螺桿式壓縮機失油研究與應用

陳景愛 李東濤 袁耀剛 于瑞軒 羅陳強

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

螺桿式壓縮機是一種高速旋轉的機械設備，具有結構簡單、運行平穩、可靠性高等優點，被廣泛應用于制冷領域[1]。在壓縮機運行過程中，需要向其工作腔內噴入一定量的潤滑油,以達到冷卻被壓縮介質、潤滑旋轉部件以及形成油膜減少泄漏作用[2,3]。因此，潤滑油的噴入量對壓縮機安全穩定運行起著關鍵性作用。

目前螺桿式壓縮機回油的研究，主要集中在與機組系統相結合方面，很少單獨對壓縮機回油進行詳細研究，但實際壓縮機自身回油可靠性是機組跑油的重要影響因素。在現有研究中，夏雨亮[4]介紹了螺桿壓縮機的回油方式和跑油原因，并提出了解決壓縮機跑油的方案，但主要是從機組系統方面進行的研究分析；劉羽松[5]等主要對滿液式螺桿式冷水機組的回油設計及機組運行控制進行了探討,提出了在壓縮機內置油分離器濾網之后再增加一種旋轉分離裝置來提高油分離效果，但未給出對比試驗方法。因此，針對螺桿式壓縮機回油可靠性，很有必要對壓縮機單體進行深入研究，通過建立有效的試驗方法，來提前識別失油量大的壓縮機，進而提出可行的優化方案，提高壓縮機回油可靠性。

1 壓縮機的油分離原理

圖1 油分離過程示意圖

1.1 壓縮機的測試系統

壓縮機內置油分離器效率一般在95 %以上[6]，不可避免會造成壓縮機內少量潤滑油進入系統，對此，需要通過額外補油方式來彌補這部分失油，而只有當補油量大于失油量時，壓縮機才不會出現缺油故障。因此，為了能定量評價壓縮機在何種工況下最容易失油，且使壓縮機失油檢測結果更符合實際使用條件，通過模擬機組系統搭建了壓縮機單體測試系統，如圖2所示。

圖2 壓縮機單體測試系統示意圖

壓縮機單體測試系統主要由冷煤循環系統和油循環系統組成。其中油循環系統由外置高效油分離器、油板換、調節閥、流量計、溫度/壓力傳感器等組成。外置油分離器效率達99 %以上，同時，考慮到外置油分離器屬于對壓縮機排氣中少量的殘余潤滑油進行二次分離，可將其當作效率為100 %的理想油分離器。當壓縮機測試運行時，系統外置油分離器將壓縮機排氣中的油和冷煤分離。高溫高壓冷媒從油分離器頂部進入冷凝器，在冷卻水作用下變為液態冷煤，并測量其流量。然后使其在一個氣體冷卻器中于低壓側壓力下再蒸發，用以冷卻經降壓的剩余循環蒸氣，由此形成冷媒總流量。而從排氣中分離出來的潤滑油進入油板換并冷卻到目標值后，通過油分離器出口與吸氣口壓力差進行補油，同時，油循環系統上的調節閥和金屬流量計用來控制和檢測補油量，即壓縮機的失油量，如此循環運行，以檢測不同工況下壓縮機的失油量，從而來評價壓縮機回油可靠性。

1.2 試驗方法的研究和建立

1.2.1 運行工況的確定

試驗采用某樣品螺桿式壓縮機，制冷劑為R134a，試驗前壓縮機冷凍油加油量為28 L，分別在名義工況、最大制冷工況、低壓差工況下進行驗證。壓縮機開機前，先將油循環系統上的調節閥完全關閉，然后分別在制定的3種工況下開機運行，直至壓縮機報缺油故障，記錄時間T，即失油時間，失油時間代表著壓縮機失油難易程度，失油時間越短代表壓縮機越容易失油，反之，則代表壓縮機越難失油。

表1是壓縮機在不同工況下測得的失油時間。從表1中可以看出，壓縮機在低壓差工況下失油時間最短，為9 min，名義和最大制冷工況下失油時間較長，分別為39 min和37 min。低壓差工況下壓縮機失油速度比名義工況快了近4.3倍，說明在低壓差工況下壓縮機最容易失油。主要原因是容積式螺桿壓縮機在吸排氣管徑不變的情況下，吸氣體積流量相同，而排氣體積流量與壓比有關，壓比越小，排氣體積流量越大，對應的流體流速就越快。從表1可以看出，低壓差工況下，蒸發溫度高，冷凝溫度低，壓比為1.54，明顯小于名義和最大制冷工況的壓比。因此，對應的排氣速度就更快。當油氣混合物流速過快時，在油分桶、濾網等障礙物表面碰撞和聚集的油滴就難以沉降分離，會被高速流動的氣體帶入系統，從而導致低壓差工況下壓縮機出現快速失油現象。

表1 壓縮機不同工況下的失油時間

1.2.2 失油量的確定

壓縮機運行過程需要額外進行補油，補油量過少容易造成壓縮機缺油，補油量過多會使得壓縮機油槽維持滿油位假像，導致無法判斷壓縮機是否回油不良。根據前文驗證低壓差工況下壓縮機最容易失油，試驗工況定為低壓差工況，每款樣品壓縮機測3臺，取平均值，以此來確定各壓縮機的失油量。壓縮機開機測試過程，先將回油調節閥關小降低補油量，待壓縮機油位下降后再逐漸開大回油調節閥來提高補油量，直到壓縮機視液鏡中的油位持續穩定，記錄此時的補油量，即為壓縮機的失油量。

表2是低壓差工況下測得的各型號壓縮機的失油量。從表中可以看出，不同型號壓縮機的失油量有一定差別，樣品5壓縮機失油量最大，平均失油量為340 kg/h，其他型號壓縮機失油量較小，最小平均失油量為56 kg/h。從排氣含油率計算公式可知，失油量與排氣含油率成正比，失油量越大，含油率越高，即壓縮機油分離效率越低。因此，壓縮機失油量的定量檢測可作為識別同型號壓縮機回油不良的重要參數依據，同時，也可用于指導機組補油量設計以及壓縮機油分離效率的優化。

1) 分裂:分裂是將數控機床熱誤差數據分割成相互關聯的奇偶兩部分，即ej-1(偶部分)和oj-1(奇部分)。

表2 不同型號壓縮機的失油量

其中，排氣含油率公式：

式中：

λ—排氣含油率；

Qoil—排氣潤滑油質量流量，即失油量，單位為kg/h；

Qref—制冷劑質量流量，單位為kg/h。

2 壓縮機回油結構的優化

通過壓縮機失油量的檢測，確定樣品5壓縮機失油量偏大，對壓縮機回油結構進行分析，并結合有限元分析，發現排氣管結構是導致失油量大的最主要因素。

圖3是優化前樣品5壓縮機油分結構以及氣體流速仿真圖。從圖3（b）上可以看出，壓縮機排氣聚集成一股氣流在油分桶內擾動，在經過油分濾網前未被打散，氣流流速未見明顯下降，絕大部分氣流經過濾網流速大于0.4 m/s，導致撞擊吸附在濾網上的油滴被高流速氣體帶走，從而造成濾網油分離效率明顯下降，失油量大問題。

圖3 優化前油分結構及氣體流速仿真圖

針對經過濾網前排氣流速過快問題，對壓縮機內部排氣管進行了結構優化，研究了一種多孔均氣管結構，如圖4（a）所示。多孔均氣管結構可以將原有集中的氣流打散成多股分散的氣流，使經過油分濾網的有效面積增加，同時大幅度降低油氣混合物流速，從而使濾網上碰撞聚集的油滴有效沉降分離，以達到降低壓縮機的失油量，如圖4（b）所示。

圖4 優化后油分結構及氣體流速仿真圖

表3是樣品5壓縮機在低壓差工況下測得的壓縮機內部排氣管結構優化前后失油時間和失油量數據。從表中可以看出，壓縮機內部排氣管優化為多孔均氣管結構后，壓縮機失油時間延長了3.8倍，失油量下降了近56.2 %，有效改善了壓縮機失油量大的問題。

表3 優化前后壓縮機失油時間和失油量表

3 結論

1）本文通過螺桿式壓縮機油分離原理的研究，建立壓縮機單體失油試驗方法，驗證確定了壓縮機在低壓差工況下最容易失油。

2）通過對不同型號壓縮機失油量的試驗驗證，在低壓差工況下，可以定量檢測壓縮機的失油量，對分析改進壓縮機油分離效率具有重要指導作用。

3）通過對失油量大壓縮機的回油結構分析，并結合氣體流速仿真，發現壓縮機內部排氣管結構影響油分離效率。通過將排氣管結構優化為多孔均氣管結構，可大幅度延長壓縮機失油時間，降低失油量，從而提高壓縮機回油可靠性。