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一种新型轴流式压缩机的特点与优势
　　一、概述
　　在国民经济的构成中，空气动力设备相当普及。人们根据需求，通过机械或设备使空气达到一定的速度或压力，去为人们服务，那么这些机械设备就是空气动力设备。家里的电风扇可能是最简单的空气动力设备，而最复杂的空气动力设备也可能就是飞机的发动机和火箭了。
　　空气看不到摸不着，但其最大的特点是可流动、可压缩，人们就是利用这些特点去为人类服务，将空气施加能量，将其压缩，把空气体积压缩得越小，压缩比就越大，其能量也就越大。
　　对空气做功，空气将产生压力，其范围非常广，除了我们通常见到的风扇、风机外，随着压力的升高，较为常见的就是压缩机了。一般最常用的是每平方厘米有多少公斤，如汽车轮胎气压一般是小车2-3kg/cm²，载重汽车6-8kg/cm²，家用电风扇一般是100帕左右，也就是1g/cm²，工业风机压力较大，从500Pa至5000Pa左右，也就是5g-50g/cm²。如果压力需求从100g/ cm²-1000g/cm²(1kg)，则要用罗茨风机和多级风机相串联，1kg以上便要用到空气压缩机。
　　罗茨风机出口压力一般在0.1-0.7kg/cm²，靠一对转子的啮合改变容积而产生压力，优点是结构简单，运转较平稳，叶片不需油润滑。缺点是噪声大，维护费用高，造价高。
　　多级风机出口压力可达0.5kg/cm²以上，提高转速可达更高压力，目前国内需求压力1kg/cm²左右的市场，多数企业通过增加叶轮级数(有部分厂串联超过10级)和提高转速以达到高压力(有的型号要增速至几千甚至上万转/分)才能达到要求。
　　空气压缩机一般排气压力在1kg/cm²以上，目前国内市场空气压缩机主要是活塞式、螺杆式、离心式空压机，活塞式空气压缩机是靠活塞的往复运动而改变缸体容积来实现空气被压缩的，其技术较成熟，缺点是故障率高，维护费用高。螺杆式空压机是靠一对相反方向转动的阴阳螺杆啮合改变容积而使空气被压缩的。其优点是故障率低，维护费用较少，但造价较高，目前已逐步取代活塞式空气压缩机。离心式空气压缩机因其不用油运行，输出压缩空气不含油，故障率甚低而受欢迎，但其造价高(同等指标约为螺杆式空压机的二倍价格左右)，目前我国几乎被外国品牌所垄断。
　　高品质的离心式空气压缩机和轴流式压缩机，以其具有大排量、节省了庞大的油分离设备、输出高压气体100%无油、气流无脉动、重量体积小、运行可靠、经久耐用、运行费用低、效率高而受青睐。目前国内市场已乎被国外品牌所垄断，随着市场的需求越来越大，国外一些厂商已经开始在国内设立工厂，如阿特拉斯·科普柯、英格索兰、寿力等品牌已分别在广西、上海、苏州等地设立分厂。
　　故，广东省惠州市华力风机制造有限公司开发了一种新型轴流式压缩机技术，现与行内人士进行技术探讨交流。
　　二、本技术在风机行业的应用
　　风机行业是一个很大的行业，几乎所有工业都离不开风机，并都是高压风机占主流。据行业有关资料统计，风机行业国内每年产值约500亿元左右，其中罗茨风机和多级离心风机(压力在0.1-1kg范围)约100亿元左右，真可谓市场庞大。目前国内比较大的企业有沈阳鼓风机集团和陕西鼓风机集团，这两个集团堪称国内之最，年产值均超50亿元。
　　目前风机主要是离心式和轴流式，除此之外，还难以找到更成熟的技术。
　　本技术综合离心与轴流的技术特点，使之更合理、更完美地结合。本技术应用于风机制造业将具有：
　　1、容易取代罗茨风机。造价比罗茨风机低，各项性能均比罗茨风机高，故障率甚低，很容易伺候，有较高的性价比。
　　2、因本技术有特别大的压强功效，应用于普通风机，同等的质量指标，可将转速降低，或缩小叶轮直径。如目前市场上的多级串联风机，要达到1kg压力以上，一般要10级叶轮相串联，并要高速(2980转/分)，才能达到指标，但本技术有2级便可达到。
　　3、本技术主轴轴承采用特殊滑动轴承结构，利用主轴旋转带动产生高压油压，使之主轴长期悬浮于轴瓦面上运行，完全避免了机械性的接触和摩擦，即使在过载、振动等极端环境下，也能正常工作，提高了其扩疲劳强度，也提高了运行的可靠性，又减少了噪音。
　　4、本技术另一特点是轴承设计在密闭的空间油浸密封，不需配置任何密封件或密封材料，更避免了通常一般机械的轴承由于密封漏油、缺油烧伤轴承、摩损等现象。本结构特点不受外界的任何因素影响，运行稳定、无噪音，只要主轴转动，轴承便能正常运行，其轴承故障率甚低。级间利用压差原理，取消了级间密封，不存在回风，级间泄漏甚微。因此，将会带来高效率、低制造成本、低故障率的有益效果。
　　在风机行业，本技术得到应用，可将成本降低20%-50%，效率将得到提高，低碳节能，性能优越，故障率低，有相当高的性价比。
　　三、本技术在空气压缩机行业的应用
　　空气压缩机简称空压机，是指用来压缩空气借以提高气体压力的机械。主要用于钢铁、电力、冶金、造船、纺织、电子、化工、石油天然气、矿山、轻工业、机械制造、造纸印刷、交通设施、食品医药、铸造喷涂、海运码头、军工科技、汽车工业、航空航天及基础设施等领域，为各种行业不同的工具、运输设备、提拉设备和抓举设备等提供空气动力。
　　中国的空气压缩机起步于20世纪50年代末期，是在新中国成立(1949年)以后建立和发展起来的。大致经历了最初的消化吸收前苏联产品，到20世纪六、七十年代的自主开发，20世纪八、九十年代大规模引进国际先进技术后，行业获得了较大发展的三个历史阶段，目前已进入稳定发展阶段。
　　据行业数据报表统计，2006年全国压缩机行业总产值为216亿元，2009年为282亿元，有关行业专家预测到2020年我国空气压缩机全行业产值将达到360-400亿元人民币。目前国内做得比较大的企业是沈阳鼓风机集团和陕西鼓风机集团，两集团年产值均超过50亿元，两集团均生产离心式空气压缩机。
　　社会的进步离不开技术的创新。20世纪60年代以前，我国的空压机市场品种结构单一，基本全部为活塞式压缩机(容积式)。随着技术和社会的进步，从70年代开始，引进消化进口单螺杆、双螺杆空气压缩机。因为螺杆机其技术指标远胜于活塞机，其主要表现为配件更换周期长，相对故障率较低，故而其市场所占比例份额直线上升。目前我国螺杆机市场份额已经达到约占整个空压机市场的40-50%，而美国、西欧等发达国家螺杆式空压机市场份额已达50%以上，并逐步淘汰活塞式空气压缩机。但是，螺杆式空压机也存在不足，大多需要用油润滑运行，因此带来了运行费用高、排气含油等问题。随着国家和社会对环保、安全的重视，目前市场上无需油运行、排气不含油的高品质压缩机越来越受到市场的欢迎。
　　四、现有技术与产品的优缺点
　　目前，市场上谓之高品质的压缩机主要为：
　　1、离心压缩机
　　离心式压缩机目前主要是阿特拉斯·科普柯、英格索兰、寿力等品牌进口机，由于其排气干净不含油、运转周期长，运行故障率低，易损件少，技术比较成熟，也比较好管理，因而已被市场所接受。
　　缺点是由于离心机是速度型，需要高的线速度才能获得一定的压力输出，因而一般叶片要求的线速度都在400m/s以上(目前的进口机，比较典型的是前二级400-450m/s，后一级350-400m/s)，由此带来了一系列的问题，特别是高速齿轮、密封、轴承等等。叶轮转速高达每分钟2万多转(大齿轮由原动机带动，一般转速为二级电机2980转/分，大小齿轮直径比一般是7-8倍，通过增速，小齿轮达到2万转以上高速来驱动叶轮)，因此，这么高的转速，对制造材质的各种指标要求十分之苛刻，包括材质的成分、材料的调质处理、制造工艺等等，技术上要求甚高。目前国内几家离心式压缩机生产厂家所生产的机器，还有待实践的检验，相信能用，但估计故障率也不容忽视。
　　就高转速而言，将带来了制造成本相当高昂、运行故障率肯定高、维护费用会比较大，整体造价甚高。另一方面，在结构上由于大小齿的啮合，除了带来了高的噪声外，每处的啮合约降低2%的效率。弯道多，管路损失也较大，因此，相比于轴流式结构，其效率约低于轴流式5-10%，这一点已得到业内人士的共识。
　　对叶轮的结构，目前基本上选择的是三元流结构叶片，实际上三元流结构的叶片，其叶片的背风面的回风和产生的涡流很大，影响效率，到目前为止，还没有更好的技术去克服。作为三元流叶轮，尽管转速如此之高，但作用于叶轮外圆的叶片比例并不大，并且越靠近圆心，叶片做功效果越差。
　　2、轴流压缩机
　　轴流压缩机技术是比较成熟的，叶片的线速度远没有离心机高，一般选择在170-220m/s之间，就转速而言，其优势就比离心机强很多。轴流式结构，由于气流在机体内是沿叶轮外圆作轴向直线流动，气流不存在由于弯头、管路等的风阻损失，没有增速的啮合损失，故其效率一般比离心机要高5-10%。另外，轴流机的故障率甚低，比离心机少很多，没有易损件，维护也比离心机方便，相当好管理。轴流机的唯一不足就是无法做到小型流量。即使国内外所有先进技术，制造小流量的机器(1000立方/分以下)，其难度也是很大。
　　目前为止，最小容量的轴流机是AV40-11(转子轮毂直径为400mm，11级叶片)，其流量也有1500m3/min之多，但其转速则需通过齿轮增速至8000多转，否则线速度达不到要求。但由于增速，一系列问题又来了;其二是排气温度高，排气压力达到5kg/cm2时，排气温度将超过200℃，这对材质的耐高温要求很苛刻。因此，对轴流机而言：目前为止，国内、国外还没有发现有轴流式结构的技术用于制造小型流量(每分钟1000m3以下)的空气压缩机，包括众多进口品牌。
　　五、一种新型轴流压缩机技术
　　排气量：100～1000m³/min
　　排气压力：0.1～0.6MPa/m²
　　噪声：<90dB(A)

　　这种新型轴流压缩机，机体两端分别设置有进风口以及出风口，在机体中心设置有转轴，转轴上固定有转轮，在转轮圆周面固定有当转轮旋转时形成轴向气流的叶片，所述的叶片为环绕于转轮圆周面上的前后两组，在两前后叶片之间的机体内壁设置有与叶片方向相反的导流板。
　　与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：设备结构设计简洁，材料要求不苛刻，造价低，可根据需要串联多级压缩单元，产生不同压力需要的气体，可满足各种场合的需要，使用灵活，运行及维护费用低，故障率低，输出的压缩空气不含油，100%干净。
　　本项目技术克服了离心式压缩机的高速弊端，也克服了轴流压缩机不能生产小排量的难点，并能达到：
　　1、有优异的性能。本机为多级叶轮相串联的轴流式压缩机，每级的压力由安装在叶轮的正付叶片结构和叶轮的直径所决定，而排气压力取决于安装叶轮的级数，可根据需求灵活决定安装级数，以达到不同的压力需求。改变叶片气流通过的截面尺寸，便可改变排气流量。因此，其压力与流量的调整十分灵活。
　　2、造价低。本机结构为二极电机直联，省去了齿轮增速装置，最关键的无非就是主轴两端轴承了(包括滚动轴承和制造高压力时需采用滑动轴承)，其它材料均为市售普通材料，材质无需特殊要求，要求加工精度也不会很高。
　　3、运行故障率低。本机的结构是在一根主轴上串联多级叶轮，叶轮与机体，不存在接触及摩擦，易产生故障的只有主轴两端的轴承，除此之外，再无其它易损件。因此，本机结构简单，很好伺候，如果选择高品质的轴承，并对其设置良好的冷却，降低轴承故障率，本机的运行，故障率甚微，甚至容易实现零故障运行。
　　4、效率高。本机实际是一台轴流风机，根据轴流机的叶栅理论研究，与离心式压缩机实行效率实测，一般情况下，轴流机比离心机可提高效率5%-10%。
　　5、排气温度低、噪音低。本机如果没有冷却系统，排气压力达到5kg时，排气温度将达到200℃左右;8kg时，排气温度将达到250℃左右。因此，本机每一级之间都设置冷却，其冷却面积与同等排气量的离心压缩机相比，本机的冷却换热面积是离心机的2倍左右，可以预计其排气温度是不会很高。其冷却排管除了冷却以外，噪音也会较为理想。
　　本机仅轴承需用油浸，量极少，其它无需油运行，更不需配置油路系统，给运行降低了成本，排气100%干净不含油。
　　具有较强的市场竞争力，与螺杆式空压机相竞争：无需油运行，运转周期长，易损件己乎为零，维护及运行成本低，实质就是一台风机，很容易伺候和管理，排气温度低，减轻了后续冷干和油气分离工艺，噪音低。对排气量在100立方以上机器，单位立方造价要比螺杆机低，而且排气量越大，本机的单位立方造价成本就越低，本技术比较适宜制造排气量在100-1000立方/分的无油运行的高端轴流式空气压缩机产品，并且本项目后序的发展可持续性强。
　　具有以下特点：
　　(1)高效
　　本项目技术核心是采用主机与电机直联方式和多级叶片相串联的轴流式结构，叶片级间设置冷却，从而降低排气温度(≤150℃)。因采用直联结构，除省去增速配置外，既减少了啮合损失，又提高了效率，也减少了噪音。本技术采用轴流式结构，由于气流沿主轴方向流动，从而克服了离心式结构气流径向流动损失及弯道流动损失大的不足，其最终结果，也是提高了效率。本结构级间设置冷却，使排气温度骤然降低，既降低了材质对温度的苛刻要求，又给选材带来有利的因素，更令人欣慰的是提高了效率(根据实践运行经验，排气温度每降低10℃，效率可提高2%)。
　　综上，最终总效率可比现有进口品牌的离心式空气压缩机提高效率6～10%。
　　(2)高可靠性
　　本技术除效率高的一大特点外，高可靠性及低故障率又是本技术产品的一大亮点。众所周知，离心式压缩机设备可靠性不高，主要是由于转速过高、结构的不合理、轴承、密封等方面的原因而引起故障。
　　本机采用直联结构，转速为3000转/分，而目前典型的离心式空气压缩机的转速，一般是通过增速器而使转速达到2万多转/分，甚至更高。离心式空气压缩机的结构，配置了增速器，除了增加制造成本外，也增加了噪音，更主要的是，轴承、密封等由于高转速的因素而增加了故障产生的概率，从而使故障率大大增加。本产品因直联结构，无需增速，从而彻底地消除了由此带来的故障概率，提高了设备运行的可靠性。
　　本产品主轴轴承采用特殊滑动轴承结构，利用主轴旋转带动产生高压油压，使之主轴长期悬浮于轴瓦面上运行，避免了机械性的接触和磨擦。为保障本机在过载、振动等极端环境下能正常工作，提高其扩疲劳强度，本机设计高于几倍以上主轴负荷的承载能力。轴承设计在密闭的空间油浸密封，不需配置任何密封件或密封材料，更避免了通常一般机械的轴承密封漏油、缺油烧伤轴承、轴承磨损等现象，不受外界的任何因素影响，本结构特点是运行稳定、噪音低，只要主轴转动，轴承便能正常运行，其轴承故障率几乎是零。
　　本产品为叶片相串联轴流式结构，级间的回风，采用压差式结构，改变通常所见的采用密封结构，既减少了密封磨擦带来的损失，又避免了由于密封磨损失效而产生回风，降低了效率，而更主要的是去掉了密封结构后，保持着高效率而不必再担心因密封磨损等原因而带来的故障产生概率，提高了运行的可靠性。
　　综上，本产品由于不使用密封装置、具有结构简单、抗疲劳能力强、噪音低、排气100%不含油、无易损消耗件、运行成本低、易伺候、效率高、故障率甚低(几乎为零)的优异性能。
　　(3)适用范围
　　本项目所存在不足的是，由于本机的压力由叶轮的结构和直径所决定，而排气量则由叶片的风道截面积所决定，所以，要保证压力的输出，叶轮直径不能减少。若要减少排气量，只有减少叶片的流道面积，但其结构基本不变，因此，当减少排气量输出，整机基本上结构不变，只是电动机功率减小而已。因而，制造小排量压缩机，成本降低不大，排气量越小，其单位立方造价就越高，特别是50立方/分以下，在市场上没有竞争力。
　　六、成本估算与发展前景
　　1、成本估算
　　本设计300m³/min，4.5kg/cm²低压力机生产成本估算：　　

　　从成本估算可知，300立方排气压力为4.5kg机型的生产成本造价约84万元，单位立方造价约为每立方2800元，制造成本低廉。由于项目工艺条件决定，容量越大，本产品单位立方造价就越低，其性价比也将越显突出。
　　2、发展前景
　　本技术的工作原理是风的接力跑，风机主轴根据风压的需求来确定风叶的级数。结构简单、制造材料要求不苛刻、市场上普通材料即可满足要求、造价更低廉，具有更优越的应用效果。输出压缩空气100%干净不含油(无需配置后序油气分离设备)、运行费用低、故障率甚低、可靠性高、效率比离心式空气压缩机约高出5-10%、性价比高。这是本技术的核心根本，也是本技术在以后的市场竞争中，能生存、发展、壮大、做强的坚石基础。