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摘要  指明了往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的幾項(xiàng)主要節(jié)能途徑，以及循此踐行的實(shí)機(jī)實(shí)例。

關(guān)鍵詞  壓縮機(jī)  往復(fù)活塞式  節(jié)能

引言

往復(fù)活塞式壓縮機(jī)是歷史悠久的容積式壓縮機(jī)。由其結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)所決定，迄今為止，它不但在排氣壓力≥100MPa的超高壓、甚高壓領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭，不容其它結(jié)構(gòu)類(lèi)型壓縮機(jī)涉足，還在高壓（≥10Mpa）、中壓（＞1.0~10MPa）.范疇以及低壓（≤1.0MPa）中小流量場(chǎng)合獨(dú)具高的性能價(jià)格比和運(yùn)行節(jié)能之特色。

歷史上往復(fù)活塞式壓縮機(jī)揮之不去的三大灰色烙印——振動(dòng)、發(fā)熱、噪聲——已有相當(dāng)程度的改觀，而其精品族已臻工藝品之美感！

那么，已逾百年歷史進(jìn)程的往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，究竟還有無(wú)節(jié)能潛力，其主要節(jié)能途徑又若何呢？

1 轉(zhuǎn)速值及行程值的匹配優(yōu)選，至關(guān)緊要。

對(duì)往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的容積流量、排氣壓力等主要性能參數(shù)的要求確定之后，就需以合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)和具體零部件設(shè)計(jì)來(lái)構(gòu)成之。

諸結(jié)構(gòu)參數(shù)中，以轉(zhuǎn)速值及行程值的優(yōu)選，至關(guān)緊要。

A.凡屬安全、可靠、節(jié)能、綠色的往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，其轉(zhuǎn)速值及行程值，必定已獲匹配優(yōu)選。

現(xiàn)代往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的“高轉(zhuǎn)速、短行程”的進(jìn)程，當(dāng)視為始自1690年，且以瑞典Atlas Copco AB 的 DT4型空壓機(jī)為領(lǐng)導(dǎo)者。DT4之容積流量16m³/min、額定排氣壓力0.7Mpa，V型、有十字頭、雙作用、2級(jí)，轉(zhuǎn)速970r/min、行程100mm，氣缸自然冷卻，風(fēng)冷之中間冷卻器以離心式通風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)冷卻，氣缸注油潤(rùn)滑。

國(guó)產(chǎn)往復(fù)活塞式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)演化的進(jìn)程較慢。其間更有脫離具體客觀條件，片面追求高轉(zhuǎn)速、高活塞平均速度而導(dǎo)致新品種研發(fā)失敗，某些小型移動(dòng)式空壓機(jī)甚至成了“蛤蟆夯”，從而給轉(zhuǎn)速提高之舉來(lái)不良聲名的若干實(shí)例。

為了正確抉擇往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，筆者長(zhǎng)期倡導(dǎo)“以適當(dāng)高的轉(zhuǎn)速和適當(dāng)短的行程，匹配為不甚高的活塞平均速度”這一理念。

B.活塞平均速度值，主導(dǎo)了往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的節(jié)能水準(zhǔn)。

往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的活塞平均速度值，對(duì)于閥隙流速、氣缸氣套氣流速度等氣體通流截面積的流速，有著決定性的作用。眾所周知，氣流阻力損失和氣流速度的平方值成正比?？梢?jiàn)，活塞平均速度值主導(dǎo)了往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的節(jié)能水準(zhǔn)。

C.不甚高的活塞平均速度值，將使往復(fù)活塞式壓縮機(jī)取得良好的節(jié)能水準(zhǔn)。

不同的壓縮介質(zhì)，其氣體物性參數(shù)不同，密度不同。當(dāng)活塞平均速度相當(dāng)時(shí)，不同的壓縮介質(zhì)其氣流阻力損失是不相等。密度高者，其流阻損失大：而密度低者，其流阻損失小。

就常見(jiàn)的低壓動(dòng)力用空壓機(jī)和現(xiàn)已多見(jiàn)的高壓天然氣CNG壓縮機(jī)而言，同在常壓下前者壓縮介質(zhì)密度稍高，后者壓縮介質(zhì)密度稍低。能取得良好節(jié)能水準(zhǔn)的“不甚高的活塞平均速度值”，對(duì)于二者是不同的。前者在活塞平均速度3.2m/s左右，可獲較佳之比功率指標(biāo)，節(jié)能水準(zhǔn)良好。而后者即使在活塞平均速度3.6m/s左右，依然是比功率指標(biāo)、節(jié)能水準(zhǔn)良好。

D.往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的活塞平均速度值，任遠(yuǎn)低于往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)

盡管同屬往復(fù)活塞式機(jī)械，但由各自的工作特性所決定，壓縮機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的活塞平均速度值歷來(lái)相差懸殊。

往復(fù)活塞式壓縮機(jī)采用了“自動(dòng)閥”，其啟閉元件—閥片—依氣缸內(nèi)外氣體壓力差及時(shí)、迅速地自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉，可使氣流阻力損失小、比功率佳。而往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)則采用了“強(qiáng)制閥”

眼下，“佳活塞平均速度值”，內(nèi)燃機(jī)幾乎為壓縮機(jī)之倍。

E 典型壓縮機(jī)品種之啟示

1960年后幾個(gè)歷史時(shí)期國(guó)外典型的中型往復(fù)活塞式壓縮機(jī)品種主要技術(shù)參數(shù)示于表1。

表中反映出，隨著設(shè)計(jì)水準(zhǔn)的進(jìn)步和新穎材質(zhì)的采用，往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速得到適當(dāng)提高，行程適當(dāng)縮短，而活塞平均速度增長(zhǎng)幅度不大。其實(shí)際效果是，往復(fù)活塞式壓縮機(jī)重量減輕、體形減小、制造成本下降，比功率消耗卻基本不變。

切記：轉(zhuǎn)速、行程是參數(shù)、是途徑、是措施，而決非終極目的和爭(zhēng)相攀比的目標(biāo)。轉(zhuǎn)速不是越高越好，行程不是越短越好，更不可脫離國(guó)情抉定。

安全、可靠、節(jié)能、綠色的壓縮機(jī)，在策劃設(shè)計(jì)階段其基本參數(shù)的選定至關(guān)緊要。氣閥、填料、活塞環(huán)的材質(zhì)、性能、壽命，對(duì)于往復(fù)活塞式壓縮機(jī)基本參數(shù)的確定，具有一票否決的影響力。不能超越這些關(guān)鍵易損部件的實(shí)際可能來(lái)確定基本參數(shù)。

2 壓縮級(jí)數(shù)的優(yōu)選和壓力比的分配

壓縮機(jī)的指示功率，對(duì)于“理想壓縮機(jī)”而言，壓縮級(jí)數(shù)多時(shí)其值小。然而，“實(shí)際壓縮機(jī)”中，各級(jí)吸排氣閥的現(xiàn)實(shí)存在而產(chǎn)生的功率損失不容小視。以致于在某一規(guī)定工況下，往復(fù)活塞式壓縮機(jī)并非n級(jí)壓縮一定比n-1次壓縮時(shí)指示功率小。故而對(duì)壓縮級(jí)數(shù)的確定，必須緊密結(jié)合壓縮機(jī)的具體工況并多方案計(jì)算優(yōu)選。

當(dāng)然，多級(jí)壓縮所帶來(lái)的可以有效減小活塞力、確保安全的排氣溫度值和減小軸功率，這樣的根本功能，毋庸置疑。

各級(jí)等壓力比分配原則，也是甚于“理想壓縮機(jī)”這一前提的節(jié)能原則。而在“實(shí)際壓縮機(jī)”中，則應(yīng)遵循此原則并結(jié)合具體情況處置之。當(dāng)需回避某種壓力、溫度條件下壓縮介質(zhì)發(fā)生相變（如CO2）時(shí)，則有可能偏離等壓力比分配原則較多。

3 各級(jí)回冷完善度的控制

近百年前，德國(guó)壓縮機(jī)先賢布許的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，回冷完善度相差1℃時(shí)，該級(jí)的指示功率相差千分之三。

原北京通用機(jī)械廠6L-60/8型空壓機(jī)、原余姚通用機(jī)器廠L3.5-20/8型空壓機(jī)，在研發(fā)樣機(jī)測(cè)試時(shí)，都曾有過(guò)第Ⅱ級(jí)吸氣溫度竟低于第Ⅰ級(jí)吸氣溫度，比功率優(yōu)異的記錄。

各級(jí)冷卻器熱交換能力及其裕量的確保，將使各級(jí)回冷完善度控制得力。

4 機(jī)械振動(dòng)的消減

機(jī)械振動(dòng)使壓縮機(jī)產(chǎn)生附加功率損失。慣性力及慣性力矩的平衡狀態(tài)，決定了往復(fù)活塞式壓縮機(jī)振動(dòng)源的“消”或“減”的實(shí)況。而欲實(shí)施慣性力及矩的平衡，務(wù)必恪守經(jīng)典力學(xué)給出的相關(guān)準(zhǔn)則。諸如角度壓縮機(jī)各列氣缸中心線間夾角的度數(shù)，立式及對(duì)稱(chēng)平衡型壓縮機(jī)各曲拐的曲柄夾角度數(shù)，相關(guān)列的往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量是相當(dāng)抑或是某種倍數(shù)關(guān)系，曲軸平衡重的質(zhì)量、質(zhì)心得當(dāng)、等等。

5 氣流脈動(dòng)的抑止

往復(fù)活塞式壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)的抑止，有助于氣閥的正常工作，也有助于氣路管線的減振，還可降低軸功率。

高壓及復(fù)雜氣管路系統(tǒng)場(chǎng)合，更應(yīng)對(duì)氣流脈動(dòng)狀況先行預(yù)測(cè)并采取相應(yīng)對(duì)策。

各級(jí)氣缸進(jìn)排氣口處設(shè)置獨(dú)立的緩沖容積，其抑止氣流脈動(dòng)功效明顯。當(dāng)然，其水容積值和與氣缸法蘭的距離，皆雪恰當(dāng)。

   6 氣閥、填料、活塞環(huán)的改進(jìn)

   往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的這三大核心易損件，具有保障正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要功能，同時(shí)也是氣流功率損失、機(jī)械往復(fù)摩擦功率損失的主要源頭。對(duì)其持久而深入的改進(jìn)，對(duì)于壓縮機(jī)運(yùn)行節(jié)能和延長(zhǎng)易損件更換期，以及避免非計(jì)劃停車(chē)，皆意義重大。

   7 合理的潤(rùn)滑

往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和氣缸的潤(rùn)滑，均應(yīng)科學(xué)、合理。不只是注潤(rùn)滑液量適度，在其粘度、類(lèi)型和品牌的選擇上，亦應(yīng)恰當(dāng)。

當(dāng)氣缸、活塞桿和具有自潤(rùn)滑特性的工程塑料密封元件配合工作時(shí)，注以微量潤(rùn)滑液，可獲軸功率稍減及工程塑料密封元件曾壽之雙重功效。

8 節(jié)能長(zhǎng)壽之實(shí)機(jī)實(shí)測(cè)

筆者依照前述節(jié)能途徑踐行的2D4-3/3 250 型全風(fēng)冷CNG壓縮機(jī)，經(jīng)型式試驗(yàn)及工業(yè)運(yùn)行考驗(yàn)，時(shí)間狀態(tài)印證了前述理念的正確性。

2D4 機(jī)轉(zhuǎn)速980r/min，行程105mm，活塞平均速度3.43m/s，撬裝（如圖）。該機(jī)活塞組件的活塞環(huán)，導(dǎo)向環(huán)和填料皆系金屬制造，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用反向潤(rùn)滑系統(tǒng)，傳動(dòng)件和壓縮容積零件的承載面比壓值皆超低(如表2）。2列對(duì)稱(chēng)平衡型的該機(jī)，經(jīng)精心策劃設(shè)計(jì)與制造調(diào)試，世賢了旋轉(zhuǎn)慣性力、Ⅰ階往復(fù)慣性力與力矩的徹底平衡。其相對(duì)兩列的往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量差，1999年樣機(jī)控制在40g級(jí)。該機(jī)僅殘余存量值不大，擾力頻率為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速之倍的Ⅱ階往復(fù)慣性力。

當(dāng)吸氣0.3MPa、排氣25MPa，空氣介質(zhì)試車(chē)時(shí)，2D4實(shí)測(cè)值：容積流量3.225m³/min、供氣量658Nm³/h、軸功率148.85KW、比功率13.57KW/（Nm³.min-1）、容積效率76%、漏氣率0.1136~0.1364%：換算為天然氣介質(zhì)時(shí)，供氣量670Nm³/h、軸功率137KW、比功率12.26KW/（Nm&sup