氦气喷油式螺杆压缩机关键技术初步解决方案

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1、氦气喷油式螺杆压缩机关键技术初步解决方案金晶晶;胡忠军;王炳明;李青;龚领会【摘要】针对氦气螺杆压缩机容易泄漏、油气换热等关键技术问题，采用缩紧主机 三大间隙及新型线开发、喷油雾化冷却等技术，有效减少了转子内漏和流动损失，提 高了热力学效率和可靠性.初步解决了氦气分子量小带来的极易泄漏以及绝热指数 高带来的压缩热大的两大技术难点.针对中型氦液化器常用机型，在喷油冷却特性研 究、转子型线优化、机组方案优化等基础上，试验测试结果表明，获得了接近国际先 进水平的容积效率和绝热效率.【期刊名称】低温工程 【年(卷)，期】2016(000)006 【总页数】7页(P29-35) 【关键词】大型低温;氦气

2、压缩;喷油式螺杆压缩机;型线 【作者】金晶晶湖忠军;王炳明;李青;龚领会【作者单位】中国科学院理化技术研究所北京100190;中国科学院低温工程学重 点实验室北京100190;中国科学院大学北京100049;中国科学院理化技术研究所 北京100190;中国科学院低温工程学重点实验室北京100190;中国科学院理化技 术研究所北京100190;中国科学院低温工程学重点实验室北京100190;中国科学 院理化技术研究所北京100190;中国科学院低温工程学重点实验室北京100190; 中国科学院理化技术研究所北京100190;中国科学院低温工程学重点实验室北京 100190【正文语种】中文 【中图

3、分类】TB652近年来，随前沿科学的发展，大型低温系统在大科学工程等领域的应用越来越多， 规模越来越大。低温系统一旦出现故障，由于复温和降温需要一个较长恢复周期， 整个大科学装置将陷于瘫痪，后果通常比较严重。低温系统中的运动设备，主要是 压缩机和膨胀机，它们的可靠性在一定程度上决定了整个低温系统的可靠性。和膨 胀机一样，压缩机也是大型低温系统的核心部件，其效率和寿命决定了整个大型低 温系统的基本性能。大科学装置也曾经出现过由于雷击引起电网波动造成氦气压缩 机停车的故障。自从美国费米国家加速器实验室于1979年在万亿电子伏特加速器(Tevatron)” 低温系统中引入喷油式氦气螺杆压机后，喷油螺

4、杆压缩机凭借着大容量、低振动、 高可靠性等优势，基本替代了活塞式等其它类型压缩机在大型低温工程中的应用 1。氦气螺杆压缩机通常是在空气螺杆压缩机的基础上通过特殊的改造设计制成。 目前林德公司和法液空公司的氦液化器产品广泛采用德国凯撒(KAESER )公司的系 列化产品。掌握这种技术的还有美国寿力(SULLAIRCORP)、德国艾岑(AERZEN)、 英国豪顿(HOWDEN)、日本前川(MYCOM)等。其中，一些非标研发的凯撒机型， 由于和林德等排他性协议，不对中国用户单独出口。即使允许出口到中国的产品， 除了价格昂贵，还施行最终用户的限制，禁止使用在航天、核技术、国防等应用领 域。这将严重制约

5、和限制了中国大型低温技术及其相关应用领域的发展。近年来， 中国已经逐步成为全球螺杆主机的制造中心，国内在制造的工艺装备，精密的试验 检测设施上与国夕卜基本一致2。中国虽然拥有了国际上生产高质量转子的加工设 备，但性能水平和制造质量仍落后于国际同行，关键是设计技术跟不上。主机设计 技术，主要是转子型线设计技术。因此，像氦气介质这样技术含量高和对螺杆压缩 机有特殊要求的产品却仍不能满足国内需求。中国在氦螺杆压缩机方面尚无成熟的产品提供，主要由于氦螺杆压缩机的研制难度 大，更重要的原因是与国外相比中国大科学工程的起步晚。早在1997年大型环模 装置KM6中曾经有过氦气螺杆压缩机改制的先例，但是轴封泄

6、漏、油路堵塞和油 分效果等问题都没有解决3。2003年武汉新世界制冷公司（今属大连冰山）为中国 科学院等离子所EAST项目改制了氦气螺杆压缩机，性能也不稳定4。国内外卜相 关氦螺杆技术的研究，主要集中在实际运行状况热力性能分析、节能优化分析、喷 油参数优化研究等方面5,缺乏对转子内部泄漏规律等深层研究。理化所在国家 重大科研装备研制项目（一期）大型低温制冷设备研制”中，也开展了小型氦气压 缩机样机的研制工作6,整机效率仍然比国际水平低很多。进一步研制具有中国 自主知识产权的高性能氦螺杆压缩机意义重大。在国家重大科研装备研制项目（二 期）液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”实施过程中，理化所积

7、极推进联 合研发性能先进的氦气喷油式螺杆压缩机。目前对型线、密封、喷油冷却等关键技 术方面取得了初步技术突破。通过实验测试，在热力性能和滤油性能等方面基本接 近国际先进水平，更好的适应和满足将来中国“积极牵头实施大科学计划和大科学 工程”新形势、新任务。2关键技术分析氦的临界温度很低只有5.19 K，是自然界中最难液化的气体，因此是大型低温工 程的主要工质。氦气独特的物理性质决定了氦气压缩机的技术难点。氦气的绝热指 数高（1.667），远高于空气的绝热指数（1.4），因此压缩过程中容易产生更高的压缩 热，加之氦气的比热容小，从而引起压缩升温很大。以对室温氦气进行绝热压缩引 起的温升为例，在压比

8、为14时的温升约为5501。氦气是单原子分子、运动粘度 小、渗透性强，带来极易泄漏的难题，特别是在轴封的外漏和转子间隙内漏尤为突 出。氦气喷油式螺杆压缩机是利用油吸收压缩热(约占输入功率的90%),温升控制在相 对较低水平。喷油内冷却是使其得以迅速发展的关键技术。采用喷油冷却可以使得 压缩过程更接近于等温过程，从而获得较高的热力学效率；同时由于螺杆转子之间 粘度较高的油膜的密封效应，有效减少了氦气压缩过程中的内部泄漏。实际压缩的 油-气混合物中的质量比通常在3050，从这方面来看，堪称油压缩机7。为避 免杂质气氛在低温下出现冻结堵塞等危害，大型低温系统对氦气纯度要求特别高， 油蒸汽的质量分数一

9、般在10x10-9以下。氦气压缩过程中的喷入大量的油必须再 通过多级油分离系统进行去除，最终获得痕量水平，由此带来第三个关键技术，就 是高效率的油气分离技术。一般要求氦气压缩机排气中油质量分数在(23)x10-6 的水平，而在空压机或制冷剂螺杆压缩机技术中一般只要求(510)x10-6的水平， 工业上国产螺杆压缩机油分系统庞大，普遍存在油分效率低的问题。针对氦气喷油式螺杆压缩机上述3个方面的关键技术问题，提出初步的解决方案 如下：开发新的转子型线结构，以进一步减少泄漏三角形、啮合间隙等引起的内漏 损失；优化喷油冷却的特征参数，包括喷油雾化情况和喷油量的优化；研制可靠的 转轴密封结构，使压缩机组

10、通过轴封的氦气在动、静状态下的漏率满足要求；采用 旋风式离心油分离结构用以提高分离的效率。最后进行氦气压缩实验，测试氦气压 缩机性能进一步改进结构和加工工艺。上述关键技术解决方案是通过联合专业制造螺杆压缩机厂家完成。虽然中国生产螺 杆压缩机企业有几百家，但是由于氦气螺杆需要更高的加工精度，一般采用磨削为 主的转子加工设备，并具备新型线设计开发基础，因此实际上具备联合攻关氦气螺 杆的却只有很少的几家，包括采用西安交通大学型线的烟台冰轮、采用伦敦城市大 学N型线的大连冰山和无锡压缩机厂、采用北美研发中心Y型线的开山集团，以 及采用瑞典SRM型线的福建雪人公司等。但是氦气螺杆压缩机研制，不能走在厂

11、家原有机型上简单改制的技术路线上。过去二十年的实践经验表明，以往改制的氦 气压缩机，突出的技术问题是绝热效率过低(一般低于70%)、实际流量不足、流程 不合理、轴封泄漏率大等问题。螺杆压缩机的核心部件是主机，其价值占整个机组的20%30%，压缩机的品质 如何一般以用的什么主机来衡量。螺杆压缩机主机决定了整个机组的效率、流量和 运行的可靠性。压缩机组的工程事故原因与设计相关约占10%，主机占到80%， 其余发生在管路阀门和电气配套8。因此关键技术方案必须围绕提高螺杆压缩机 主机的性能展开。在诸多因素中，对双螺杆压缩机的热力学性能影响最大的是各种泄漏通道的影响。 这些泄漏通道是不可避免的，一方面，

12、必须预留有足够的间隙来防止转子干涉，但 是对氦气介质来说，这部分的间隙必须足够小才能有效提高容积效率。另一方面， 需要利用间隙来补偿制造缺陷和公差。由于运行时温度和压力引起转子形变，热态 间隙通常比冷态装配间隙小很多。与其它回转压缩机一样，间隙设计是提高热力性 能最关键、最重要的技术。转子内部泄漏是影响容积效率的决定因素，对于小分子 量的氦气介质，影响更加显著。这种泄漏通道共有5条，分别是阴阳转子接触线、 转子齿顶与气缸间的密封线、泄漏三角形、吸气端和排气端的端面间隙。其中泄漏 三角形和接触线影响最大，而这两条泄漏通道主要决定于转子型线。为解决上述关键技术，设计、制造、调试等过程都需要不断的反

13、复进行，最终评价 是否达到国际水平还必须经过一系列规范的性能测试。由于中国没有适合氦气螺杆 压缩机的标准检测台，因此还研制了一套氦压缩机性能测试台，具有PLC自动控 制的管网稳压系统，能够真实的模拟在实际低温工程中的实际应用工况，方便地测 试出诸如压力、流量、效率、功耗、泄漏等性能指标9。为详细介绍氦气螺杆压 缩机的关键技术解决方案，以一台配合40L/h氦液化器使用的氦气螺杆压缩机为 例，具体关键技术指标如下：排气流量约500 Nm3/h ；压比为14；排气温度 100C;排气压力：1.4 MPa(a);排气含油量2x10-6 ;变频器变频范围：25%100% ;整机漏气率小于10-7 Pam

14、3/s，漏油量：翌mL/day。机组的流程如图1所示，这台氦气螺杆压缩机组，由螺杆压缩机主机、电机、油气分离器、 冷却器、能量调节装置（滑阀或变频器调节）、气管路、油管路等组成。螺杆压缩机主机的设计，最重要的就是转子型线设计。主机效率和寿命由转子型线 特征、加工精度等决定。螺杆转子型线经历了三代变革，第三代型线是最新的非对 称螺旋转子，采用圆弧、椭圆、抛物线等曲线组合，由线密封变成为曲面密封，有 利于形成油膜、减少磨损和降低噪音，具有较小面积的泄漏三角形，较好的啮合性、 利于加工，小的热变形和弯曲变形等优点。代表性的有KAESER公司的Sigma型 线、GHH公司的CF型线、日立公司的56U型

15、线等10，也是目前世界上公认效 率较高的型线。表1列出了常见型线的特征参数，型线几何参数有效减少轴向和 横向的氦气内部泄漏。除要求转子接触线连续和尽量短外，还要求泄漏三角形面积 尽量小，设计时关键是在这两个要素之间进行妥协。例如小的泄漏三角形会造成大 的封闭容积和长的接触线；流线型线虽然具有好的动力性能和啮合性，但会增大泄 漏三角形的问题。每种型线、各种间隙与介质和实际工况相关，对于氦气工质，流 线型齿形可有效降低泄漏三角形，并且利于流体动力学润滑油膜的形成，可以弥补 单纯依靠提高加工精度减小啮合间隙的不足。新型线的设计过程：先初步选定一种 或几种曲线组成齿曲线，然后通过计算其几何特征值包括结

16、构参数，如长径比、扭 转角和孔口参数。通过运行工况热力学性能计算得到排气量、轴功率、绝热效率、 容积效率等宏观性能，进一步调整优化诸如齿数组合及型线结构参数等，最终获得 高效新型线11。由于型线的前段无轴向气密性要求，取用椭圆-椭圆包络线；背 段为减少泄漏三角形面积，采用点啮合摆线；型线的前后段间则用圆弧光滑过渡。 包络线上的连续接触，利于保存油膜，降低转子的扰动损失。中国科学院理化技术研究所与无锡压缩机股份有限公司，进行了型线优化的联合设 计尝试，采用N型线代替第二代X型线，更有利于油膜的形成，泄漏三角形仅为 对称型线的十分之一。转子型线的设计工具采用了 DISCO软件，这是英国伦敦城 市大

17、学针对螺杆主机设计开发的一款集转子几何计算及性能预测的综合平台。通过 程序化和智能化的设计模块，提高了设计工作效率，有效缩短了设计开发的时间。 在热力、流体以及强度分析的基础上，可以对初始设计进行优化12。型线的一个重要的特征参数就是阴阳转子齿数和齿数比。阳转子齿数少，型线形成 的齿槽较深，面积利用系数大，但由于轴径减少，刚度有所降低，并且工作基元腔 少导致相邻基元压差大，造成更加严重的内部泄漏损失，一般用于低压差、大流量 的运行工况下。反之，大齿数的阳转子一般用于高压差、小流量的场合。根据压力 范围，小于0.5 MPa，阳转子一般用3齿；0.51.6 MPa，阳转子一般用4齿； 高于1.6

18、MPa，一般用6齿。阴阳转子齿数差通常只有1或2。阴转子齿数的减 少可以提高面积利用系数，减少阴阳转子转速差，但也会降低阴转子的轴径刚度。 齿数越多强度越高，有利于转子副的扭角系数，但会降低面积利用系数。因此，在 保证转子强度前提下，阴阳转子齿数差为1。所以在本压缩机的运行压力范围内， 设计方案确定使用阳转子4齿，阴转子5齿。齿数和齿数差与转子的转速也密切 相关。国外也在这方面做的研究表明，在非常低的线速度下，5/6转子组合要比 4/6转子组合的效率略高3%5%。线速度大于2527 m/s以上，4/6转子组 合要比5/6转子组合效率高，两者的差距随线速度的上升而增加，在线速度接近 50 m/s

19、，效率差甚至可高达10%。除了齿数组合外，型线另外两个对压缩机性能 有重大影响的结构参数是齿顶高和齿高半径。齿顶高的取值直接关系到泄漏三角形 面积的大小，而齿高半径则直接影响到面积利用系数。通过对3种不同型线的实验测试，发现性能较好的螺杆压缩机的转子都有以下共 同特点：高效齿型中，阳、阴转子齿数比有4/5、5/6、5/7，基元容积间压差减 少，利于效率提升；阴阳转子直径相差不大，转子刚度接近，承载能力高，受力更 好，适用于压差和压比较大的工况。如图2所示，通过对转子各种内漏通道引起 损失的权重归一化对比分析，优化后由于有效减小了泄漏三角形，各种间隙对实际 效率的影响更大。转子啮合间隙和吸排气端

20、面间隙等间隙的设计对喷油螺杆压缩机 的性能和效率有很大的影响。对间隙进行优化设计也是提高压缩机性能的重要途径。 通过优化间隙设计对压缩机性能影响见表2和图3。双边型线的阴转子齿顶圆更大， 圆周线速度更高，密封性能更好。图3就是改变间隙值对主机效率影响的性能曲 线，随着间隙值的减小，容积效率、绝热效率和等温效率都在增大。但是间隙值不 能过小，防止出现压缩机抱轴现象。由于氦气的绝热系数较大的特点，造成排气温度比较高，当喷油螺杆压缩机的排出 温度超过100 C,系统的润滑油变质，压缩机出现热故障而难以正常运行，所以 要提高喷油冷却效果。降低油温、增加喷油量、提高喷油的雾化程度和对喷口进 行优化设计，

21、使压缩机的油气排温尽可能降低。图4就是模拟计算的不同喷油量对主机容积效率、 等温效率和绝热效率影响的性能曲线。喷入的润滑油一方面降低了工作腔内温度， 使压缩过程更接近于等温过程。另一方面，喷入的油增加了粘性剪切力和搅拌功。 因此，存在一个最佳喷油量使得耗功量少。根据试验可知，转子速度和喷油温度对 压缩机的效率和性能也有一定的影响。由于速度小时泄漏大、速度大时动力损失大 的特点，把速度控制在最佳圆周速度范围内。根据喷油温度与效率的试验比较分析 来选择最合适的喷油温度。压缩机组的外部泄漏率不仅会引起低温系统氦气工质的泄漏，由于系统内外杂质成 分的分压力不同，所以通常还会引起空气中的氮气、二氧化碳和

22、水蒸气等向系统内 部的扩散，特别是水分会对压缩机润滑油性能造成影响，因此整机密封性能也尤其 重要。对于开启式喷油螺杆压缩机，最难解决的密封问题在轴封处，这是一道动密 封，采用机械密封和油密封相结合的密封方式。从一次油气分离器引入油，高压油 喷入机械密封腔室，该腔室中的压力油通过迷宫密封泄入主机低压侧。这样，用机 械密封密封住高压油，用压力油密封住高压氦气，从而，保证对氦气的绝对密封。 在压缩机停止运转时，油气分离器压力和吸气压力平衡，油不再喷入机械密封室， 依靠机械密封动环与静环密封端面的贴合密封低压侧氦气。如图5所示，轴封在 长期停机过程中，由于油膜在重力作用下变薄，使得静态泄漏率有所增大。

23、如B 点所示，27天后测试漏率比A点初调试时候增大百倍。通过盘车和运行可以恢复 原有的密封效果，图中C、D、E点分别表示盘车一次、两次和重新运行后测试的 泄漏率。由于氦气中喷入了大量的润滑油，压缩机排出的高压氦气含有大量油雾。氦气中如 果含有较高浓度的油雾，长时间条件下管道内壁和冷却器会淤积形成油质薄膜，阻 塞管道影响氦气的流动和换热。所以须提高压缩机一次油分的效率，一般要求质量 分数达到(23)x10-6的水平，远高于空压机和制冷压缩机质量分数5x10-6以 上的水平。高效率油分离效率的获得是通过采取旋风立式分离原理，将绝大部分油 滴甩至油分筒内壁，微细油滴的去除是通过凝聚式亲和过滤原理，使

24、分离出来的油 及时返回压缩机来保证压缩机的正常润滑。关于高效油气分离的阐述详见其它将发 表的专题论文。为验证上述型线开发、喷油优化等关键技术方案的实际效果，专门设计了一套氦气 螺杆压缩机的试验测试系统，试验测试流程如图6所示。氦气经过滤网进入主机 吸气端，压缩到一定压力后，排出油气混合物，经过油分离器后分为油路和氦气路 两部分，其中油经过油冷却器和油过滤器回到吸气端形成油路的循环。经过油分后 的氦气，在气体冷却器中进行冷却，然后通过旁通阀减压后再回到压缩机吸气端， 由于氦气的转化温度较低，室温节流不会引起制冷效应。管网高压和低压压力的稳 定是通过加、卸载阀和旁通阀配合使用，功能等同于大型低温系

25、统的气体管理面板。 当压缩机关机时，旁通阀关闭，剩余管道内气体经过卸载阀进入缓冲罐。当压缩机 再次开机时，缓冲罐的气体又经过加载阀进入到系统中，从而保证系统平稳运行。 通过功率计、流量计、温度传感器和压力传感器的测量结果，可以计算出压缩机的 绝热效率、容积效率等。这些传感器均经过计量单位的标定和校验，保证测量结果 的准确性。实验数据的不确定性分析表明，绝热效率的不确定度为1.5%。对所研制的喷油螺杆压缩机的性能测试结果表明，通过转子型线优化设计确实有效 地减小了内部泄漏，提高压缩机效率。典型工况下的绝热效率从上一代型线的69% 提高到了 82.4%，容积效率达到了 90%。同等工况下基于希格玛

26、型线的凯撒氦气 压缩机绝热效率约为85%90%。参照ISO8573-2标准测定悬浮状油含量的 试验方法中膜片累积和红外分光光度仪测定的方法，对排气中的油含量进行了测 试。油含量测试结果表明，采用有效的油分离技术，油质量分数可以达到2x10-6 以下的先进水平，每十组测试结果重复性相对误差小于2%。氦气喷油螺杆压缩机关键技术在于型线的设计、间隙的优化、喷油冷却和雾化设计。 通过N型线新型线的开发和优化设计，获得了匹配的接触线长度和泄漏三角形。在氦气螺杆压缩机新型线开发的基础上，进一步缩紧了各种间隙并优化了喷油参数， 初步解决了氦气螺杆压缩机的内部泄漏和冷却等关键技术，提高了容积效率和绝热 效率，

27、基本达到了国际先进水平。在高精度加工中心和自修正磨床保障加工精度前 提下，将阴阳转子啮合间隙缩紧到2050 pm，排气端间隙、单边间隙也有所缩 紧。采用适当的油气质量比，提高了等温效率，采用有效的旋风油分离技术，出口 油质量分数低于2x10-6，但与国际先进产品相比，型线还有进一步优化的空间， 还需要进一步解决的技术问题主要是轴封端面机械密封静态泄漏问题、机组结构的 紧凑化设计等。【相关文献】1 A Martinez , C B Pallaver. Operation and maintenance of fermilabs 300kW helium screw compressors aft

28、er two-million hours of operation. Cryogenic Engineering Conference and International Cryogenic Materials Conference(CEC/lCMC 95)，Columbus， Ohio，July 17-21，1995.2钱家祥.空气动力用螺杆压缩机行业现状及发展趋势分析J.通用机械，2012(3) : 19-23.3李鸿勋.用于KM6载人航天器空间环境模拟器氦制冷机的系统设计J.低温与特气，2005，23(3): 23-28.Li Hongxun. System design of the

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31、009(2) : 15-19.6张朋，胡忠军，王炳明氨气螺杆压缩机研究现状C.第十二届全国低温工程大会论文集，江苏南 京，2015.Zhang Peng , Hu Zhongjun , Wang Bingming. Research status of helium screw compressorC. Proceedings of the 12th National Conference Cryogenic Engineering , Nanjing , 2015.7马双，胡忠军.氦制冷系统中的喷油式螺杆压缩机.第三届中国食品冷藏链新设备、新技术论坛论 文集，2007.139-141.Ma

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