【壓縮機網(wǎng)】一、水潤滑無油壓縮機概況
無油壓縮空氣應用越來越廣泛，除了傳統(tǒng)的應用行業(yè)，諸如食品、醫(yī)藥、電子、芯片、噴涂、空分、儀用控制外，近期在諸如LCD面板、鋰電池、太陽能、醫(yī)用設(shè)備等新興行業(yè)也快速發(fā)展。隨著ISO8573-1“0級無油”標準的深化，催生了無油壓縮技術(shù)的蓬勃發(fā)展，如干式無油螺桿引入變頻技術(shù)，螺桿轉(zhuǎn)子“錐形”設(shè)計，小型干式旋齒技術(shù)，無油渦旋技術(shù)，離心機小型化、高速化。更有很多新技術(shù)被引入，其中有兩個比較熱門的話題，一個是磁懸浮小型高速離心式壓縮機，第二個就是水潤滑無油壓縮機。磁懸浮離心壓縮機是用高速電機來直接帶動葉輪，替代了齒輪箱；變頻調(diào)節(jié)替代了進口導葉；磁懸浮軸承替代了滑動軸承和潤滑系統(tǒng)等等。
現(xiàn)在各行各業(yè)使用最廣的是噴油螺桿壓縮機，由于潤滑油噴入壓縮腔起著潤滑、密封和冷卻作用，使得壓縮過程簡單又可靠，但是產(chǎn)生的壓縮空氣含油。如果用水替代油噴入壓縮腔起到潤滑、密封和冷卻作用的話，可以實現(xiàn)“無油壓縮”，產(chǎn)生的壓縮空氣就不含油，獲得可靠的“0級無油”壓縮空氣。
從理論上講能夠?qū)崿F(xiàn)水潤滑無油壓縮的結(jié)構(gòu)有三種，第一種是水潤滑滑片壓縮機、第二種是水潤滑單螺桿、第三種是水潤滑雙螺桿。
1.國內(nèi)水潤滑無油壓縮機
上述三種形式的壓縮機都不新奇，20年前都廣泛應用于回轉(zhuǎn)容積式壓縮機行業(yè)，當時噴油雙螺桿約占市場60～70%，噴油單螺桿約占市場25%，噴油滑片約占市場5%。國內(nèi)第一次觸及水潤滑無油壓縮機大約是1998年，當時復盛公司引進了日本三井的水潤滑單螺桿主機，生產(chǎn)噴水單螺桿壓縮機。國內(nèi)多家企業(yè)在2012年前后，先后開發(fā)并生產(chǎn)“水潤滑單螺桿”主機及無油壓縮機，而這些廠家基本上都和噴油單螺桿有淵源。
目前，水潤滑無油產(chǎn)品樣本雖然覆蓋到了250kW，但是市場上銷售比較多的還是在15～55kW。目前市場上，主要的水潤滑無油壓縮機品牌有三井、佳力士、辛麥恩（杰能）、神龍（格蘭克林）、奧夫科、索貝克、正力精工、復盛、英諾偉特、漢諾斯等，2022年整體銷量大約為2000臺。
2.國外水潤滑無油壓縮機
阿特拉斯·科普柯2004年就在歐洲發(fā)布了無油水潤滑雙螺桿壓縮機，國內(nèi)2012年推向市場，兩款主機功率覆蓋了15-55kW，工作壓力從4-12.75barG，排氣量從1.29-9.31m3/min。
美國壽力公司的水潤滑雙螺桿壓縮機是2012年推向市場的，它有三款主機，覆蓋了15-75kW，排氣壓力從5.5-9.5barG。日本IHI也有類似的產(chǎn)品。
德國壓縮機公司AquaAir，它的水潤滑雙螺桿產(chǎn)品大約在2013年進入中國市場。這是一家專門做水潤滑的企業(yè)，主要的成就是引入水潤滑“PEEK螺桿轉(zhuǎn)子”，有四款主機覆蓋了4-110kW的功率范圍。國內(nèi)很多廠家在水潤滑雙螺桿方面的嘗試，都可以看到AquaAir的身影。
二、無油水潤滑雙螺桿與單螺桿比較
可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)以水潤滑單螺桿為主，國外差不多同期已經(jīng)進入水潤滑雙螺桿時代。我們從技術(shù)上來比較一下兩者各自的特點。
螺桿嚙合：雙螺桿的嚙合相當于一對斜齒輪，我們知道高精度斜齒輪的機械傳動效率基本都在99%；單螺桿的機械嚙合相當于渦輪-蝸桿，它的機械效率一般最高就是95%。這是機械效率上的差異。
受力變形：螺桿壓縮機壓縮產(chǎn)生壓縮空氣，主機運轉(zhuǎn)部件要承受載荷力。雙螺桿壓縮機的螺桿轉(zhuǎn)子受力是不平衡的，一般是從一側(cè)一端進氣且從另一側(cè)一端排氣，所以兩個螺桿轉(zhuǎn)子要承受徑向力和軸向力；但是螺桿轉(zhuǎn)子的剛性在這樣的受力情況下是不會發(fā)生變形的，設(shè)計軸承載荷時應充分考慮這些徑向力和軸向力，使主機可靠性耐久性都有保證。單螺桿主機的中間是一個單螺桿，左右是兩個星輪，一正一反安裝；所以單螺桿轉(zhuǎn)子在工作過程中受力是平衡的，沒有額外的軸向力；但是星輪受力是不平衡的，星輪和螺桿接觸的一側(cè)受力，不接觸的這部分不受力，而且星輪的剛性小，所以它會發(fā)生扭曲變形。
密封線：容積式壓縮機除了機械嚙合以外，不得不關(guān)注的就是密封問題。雙螺桿壓縮機靠陰陽轉(zhuǎn)子嚙合的密封線呈螺旋狀，是一根連續(xù)的曲線。單螺桿壓縮機密封靠螺桿和星輪之間的嚙合，從表格上方圖中可以看到，螺桿和星輪之間的嚙合線是一條折線，這條折線是不連續(xù)的；從機械加工角度來說，拐角處的加工非常難保證。
磨損：如果單螺桿和雙螺桿都是3000轉(zhuǎn)的時候，由于雙螺桿陰陽轉(zhuǎn)子是向同一個方向轉(zhuǎn)，所以陰陽轉(zhuǎn)子之間相對滑動速度幾乎是零，接觸形式是滾動為主而不是滑動。單螺桿壓縮機的星輪和螺桿呈90°垂直安裝，星輪和螺桿之間的接觸是滑動，而且這個滑動速度就是螺桿轉(zhuǎn)子頂部的線速度（還要高一些）。這就是為什么渦輪渦桿傳動效率低的原因，因為它有滑動摩擦。
加工工藝：除了這些結(jié)構(gòu)上的差別以后外，還面臨加工成本差別。從加工角度來說，雙螺桿的加工精度要求很高，尤其是水潤滑加工要求更高，因為水的潤滑性和密封性比油要差；一對雙螺桿轉(zhuǎn)子在整個工作過程中是滾動的，不會自磨合，也就是說初始狀態(tài)的缺陷會一直維持下去，并造成損壞。單螺桿在這方面相對就有優(yōu)勢了，常規(guī)的單螺桿壓縮機的結(jié)構(gòu)中，螺桿轉(zhuǎn)子是金屬材質(zhì)硬度高，星輪是用復合材料制作的硬度低，一個硬一個軟，表面又有滑動摩擦，在工作嚙合過程中有一個“自磨合”過程；也就是說單螺桿在工作一段時間以后，由于“自磨合”以后密封性能會提高，其效率會提高，但缺點是“自磨合”過后就變成磨損了。
成本控制：我們在上面講到，雙螺桿和單螺桿的差別不僅僅在于雙螺桿多一根轉(zhuǎn)子，而且精度要求非常高；因為如果有初始精度生產(chǎn)問題，那這臺壓縮機就會一直存在缺陷。但是單螺桿壓縮機的螺桿轉(zhuǎn)子由于會與星輪磨合，所以加工精度要求不是特別高，成品合格率會高一點。
所以20多年前回轉(zhuǎn)容積式壓縮機開始流行初期，由于加工設(shè)備不成熟和工藝不完善，加工要求低的噴油單螺桿幾乎占到螺桿壓縮機市場份額的20%-25%，結(jié)構(gòu)簡單的噴油滑片大概占5%左右。隨著螺桿轉(zhuǎn)子加工設(shè)備的成熟，尤其是“螺桿轉(zhuǎn)子磨床”的出現(xiàn)，雙螺桿轉(zhuǎn)子加工精度大幅度提升、質(zhì)量大幅度提高，雙螺桿壓縮機的能效優(yōu)勢、可靠性高和穩(wěn)定壽命長等特征得以充分體現(xiàn)。今天在噴油回轉(zhuǎn)容積式壓縮機中，噴油雙螺桿壓縮機占98%以上，其它噴油單螺桿和噴油滑片占比非常小。
雙螺桿、單螺桿和滑片在能效、穩(wěn)定性、可靠性和壽命等方面的差別，在噴油螺桿時代都已經(jīng)表現(xiàn)出來了。這些差異在噴水時代更加明顯，因為水的潤滑和密封作用要比油差很多。這就是歐美日等跨國公司已經(jīng)全面進入了無油水潤滑雙螺桿時代的原因。
三、國內(nèi)外水潤滑雙螺桿壓縮機動向
阿特拉斯·科普柯無錫工廠2023年上半年已經(jīng)完成了“AQ水潤滑螺桿壓縮機”的國產(chǎn)化，整機配置非常高，能效較同功率ZT更高；阿特拉斯·科普柯上海貿(mào)易公司在9月份發(fā)布了國產(chǎn)化的AQ產(chǎn)品。在發(fā)布國產(chǎn)化AQ15-55之前年銷售約200臺，約占無油旋齒ZT15-45（已經(jīng)國產(chǎn)化）的一半；隨著國產(chǎn)化AQ水潤滑無油螺桿的發(fā)布，期待AQ水潤滑銷量有明顯增加。比利時JustAir已經(jīng)于12月在國內(nèi)發(fā)布水潤滑雙螺桿無油壓縮機。據(jù)透露，德國BOGE也準備在國內(nèi)發(fā)布水潤滑雙螺桿無油壓縮機。
國內(nèi)方面，葆德2023年新發(fā)布了22kW水潤滑雙螺桿風冷變頻壓縮機，在7barG時整機比功率達到7.5。這個產(chǎn)品的投放補齊了公司7.5-55W的產(chǎn)品線。上海“托艾”推出15～75kW水潤滑雙螺桿，其中37kW“風冷變頻”在7barG時整機比功率為6.6，并且機器“上下兩層”設(shè)計非常有特色。上海德耐爾也測試了45kW水潤滑雙螺桿，在7barG時“風冷變頻”整機比功率達6.8。
四、各家無油水潤滑雙螺桿壓縮機結(jié)構(gòu)綜述
1.各品牌結(jié)構(gòu)差異
現(xiàn)在水潤滑雙螺桿在市面上開始活躍起來，但各家的結(jié)構(gòu)還是有一些差異。主要有兩類結(jié)構(gòu)，一類是水潤滑轉(zhuǎn)子結(jié)合水潤軸承，另一類是水潤滑轉(zhuǎn)子結(jié)合滾動軸承。
還有一些從干螺桿結(jié)構(gòu)演變的“噴水冷卻”無油壓縮機，有同步齒輪和潤滑系統(tǒng)；面臨潤滑系統(tǒng)防水、螺桿轉(zhuǎn)子防銹等方面的挑戰(zhàn)，目前沒有成為主流。
2.水潤滑無油壓縮機的挑戰(zhàn)和機遇
水潤滑無油壓縮機的原理特征就是水替代油起到潤滑、密封和冷卻的作用。
水潤滑無油壓縮機的主要挑戰(zhàn)：（1）水的密封性不如油；（2）潤滑作用也遠不如油；（3）水會引起生銹。
作為壓縮輔助介質(zhì)水比油的優(yōu)勢：（1）水的冷卻效果比油好，所以壓縮過程更接近于等溫壓縮，等溫壓縮是最節(jié)能的壓縮過程；（2）水的分離效果比油好，所以它的汽水分離器沒有分離（濾）芯這樣一個阻力元件，不僅不需要花費“分離芯”更換成本，而且還免除了“分離芯”的壓力損失遞增造成的額外功率消耗；（3）“純水”遠比“壓縮機油”便宜、環(huán)保且容易獲得。
既然知道了水替代油的挑戰(zhàn)和優(yōu)勢，那么我們在設(shè)計機器的時候就要做選擇：
首先，水潤滑無油壓縮機的機械結(jié)構(gòu)選擇：嚙合副要磨損小。由于水的潤滑性能沒有油好，磨損要小那就要用滾動摩擦替代滑動摩擦，因為滾動摩擦的磨損小。即使有滑動摩擦，那么滑動速度盡量要低，還要避免往復運動，因為往復運動不容易形成連續(xù)穩(wěn)定的水膜。
其次，水潤滑無油壓縮機的密封形式選擇：密封線連續(xù)且短。因為水的密封性比油要差，從潤滑角度講，在雙螺桿、單螺桿和滑片這三種結(jié)構(gòu)中，雙螺桿結(jié)構(gòu)是磨損最小的，密封線連續(xù)而且又短，減少內(nèi)泄漏。綜合上述原因，這就是為什么跨國公司都走向了水潤滑雙螺桿這個方向。
第三，水潤滑無油壓縮機的材料選擇：因為水會引起生銹，所以殼體選擇青銅或者不銹鋼，軸是不銹鋼的，轉(zhuǎn)子、星輪或滑片選擇PEEK或樹脂類復合材料制造。
五、水潤滑無油雙螺桿壓縮機優(yōu)勢
1.水潤滑雙螺桿無油壓縮機的節(jié)能特征明顯
水潤滑雙螺桿壓縮機不僅是個“無油”產(chǎn)品，而且是個“節(jié)能”產(chǎn)品。下圖是一張目前的水潤滑雙螺桿壓縮機全功率段型譜表，可以看到，從1800轉(zhuǎn)到3600轉(zhuǎn)能效非常平穩(wěn)。
筆者見證了諸多能效實測情況，比如37kW 7barG，“風冷變頻”整機比功率6.6；45kW 7barG，“風冷變頻”整機比功率6.8；22kW 7barG，“風冷變頻”整機比功率7.5。
2.水潤滑雙螺桿無油壓縮機的節(jié)能持續(xù)穩(wěn)定
水潤滑雙螺桿無油壓縮機不僅節(jié)能，而且持續(xù)穩(wěn)定，因為它沒有磨損，排氣量不會下降，比功率也不會下降，所以它又是當下流行的“節(jié)能改造”產(chǎn)品。
3.水潤滑雙螺桿無油壓縮機環(huán)境適應性強
水潤滑雙螺桿無油壓縮機不怕高溫、不怕濕，這兩個都是干式無油螺桿壓縮機比較忌諱的地方。另外震動小、噪音低、機組溫度低，水潤滑無油螺桿壓縮機運行溫度基本上都在50～60℃，噪音都在70dB(A)左右。
六、無油壓縮機技術(shù)的選用
2023年初，筆者與曾供職阿特拉斯·科普柯30多年的Chris Lybaert先生討論過無油技術(shù)問題。一個共識是，噴油潤滑壓縮時代相對簡單，從5kW到500kW，噴油螺桿一級壓縮和兩級壓縮，低壓、中壓都可以。但是無油壓縮就比較復雜，下圖中水平坐標代表流量flow，垂直坐標代表比功率SER。就常用的工廠動力用壓縮機（排氣壓力5～10barG）的能效而言，大型壓縮機是三級離心的優(yōu)勢明顯，中、大型無油壓縮機是兩級干式螺桿的優(yōu)勢明顯，小一點的無油壓縮機是兩級旋齒的優(yōu)勢明顯。新出現(xiàn)的水潤滑無油雙螺桿壓縮機，在中、小型范圍內(nèi)效率遠遠優(yōu)于干式無油螺桿和旋齒壓縮機。
這是因為干螺桿無油壓縮機比較適合的轉(zhuǎn)子齒頂圓速度為80～120m/s，但是小型的干式無油螺桿轉(zhuǎn)子直徑就小了，即使轉(zhuǎn)速很高也很難達到這個齒頂圓速度。大型的干式無油螺桿轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一般在8000rpm左右，小型的干式無油螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速多為12000～13000rpm，但是這時陽轉(zhuǎn)子的齒頂圓速度遠遠達不到每秒80m/s。再加上螺桿“相對”間隙的影響，小型干螺桿的能效明顯變差，尤其是75kW以下急劇變差。
另有一種解決辦法可以把氣量做小并且轉(zhuǎn)子直徑不會太小，就是把轉(zhuǎn)子做的短一點，這就是旋齒，如下圖右圖。旋齒壓縮機由于直徑大，所以能效在小功率的時候比干式無油螺桿壓縮機會好一點。但是旋齒壓縮機也有一個缺點，由于旋齒結(jié)構(gòu)的“齒體長度”非常短而且是直線，當涂層剝落后，排氣量和能效衰減比干螺桿明顯。
水潤滑雙螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子齒頂圓速度為15～30m/s，非常適合小功率螺桿壓縮機，在37/45kW時整機比功率比干螺桿高15%以上。
七、水潤滑無油雙螺桿壓縮機展望
現(xiàn)在市場上15～500kW的無油壓縮機產(chǎn)品主要是干式螺桿無油壓縮機（包括旋齒），國內(nèi)市場小功率段有些水潤滑單螺桿壓縮機。
阿特拉斯·科普柯的AQ系列水潤滑無油雙螺桿完成了國產(chǎn)化，并與無錫生產(chǎn)的ZT干螺桿價格相當；但是AQ的能效更好、性能更穩(wěn)定、維護費用也更低，也就是說“AQ提供更高的性價比”進入這一傳統(tǒng)干螺桿和旋齒的市場。在國外銷售的干式無油螺桿壓縮機和水潤滑雙螺桿機是同樣的價格，那么在中國可能也會是同樣的情況。另據(jù)公布的信息，比利時Just Air的水潤滑雙螺桿無油壓縮機也會在同一價位參與競爭，提供更高的“性價比”。
水潤滑單螺桿，由于制造簡單、成本低和無油壓縮的特點，是一款很好的“無油入門產(chǎn)品”為用戶提供“無油壓縮空氣”。成本低是優(yōu)勢，雖然伴隨著排氣量下降明顯、能耗上升劇烈，使用一段時間后穩(wěn)定性下降等不足，但價格僅為干螺桿的一半。
水潤滑雙螺桿壓縮機的制造成本確實很高，但是技術(shù)優(yōu)勢也很大，所以水潤滑雙螺桿和干式無油螺桿/旋齒會在同價位競爭。水潤滑單螺桿現(xiàn)在會占據(jù)“低價位”無油市場，將來可能會重現(xiàn)“噴油單螺桿”景象。
水潤滑雙螺桿壓縮機不僅是一個無油產(chǎn)品，而且還是一個節(jié)能產(chǎn)品，并且是一個持續(xù)節(jié)能（性能穩(wěn)定）產(chǎn)品，所以水潤滑雙螺桿壓縮機制造廠家，非常關(guān)注節(jié)能。從目前的技術(shù)來看，水潤滑雙螺桿整機比功率和干式無油螺桿約在“132kW功率段”比功率差不多。但是干式無油螺桿還有兩個好助手，一個叫壓縮熱干燥機，一個余熱回收。水潤滑雙螺桿雖然能效高、使用穩(wěn)定，但是它的運行溫度太低了，一般是50～60℃的運行溫度，所以既不能用余熱回收，也不能用壓縮熱吸干機。
如果單從無油角度上來說，水潤滑雙螺桿壓縮機可以做得更大。水潤滑雙螺桿壓縮機作為“新技術(shù)、新產(chǎn)品”進入無油壓縮機競爭領(lǐng)域，會把最具有競爭力一面展現(xiàn)給市場和用戶。所以，水潤滑雙螺桿壓縮機會在15～110kW范圍和干式無油螺桿（包括旋齒）激烈競爭，充分展現(xiàn)“無油、節(jié)能、穩(wěn)定、可靠、維護費用低”等特點。第二步，水潤滑雙螺桿壓縮機會進入“中壓無油壓縮空氣”領(lǐng)域，比如PET吹瓶壓縮機等等。
八、關(guān)于水潤滑螺桿壓縮機的三個常見疑問
1.水潤滑螺桿壓縮機壓縮空氣含水量高？
答案是不會。因為所有壓縮機的壓縮空氣排出前都有汽水分離器，壓縮空氣的絕對含水量和排氣溫度有關(guān)，相對含水量和分離效果有關(guān)。同樣的壓縮空氣排氣溫度，由于水潤滑壓縮機的汽水分離器體積大、設(shè)計考究，所以水潤滑壓縮空氣相對含水量還比其它壓縮機要低。
2.水潤滑螺桿壓縮機冬天要結(jié)冰？
這不是水潤滑壓縮機獨有的問題，所有的壓縮機產(chǎn)品說明書上都要求使用溫度在0℃（或2℃）到40℃。因為所有的壓縮機都面臨同樣的問題，也就是說在啟動前一定要讓溫度保持在0℃以上，各個控制閥門、傳感器、手閥等都不能有“冰堵”現(xiàn)象，尤其是安全閥。實際上，在北方都沒問題，因為北方的壓縮機廠房都有暖氣；南方也沒問題，因為不會結(jié)冰。最糟糕的是在不冷不熱的地方，壓縮機站房沒有暖氣，但是冬天有可能會到0℃以下；這個時候如果過年放假，任何壓縮機都要把水放干凈；春節(jié)過后來啟動一定要看環(huán)境溫度，高于0℃才能啟動壓縮機，否則壓縮機閥門要凍住，或者選用“低溫機組”。
3.水潤滑螺桿壓縮機壓縮空氣含細菌？
水潤滑螺桿壓縮機和其它類型的壓縮機相比，沒有質(zhì)的差別。
雖然理論上講細菌在20～45℃時候最容易生長，但是活動的水是不易細菌生長的，這就是所謂的“流水不腐”；空氣中的水分進入壓縮機形成冷凝水、稀釋壓縮機循環(huán)水，并且PLC設(shè)定了自動換水功能，都保證了循環(huán)水的清潔和新鮮。
另外，干螺桿的螺桿排氣溫度約為180℃多、噴油螺桿的約為80℃多，這樣的溫度確實能夠殺菌；但是空氣從螺桿入口到排氣口以毫秒來計算，在這樣短的時間里，這個溫度殺菌作用極其有限。水潤滑的工作溫度雖然比較低，但用的是活水，所以細菌含量和其它類型壓縮機相比并沒有什么大差別。
在實際中，水潤滑螺桿壓縮機廣泛應用在食品、醫(yī)藥行業(yè)。德爾格Drager是德國一家著名的醫(yī)療器械廠家，它為醫(yī)院提供的氣源房用的就是德國AquaAir水潤滑壓縮機。
作者簡介
葉春，西安交通大學學士、上海交通大學碩士、比利時國際管理學院碩士學歷。曾任奧地利阿拉瑪發(fā)CEO、美國壽力亞洲總裁、阿特拉斯·科普柯中國/香港公司無油事業(yè)部副總裁、比利時阿特拉斯·科普柯空氣動力總部產(chǎn)品經(jīng)理、上海英格索蘭壓縮機有限公司工程師以及葆德集團董事長顧問。
來源：本站原創(chuàng)
【壓縮機網(wǎng)】一、水潤滑無油壓縮機概況
無油壓縮空氣應用越來越廣泛，除了傳統(tǒng)的應用行業(yè)，諸如食品、醫(yī)藥、電子、芯片、噴涂、空分、儀用控制外，近期在諸如LCD面板、鋰電池、太陽能、醫(yī)用設(shè)備等新興行業(yè)也快速發(fā)展。隨著ISO8573-1“0級無油”標準的深化，催生了無油壓縮技術(shù)的蓬勃發(fā)展，如干式無油螺桿引入變頻技術(shù)，螺桿轉(zhuǎn)子“錐形”設(shè)計，小型干式旋齒技術(shù)，無油渦旋技術(shù)，離心機小型化、高速化。更有很多新技術(shù)被引入，其中有兩個比較熱門的話題，一個是磁懸浮小型高速離心式壓縮機，第二個就是水潤滑無油壓縮機。磁懸浮離心壓縮機是用高速電機來直接帶動葉輪，替代了齒輪箱；變頻調(diào)節(jié)替代了進口導葉；磁懸浮軸承替代了滑動軸承和潤滑系統(tǒng)等等。
現(xiàn)在各行各業(yè)使用最廣的是噴油螺桿壓縮機，由于潤滑油噴入壓縮腔起著潤滑、密封和冷卻作用，使得壓縮過程簡單又可靠，但是產(chǎn)生的壓縮空氣含油。如果用水替代油噴入壓縮腔起到潤滑、密封和冷卻作用的話，可以實現(xiàn)“無油壓縮”，產(chǎn)生的壓縮空氣就不含油，獲得可靠的“0級無油”壓縮空氣。
從理論上講能夠?qū)崿F(xiàn)水潤滑無油壓縮的結(jié)構(gòu)有三種，第一種是水潤滑滑片壓縮機、第二種是水潤滑單螺桿、第三種是水潤滑雙螺桿。
1.國內(nèi)水潤滑無油壓縮機
上述三種形式的壓縮機都不新奇，20年前都廣泛應用于回轉(zhuǎn)容積式壓縮機行業(yè)，當時噴油雙螺桿約占市場60～70%，噴油單螺桿約占市場25%，噴油滑片約占市場5%。國內(nèi)第一次觸及水潤滑無油壓縮機大約是1998年，當時復盛公司引進了日本三井的水潤滑單螺桿主機，生產(chǎn)噴水單螺桿壓縮機。國內(nèi)多家企業(yè)在2012年前后，先后開發(fā)并生產(chǎn)“水潤滑單螺桿”主機及無油壓縮機，而這些廠家基本上都和噴油單螺桿有淵源。
目前，水潤滑無油產(chǎn)品樣本雖然覆蓋到了250kW，但是市場上銷售比較多的還是在15～55kW。目前市場上，主要的水潤滑無油壓縮機品牌有三井、佳力士、辛麥恩（杰能）、神龍（格蘭克林）、奧夫科、索貝克、正力精工、復盛、英諾偉特、漢諾斯等，2022年整體銷量大約為2000臺。
2.國外水潤滑無油壓縮機
阿特拉斯·科普柯2004年就在歐洲發(fā)布了無油水潤滑雙螺桿壓縮機，國內(nèi)2012年推向市場，兩款主機功率覆蓋了15-55kW，工作壓力從4-12.75barG，排氣量從1.29-9.31m3/min。
美國壽力公司的水潤滑雙螺桿壓縮機是2012年推向市場的，它有三款主機，覆蓋了15-75kW，排氣壓力從5.5-9.5barG。日本IHI也有類似的產(chǎn)品。
德國壓縮機公司AquaAir，它的水潤滑雙螺桿產(chǎn)品大約在2013年進入中國市場。這是一家專門做水潤滑的企業(yè)，主要的成就是引入水潤滑“PEEK螺桿轉(zhuǎn)子”，有四款主機覆蓋了4-110kW的功率范圍。國內(nèi)很多廠家在水潤滑雙螺桿方面的嘗試，都可以看到AquaAir的身影。
二、無油水潤滑雙螺桿與單螺桿比較
可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)以水潤滑單螺桿為主，國外差不多同期已經(jīng)進入水潤滑雙螺桿時代。我們從技術(shù)上來比較一下兩者各自的特點。
螺桿嚙合：雙螺桿的嚙合相當于一對斜齒輪，我們知道高精度斜齒輪的機械傳動效率基本都在99%；單螺桿的機械嚙合相當于渦輪-蝸桿，它的機械效率一般最高就是95%。這是機械效率上的差異。
受力變形：螺桿壓縮機壓縮產(chǎn)生壓縮空氣，主機運轉(zhuǎn)部件要承受載荷力。雙螺桿壓縮機的螺桿轉(zhuǎn)子受力是不平衡的，一般是從一側(cè)一端進氣且從另一側(cè)一端排氣，所以兩個螺桿轉(zhuǎn)子要承受徑向力和軸向力；但是螺桿轉(zhuǎn)子的剛性在這樣的受力情況下是不會發(fā)生變形的，設(shè)計軸承載荷時應充分考慮這些徑向力和軸向力，使主機可靠性耐久性都有保證。單螺桿主機的中間是一個單螺桿，左右是兩個星輪，一正一反安裝；所以單螺桿轉(zhuǎn)子在工作過程中受力是平衡的，沒有額外的軸向力；但是星輪受力是不平衡的，星輪和螺桿接觸的一側(cè)受力，不接觸的這部分不受力，而且星輪的剛性小，所以它會發(fā)生扭曲變形。
密封線：容積式壓縮機除了機械嚙合以外，不得不關(guān)注的就是密封問題。雙螺桿壓縮機靠陰陽轉(zhuǎn)子嚙合的密封線呈螺旋狀，是一根連續(xù)的曲線。單螺桿壓縮機密封靠螺桿和星輪之間的嚙合，從表格上方圖中可以看到，螺桿和星輪之間的嚙合線是一條折線，這條折線是不連續(xù)的；從機械加工角度來說，拐角處的加工非常難保證。
磨損：如果單螺桿和雙螺桿都是3000轉(zhuǎn)的時候，由于雙螺桿陰陽轉(zhuǎn)子是向同一個方向轉(zhuǎn)，所以陰陽轉(zhuǎn)子之間相對滑動速度幾乎是零，接觸形式是滾動為主而不是滑動。單螺桿壓縮機的星輪和螺桿呈90°垂直安裝，星輪和螺桿之間的接觸是滑動，而且這個滑動速度就是螺桿轉(zhuǎn)子頂部的線速度（還要高一些）。這就是為什么渦輪渦桿傳動效率低的原因，因為它有滑動摩擦。
加工工藝：除了這些結(jié)構(gòu)上的差別以后外，還面臨加工成本差別。從加工角度來說，雙螺桿的加工精度要求很高，尤其是水潤滑加工要求更高，因為水的潤滑性和密封性比油要差；一對雙螺桿轉(zhuǎn)子在整個工作過程中是滾動的，不會自磨合，也就是說初始狀態(tài)的缺陷會一直維持下去，并造成損壞。單螺桿在這方面相對就有優(yōu)勢了，常規(guī)的單螺桿壓縮機的結(jié)構(gòu)中，螺桿轉(zhuǎn)子是金屬材質(zhì)硬度高，星輪是用復合材料制作的硬度低，一個硬一個軟，表面又有滑動摩擦，在工作嚙合過程中有一個“自磨合”過程；也就是說單螺桿在工作一段時間以后，由于“自磨合”以后密封性能會提高，其效率會提高，但缺點是“自磨合”過后就變成磨損了。
成本控制：我們在上面講到，雙螺桿和單螺桿的差別不僅僅在于雙螺桿多一根轉(zhuǎn)子，而且精度要求非常高；因為如果有初始精度生產(chǎn)問題，那這臺壓縮機就會一直存在缺陷。但是單螺桿壓縮機的螺桿轉(zhuǎn)子由于會與星輪磨合，所以加工精度要求不是特別高，成品合格率會高一點。
所以20多年前回轉(zhuǎn)容積式壓縮機開始流行初期，由于加工設(shè)備不成熟和工藝不完善，加工要求低的噴油單螺桿幾乎占到螺桿壓縮機市場份額的20%-25%，結(jié)構(gòu)簡單的噴油滑片大概占5%左右。隨著螺桿轉(zhuǎn)子加工設(shè)備的成熟，尤其是“螺桿轉(zhuǎn)子磨床”的出現(xiàn)，雙螺桿轉(zhuǎn)子加工精度大幅度提升、質(zhì)量大幅度提高，雙螺桿壓縮機的能效優(yōu)勢、可靠性高和穩(wěn)定壽命長等特征得以充分體現(xiàn)。今天在噴油回轉(zhuǎn)容積式壓縮機中，噴油雙螺桿壓縮機占98%以上，其它噴油單螺桿和噴油滑片占比非常小。
雙螺桿、單螺桿和滑片在能效、穩(wěn)定性、可靠性和壽命等方面的差別，在噴油螺桿時代都已經(jīng)表現(xiàn)出來了。這些差異在噴水時代更加明顯，因為水的潤滑和密封作用要比油差很多。這就是歐美日等跨國公司已經(jīng)全面進入了無油水潤滑雙螺桿時代的原因。
三、國內(nèi)外水潤滑雙螺桿壓縮機動向
阿特拉斯·科普柯無錫工廠2023年上半年已經(jīng)完成了“AQ水潤滑螺桿壓縮機”的國產(chǎn)化，整機配置非常高，能效較同功率ZT更高；阿特拉斯·科普柯上海貿(mào)易公司在9月份發(fā)布了國產(chǎn)化的AQ產(chǎn)品。在發(fā)布國產(chǎn)化AQ15-55之前年銷售約200臺，約占無油旋齒ZT15-45（已經(jīng)國產(chǎn)化）的一半；隨著國產(chǎn)化AQ水潤滑無油螺桿的發(fā)布，期待AQ水潤滑銷量有明顯增加。比利時JustAir已經(jīng)于12月在國內(nèi)發(fā)布水潤滑雙螺桿無油壓縮機。據(jù)透露，德國BOGE也準備在國內(nèi)發(fā)布水潤滑雙螺桿無油壓縮機。
國內(nèi)方面，葆德2023年新發(fā)布了22kW水潤滑雙螺桿風冷變頻壓縮機，在7barG時整機比功率達到7.5。這個產(chǎn)品的投放補齊了公司7.5-55W的產(chǎn)品線。上海“托艾”推出15～75kW水潤滑雙螺桿，其中37kW“風冷變頻”在7barG時整機比功率為6.6，并且機器“上下兩層”設(shè)計非常有特色。上海德耐爾也測試了45kW水潤滑雙螺桿，在7barG時“風冷變頻”整機比功率達6.8。
四、各家無油水潤滑雙螺桿壓縮機結(jié)構(gòu)綜述
1.各品牌結(jié)構(gòu)差異
現(xiàn)在水潤滑雙螺桿在市面上開始活躍起來，但各家的結(jié)構(gòu)還是有一些差異。主要有兩類結(jié)構(gòu)，一類是水潤滑轉(zhuǎn)子結(jié)合水潤軸承，另一類是水潤滑轉(zhuǎn)子結(jié)合滾動軸承。
還有一些從干螺桿結(jié)構(gòu)演變的“噴水冷卻”無油壓縮機，有同步齒輪和潤滑系統(tǒng)；面臨潤滑系統(tǒng)防水、螺桿轉(zhuǎn)子防銹等方面的挑戰(zhàn)，目前沒有成為主流。
2.水潤滑無油壓縮機的挑戰(zhàn)和機遇
水潤滑無油壓縮機的原理特征就是水替代油起到潤滑、密封和冷卻的作用。
水潤滑無油壓縮機的主要挑戰(zhàn)：（1）水的密封性不如油；（2）潤滑作用也遠不如油；（3）水會引起生銹。
作為壓縮輔助介質(zhì)水比油的優(yōu)勢：（1）水的冷卻效果比油好，所以壓縮過程更接近于等溫壓縮，等溫壓縮是最節(jié)能的壓縮過程；（2）水的分離效果比油好，所以它的汽水分離器沒有分離（濾）芯這樣一個阻力元件，不僅不需要花費“分離芯”更換成本，而且還免除了“分離芯”的壓力損失遞增造成的額外功率消耗；（3）“純水”遠比“壓縮機油”便宜、環(huán)保且容易獲得。
既然知道了水替代油的挑戰(zhàn)和優(yōu)勢，那么我們在設(shè)計機器的時候就要做選擇：
首先，水潤滑無油壓縮機的機械結(jié)構(gòu)選擇：嚙合副要磨損小。由于水的潤滑性能沒有油好，磨損要小那就要用滾動摩擦替代滑動摩擦，因為滾動摩擦的磨損小。即使有滑動摩擦，那么滑動速度盡量要低，還要避免往復運動，因為往復運動不容易形成連續(xù)穩(wěn)定的水膜。
其次，水潤滑無油壓縮機的密封形式選擇：密封線連續(xù)且短。因為水的密封性比油要差，從潤滑角度講，在雙螺桿、單螺桿和滑片這三種結(jié)構(gòu)中，雙螺桿結(jié)構(gòu)是磨損最小的，密封線連續(xù)而且又短，減少內(nèi)泄漏。綜合上述原因，這就是為什么跨國公司都走向了水潤滑雙螺桿這個方向。
第三，水潤滑無油壓縮機的材料選擇：因為水會引起生銹，所以殼體選擇青銅或者不銹鋼，軸是不銹鋼的，轉(zhuǎn)子、星輪或滑片選擇PEEK或樹脂類復合材料制造。
五、水潤滑無油雙螺桿壓縮機優(yōu)勢
1.水潤滑雙螺桿無油壓縮機的節(jié)能特征明顯
水潤滑雙螺桿壓縮機不僅是個“無油”產(chǎn)品，而且是個“節(jié)能”產(chǎn)品。下圖是一張目前的水潤滑雙螺桿壓縮機全功率段型譜表，可以看到，從1800轉(zhuǎn)到3600轉(zhuǎn)能效非常平穩(wěn)。
筆者見證了諸多能效實測情況，比如37kW 7barG，“風冷變頻”整機比功率6.6；45kW 7barG，“風冷變頻”整機比功率6.8；22kW 7barG，“風冷變頻”整機比功率7.5。
2.水潤滑雙螺桿無油壓縮機的節(jié)能持續(xù)穩(wěn)定
水潤滑雙螺桿無油壓縮機不僅節(jié)能，而且持續(xù)穩(wěn)定，因為它沒有磨損，排氣量不會下降，比功率也不會下降，所以它又是當下流行的“節(jié)能改造”產(chǎn)品。
3.水潤滑雙螺桿無油壓縮機環(huán)境適應性強
水潤滑雙螺桿無油壓縮機不怕高溫、不怕濕，這兩個都是干式無油螺桿壓縮機比較忌諱的地方。另外震動小、噪音低、機組溫度低，水潤滑無油螺桿壓縮機運行溫度基本上都在50～60℃，噪音都在70dB(A)左右。
六、無油壓縮機技術(shù)的選用
2023年初，筆者與曾供職阿特拉斯·科普柯30多年的Chris Lybaert先生討論過無油技術(shù)問題。一個共識是，噴油潤滑壓縮時代相對簡單，從5kW到500kW，噴油螺桿一級壓縮和兩級壓縮，低壓、中壓都可以。但是無油壓縮就比較復雜，下圖中水平坐標代表流量flow，垂直坐標代表比功率SER。就常用的工廠動力用壓縮機（排氣壓力5～10barG）的能效而言，大型壓縮機是三級離心的優(yōu)勢明顯，中、大型無油壓縮機是兩級干式螺桿的優(yōu)勢明顯，小一點的無油壓縮機是兩級旋齒的優(yōu)勢明顯。新出現(xiàn)的水潤滑無油雙螺桿壓縮機，在中、小型范圍內(nèi)效率遠遠優(yōu)于干式無油螺桿和旋齒壓縮機。
這是因為干螺桿無油壓縮機比較適合的轉(zhuǎn)子齒頂圓速度為80～120m/s，但是小型的干式無油螺桿轉(zhuǎn)子直徑就小了，即使轉(zhuǎn)速很高也很難達到這個齒頂圓速度。大型的干式無油螺桿轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一般在8000rpm左右，小型的干式無油螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速多為12000～13000rpm，但是這時陽轉(zhuǎn)子的齒頂圓速度遠遠達不到每秒80m/s。再加上螺桿“相對”間隙的影響，小型干螺桿的能效明顯變差，尤其是75kW以下急劇變差。
另有一種解決辦法可以把氣量做小并且轉(zhuǎn)子直徑不會太小，就是把轉(zhuǎn)子做的短一點，這就是旋齒，如下圖右圖。旋齒壓縮機由于直徑大，所以能效在小功率的時候比干式無油螺桿壓縮機會好一點。但是旋齒壓縮機也有一個缺點，由于旋齒結(jié)構(gòu)的“齒體長度”非常短而且是直線，當涂層剝落后，排氣量和能效衰減比干螺桿明顯。
水潤滑雙螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子齒頂圓速度為15～30m/s，非常適合小功率螺桿壓縮機，在37/45kW時整機比功率比干螺桿高15%以上。
七、水潤滑無油雙螺桿壓縮機展望
現(xiàn)在市場上15～500kW的無油壓縮機產(chǎn)品主要是干式螺桿無油壓縮機（包括旋齒），國內(nèi)市場小功率段有些水潤滑單螺桿壓縮機。
阿特拉斯·科普柯的AQ系列水潤滑無油雙螺桿完成了國產(chǎn)化，并與無錫生產(chǎn)的ZT干螺桿價格相當；但是AQ的能效更好、性能更穩(wěn)定、維護費用也更低，也就是說“AQ提供更高的性價比”進入這一傳統(tǒng)干螺桿和旋齒的市場。在國外銷售的干式無油螺桿壓縮機和水潤滑雙螺桿機是同樣的價格，那么在中國可能也會是同樣的情況。另據(jù)公布的信息，比利時Just Air的水潤滑雙螺桿無油壓縮機也會在同一價位參與競爭，提供更高的“性價比”。
水潤滑單螺桿，由于制造簡單、成本低和無油壓縮的特點，是一款很好的“無油入門產(chǎn)品”為用戶提供“無油壓縮空氣”。成本低是優(yōu)勢，雖然伴隨著排氣量下降明顯、能耗上升劇烈，使用一段時間后穩(wěn)定性下降等不足，但價格僅為干螺桿的一半。
水潤滑雙螺桿壓縮機的制造成本確實很高，但是技術(shù)優(yōu)勢也很大，所以水潤滑雙螺桿和干式無油螺桿/旋齒會在同價位競爭。水潤滑單螺桿現(xiàn)在會占據(jù)“低價位”無油市場，將來可能會重現(xiàn)“噴油單螺桿”景象。
水潤滑雙螺桿壓縮機不僅是一個無油產(chǎn)品，而且還是一個節(jié)能產(chǎn)品，并且是一個持續(xù)節(jié)能（性能穩(wěn)定）產(chǎn)品，所以水潤滑雙螺桿壓縮機制造廠家，非常關(guān)注節(jié)能。從目前的技術(shù)來看，水潤滑雙螺桿整機比功率和干式無油螺桿約在“132kW功率段”比功率差不多。但是干式無油螺桿還有兩個好助手，一個叫壓縮熱干燥機，一個余熱回收。水潤滑雙螺桿雖然能效高、使用穩(wěn)定，但是它的運行溫度太低了，一般是50～60℃的運行溫度，所以既不能用余熱回收，也不能用壓縮熱吸干機。
如果單從無油角度上來說，水潤滑雙螺桿壓縮機可以做得更大。水潤滑雙螺桿壓縮機作為“新技術(shù)、新產(chǎn)品”進入無油壓縮機競爭領(lǐng)域，會把最具有競爭力一面展現(xiàn)給市場和用戶。所以，水潤滑雙螺桿壓縮機會在15～110kW范圍和干式無油螺桿（包括旋齒）激烈競爭，充分展現(xiàn)“無油、節(jié)能、穩(wěn)定、可靠、維護費用低”等特點。第二步，水潤滑雙螺桿壓縮機會進入“中壓無油壓縮空氣”領(lǐng)域，比如PET吹瓶壓縮機等等。
八、關(guān)于水潤滑螺桿壓縮機的三個常見疑問
1.水潤滑螺桿壓縮機壓縮空氣含水量高？
答案是不會。因為所有壓縮機的壓縮空氣排出前都有汽水分離器，壓縮空氣的絕對含水量和排氣溫度有關(guān)，相對含水量和分離效果有關(guān)。同樣的壓縮空氣排氣溫度，由于水潤滑壓縮機的汽水分離器體積大、設(shè)計考究，所以水潤滑壓縮空氣相對含水量還比其它壓縮機要低。
2.水潤滑螺桿壓縮機冬天要結(jié)冰？
這不是水潤滑壓縮機獨有的問題，所有的壓縮機產(chǎn)品說明書上都要求使用溫度在0℃（或2℃）到40℃。因為所有的壓縮機都面臨同樣的問題，也就是說在啟動前一定要讓溫度保持在0℃以上，各個控制閥門、傳感器、手閥等都不能有“冰堵”現(xiàn)象，尤其是安全閥。實際上，在北方都沒問題，因為北方的壓縮機廠房都有暖氣；南方也沒問題，因為不會結(jié)冰。最糟糕的是在不冷不熱的地方，壓縮機站房沒有暖氣，但是冬天有可能會到0℃以下；這個時候如果過年放假，任何壓縮機都要把水放干凈；春節(jié)過后來啟動一定要看環(huán)境溫度，高于0℃才能啟動壓縮機，否則壓縮機閥門要凍住，或者選用“低溫機組”。
3.水潤滑螺桿壓縮機壓縮空氣含細菌？
水潤滑螺桿壓縮機和其它類型的壓縮機相比，沒有質(zhì)的差別。
雖然理論上講細菌在20～45℃時候最容易生長，但是活動的水是不易細菌生長的，這就是所謂的“流水不腐”；空氣中的水分進入壓縮機形成冷凝水、稀釋壓縮機循環(huán)水，并且PLC設(shè)定了自動換水功能，都保證了循環(huán)水的清潔和新鮮。
另外，干螺桿的螺桿排氣溫度約為180℃多、噴油螺桿的約為80℃多，這樣的溫度確實能夠殺菌；但是空氣從螺桿入口到排氣口以毫秒來計算，在這樣短的時間里，這個溫度殺菌作用極其有限。水潤滑的工作溫度雖然比較低，但用的是活水，所以細菌含量和其它類型壓縮機相比并沒有什么大差別。
在實際中，水潤滑螺桿壓縮機廣泛應用在食品、醫(yī)藥行業(yè)。德爾格Drager是德國一家著名的醫(yī)療器械廠家，它為醫(yī)院提供的氣源房用的就是德國AquaAir水潤滑壓縮機。
作者簡介
葉春，西安交通大學學士、上海交通大學碩士、比利時國際管理學院碩士學歷。曾任奧地利阿拉瑪發(fā)CEO、美國壽力亞洲總裁、阿特拉斯·科普柯中國/香港公司無油事業(yè)部副總裁、比利時阿特拉斯·科普柯空氣動力總部產(chǎn)品經(jīng)理、上海英格索蘭壓縮機有限公司工程師以及葆德集團董事長顧問。
來源：本站原創(chuàng)
網(wǎng)友評論
條評論
最新評論