后再经电循环次数（每分钟350~400次）、高应力幅下具有理想的疲劳极限值。

承受脉动压力的部位，如油腔处的三通，采用了双层套结构。借助于过盈配合使承受超高内压得零件表面产生预压缩应力，以避免疲劳破损。受结构所限不能热套处，如三次机器阀（图2）的升程限制器内孔，则采取内孔自增强处理措施适其获得适宜的自增强压应力。在超高压210MPa下其内孔表面任保持为压应力的状态，而其阀隙流速亦需控制在1.5m/s以内。

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3）理想地解决了此棘手问题。

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。

当为三层膜片（气侧/中间/油侧各1片0并采用膜片破裂油、气信号引出/自控制系统（图4）时，机组的运行安全性更获确保。

2 容积式回转压缩机

容积式回转压缩机，包括滑片（旋叶）式、滚动活塞式、齿式、（双）螺杆式、单螺杆式、涡旋（卷）式等等，不一而足。

从总体而言，容积式回转压缩机的转速远低于离心（径向）压缩机、轴流压缩机等透平式压缩机，却又远高于往复活塞式压缩机。其工作腔内产生压缩容积作用的主体之间的径向间隙、轴向间隙，极大地影响到漏气系数、容积效率、容积比能（比功率）。它们多已经历了几个“轮回”，即：工作原理发明很早，初始产品却多不被看好，但随着机械加工手段（机床及制造工艺）的精密化（有时是数量级的提高）和转子型线设计的不断变革，容积效率逐步攀升、机械效率提高，从而备受青睐。它们当中，除了原始低噪型的，就是易于消除高频噪声型的。它们的工作循环，既有喷油或喷水，也有干式的。

（双）螺杆式、单螺杆式压缩机近年来的主要动向之一，就是和往复活塞式压缩机构成串联机组，从而很好地扬各自所长。既发挥了回转压缩机低压大流量的优势，也发挥了往复活塞式压缩机无可替代的高压特长，使机组兼收紧凑、节能、低成本之益。

把净化程度不等地压缩空气净化装置、纳入撬装容装式回转空压机组的势头甚猛。但是，容积式回转压缩机向中压4.0MPa进军的脚步却依旧艰难。应用于工艺流程的容积式回转气体压缩机的品种和台数在逐步增加（参看图5）。

图5所示之机，用于大型天然气综合加气母站（兼向地下储气库供气）。两台这样的600HP天然气单螺杆压缩机，后部串联4台500HP（368KW）往复活塞式天然气压缩机，其终排气压力25MPa。

在低压空气动力用范畴，容积式回转空压机的市场占有率任将逐步上升。这一趋势毋庸置疑。

3 往复活塞式压缩机

往复活塞式压缩机是历史悠久的容积式压缩机。由其结构与性能特点所决定，迄今为止，它不但在排气压力≥100MPa的超高压、甚高压领域独占鳌头，不容其它结构类型压缩机涉足，还在高压（≥10MPa）、中压（＞1.0~10MPa）范畴以及低压（≤1.0MPa）中小流量场合独具高的性能价格比和运行节能之特色。

容积流量30m³/min及以下的气缸无油润滑往复活塞式低压空气压缩机中的优秀机型，其供气品种良好、制造成本低、运行费用省、性价比优异、结构紧凑、生命力旺盛。它的未经压缩空气净化装置处理前的压缩空气品质优于喷油回转空压机压缩空气净化装置出口端的压缩空气品质。

无疑，海内外广泛使用的微、小型往复活塞式空压机的年产台数超千万台，而且我国东南沿海地区的产量占大半。但是，就年销售金额论，在往复活塞式压缩领域里，工艺流程用气体压缩机所占份额则是压倒性的。

历史上往复活塞式压缩机挥之不去的三大烙印——振动、发热、噪声&m

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