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草庐对话(二)

   【压缩机网】(接2019年4月刊《草庐对话(一)》)
 
  3. 压缩机设计标的与其具体途径
  G君:压缩机客户的个性化需求,是制造压缩机之标的,当然也是压缩机设计标的。压缩机设计过程中所采纳的具体途径,是为达到制造标的、设计标的这样的目标,而优选的手段。
  J君:是啊!目标和手段不可混淆,更不能把手段视同目标。这在逻辑关系上,原本是很清楚、很清楚的事呀。不幸的是,数十年来,在压缩机设计实践过程中,却不时出现目标和手段混淆,甚至把手段推崇为目标的不正常状态。着实令人心痛!
  G君:正本清源,明确逻辑关系,纠正压缩机设计中的此种被扭曲的怪胎,真是太有必要了!
  J君:压缩机设计标的,绝非以最高标准为最佳,而是以贴切地符合客户实际需要为根本。
  G君:“符合性”才是最佳境界,才是客户的根本要求。如若盲目追求“最高标准”,势必导致资源浪费、制造成本过高等等,这些是非客户所需的意外伤害。
  J君:压缩机设计标的大致涵盖范畴若何?
  G君:以予一管之见,压缩机的流量、压力、安全性、可靠性、能耗、振动、噪声、排气温度、寿命等性能参数,皆属设计标的范畴。有的客户还会对主机/机组外形尺寸、主机/机组质量(重量)有限制,甚至达到苛求的程度。不可否认,客户的“苛求”一般皆非空穴来风,而是受制于运行场所的具体条件。譬如,舰艇用、科考勘测船用压缩机,其外形尺寸、质量要求,往往难倒不少压缩机专业制造企业。其对压缩机的纵倾、横倾运行要求,又是陆用压缩机不予考虑的。舰船用压缩机所在机舱的环境温度之高,也远非陆用压缩机可比拟。
  J君:您刚才说到了舰船用压缩机,使我不由自主地回想起了H总工程师在二十年前对我讲的他的切身感受。H总任职于扬子江畔压缩机主力制造企业,在观察分析了中欧舰用中欧产压缩机后,H总感叹曰:这台压缩机的设计,连一根管子都无法改动。
  G君:噢,这台压缩机乃世界压缩机名企所产。之所以连一根管子都无法改动,既证实了其设计细致入微,也说明了舰船用压缩机雄踞压缩机技术高端的地位。当然,该名企地处重要军港,对舰用压缩机的了解太深刻了。
  J君:当下,完全可以毫不含糊地说,国产舰船用压缩机,业已达到毫不含糊的水准,位居世界舰船用压缩机技术第一梯队。
  G君:和压缩机设计紧密关联的诸结构参数,如转速、行程、气缸直径、转子直径、转子型线(齿形)、叶轮直径、叶片前倾或后倾或扭曲三维、压缩级数与段数、冷却方式等,及其导出参数——活塞平均速度、高速性系数、转子圆周速度、叶轮圆周速度等,都是为实现压缩机标的之设计途径,是手段、方法,而绝非终极目标。
  J君:这就是合乎逻辑的,目标和手段、方法的关系啊!
  G君:远逾百年无数台压缩机的运行实际,都雄辩地证明了这一点,即根据压缩机的导出参数——诸如活塞平均速度、转子圆周速度、叶轮圆周速度,基本可以预判压缩机性能(如能耗)之优劣。
  J君:这确实可以称得起是铁律呀!
  G君:平衡点优选恰当的相关结构参数,往往可使压缩机获取多方面的优异表现。例如往复活塞式压缩机转速适当高、行程适当短,从而使活塞平均速度不甚高时,则可兼收节能、形小、量轻、节材和高可靠性等综合效益。这对客户和压缩机专业制造企业,就是双赢效果。
  J君:偏执地狂热鼓吹压缩机转速高达X r/min、活塞平均速度高达X m/S、转子或叶轮圆周速度高达XX m/S才是先进压缩机的论调,虽然早已沦为历史笑柄,但其余毒犹在,盖因压缩机基础理论的普及与深入远远不够也!
  G君:在运行可靠性日益深入人心的当下,和鼓噪“高、高、高”参数相反,不时有鼓吹“低、低、低”参数者。其意在宣扬己方的低转速压缩机运行如何可靠,怎样节能,又怎样先进。
  J君:此种以商业利益为出发点的炒作,所亏欠的是科学精神,不妨另题切磋之。
 
  4. 压缩机的转速与运行可靠性的关系
  J君:实事求是地说,设计合理、制造靠谱的压缩机,它的运行是可靠的,且不论其转速的具体值为若干。这样的实例真是太多了。
  G君:转速值的平方和惯性力成正比,转速值还和压缩机的工作循环次数成正比。故而人们把压缩机的转速和可靠性紧紧地关联在一起,不足为怪。
  J君:转速低的压缩机,其可靠性就高吗?不一定。当其设计、制造不正确时,可靠性无从谈起。
  G君:是啊!的确不能单纯以压缩机转速的高低来判断其运行可靠性。譬如,只要是设计、制造精良的透平压缩机,在每分钟逾数万转的高转速下运行,依然轻松、平稳、可靠,被许多单系列工艺流程或装置所欣然接纳。
  J君:转速莫名降低难道是压缩机技术进步之举吗?原材料消耗增大,加工工时增加,压缩机重量、外形变大,都尽在不言中。而能耗降低吗,可靠性提高吗,却是未知数。
  G君:所以啊,务应客观地看待和择定转速这一重要结构参数。不能以自我的市场、商业利益,把转速这项参数扭曲了,却套上莫须有的桂冠,忽悠那些不可能对压缩机有深入了解的客户。
 
  5. 压缩机技术发展进程中,经典力学之导引力
  G君:压缩机技术的最重要基础支柱之一,就是经典力学。不可否认的是,经典力学之导引力,极其深刻地促进了压缩机技术的进步。这些进步,有时是跨越式的,有时甚至可以毫不夸张地说是跳跃式的。
  J君:确实如此。就拿回转式压缩机中的滚动活塞压缩机来说,其工作原理早在十九世纪就业已问世,当二十世纪六、七十年代机械加工的精密性大幅提升之后,其工作腔气密性大为改善,又因结构简单、制造成本低而在小型制冷压缩机领域独领风骚。但从技术角度看,滚动活塞压缩机的辉煌期却是在二十世纪九十年代甚为活跃的双滚动活塞压缩机。它的两个活塞体相位差是180°,恰好将旋转惯性力完全平衡,消除了最主要的机械振动源。毕竟此二活塞体是在同一根主轴上的紧邻位置啊!诚然,甚小的旋转惯性力矩还是存在的。
  G君:就往复活塞式压缩机而言,经典力学的影响力更是压倒性的。
  J君:是啊!且不说最初的单列、立式,单列、卧式之往复活塞式压缩机,也不言单重(单曲拐)、双重角度式往复活塞压缩机中V型、W型、L型、扇型,仅就两列、多列卧式往复活塞压缩机而言,经典力学的影响有目共睹。在消减往复及旋转惯性力与力矩的机理和实际效果方面,经典力学既是指路明灯也是定海神针。
  G君:卧式压缩机由单列到多列,由传动部件位于曲轴同侧到位于曲轴两侧这些变革中,先后涌现了“刺刀式”、“对置式”、“奇数列”与“偶数列”的对称平衡型等等这些均属卧式压缩机定义范畴的结构型式。在构成为相同性能参数压缩机时,其外形之减小、重量(质量)之减轻、振动的消减,皆甚为显著。
  J君:在全球普遍采用对称平衡型为大型工艺压缩机主导结构型式之后,为寻求更完美的惯性力平衡效果,“完全对称平衡型”终于脱颖而出。
  “完全对称平衡型”的相对两列,其气缸中心线虽然也是水平卧置,但其两列气缸中心线及传动部件的中心线却是重合的,尽管结构复杂、零件增多、制造成本升高,得到的则是惯性力、惯性力矩综合平衡效果几臻完美。在现实生产实际中,此类“完全对称平衡型”压缩机,其跨越的范畴甚为宽泛,从约45kN活塞力直到约630kN,可满足绝大多数工艺用压缩机性能参数之需求,而其转速高达1490r/min却运行平稳。
  G君:不比不知道,一比吓一跳。经典力学的指导意义和产生的实际效果,实在喜人、惊人!
 
  6. 压缩气体无油化与材质变革对压缩机技术的深刻影响
  G君:压缩空气及其它气体的根本目的,是提供符合要求压力(压强)的空气及其它气体。至于压缩气体中含有润滑油油雾,实在是很无奈的事。除去动力式压缩机(含透平式及喷射式压缩机),在容积式压缩机发展的初级阶段,其压缩容积部分产生相对运动摩擦的零件,皆为金属材质,不得已才注入起减磨作用的润滑油。而注入润滑油的方式,并非后来的压力润滑,而是飞溅式或者用油杯。当压缩机吸气时,油杯中的润滑油,依赖重力和吸气时产生的极小负压,呈滴状流入压缩容积空间。
  J君:很明显,压缩气体中含油,并非需求方之要求,而是不得已才接受的。压缩气体含油有着多方面的危害性。
  首先,具有燃爆危险性:一是压缩气体温度可能接近润滑油之闪点;二是压缩气体在管道内的流速所激发的静电效应,特别是当压缩气体中含有细微固体颗粒时。
  其次,当压缩气体中含有能稀释润滑油的成分时,易造成摩擦副不能获得正常润滑而非正常破损。
  第三,润滑不足或润滑过度,都会破坏压缩机的正常运行。
  G君:为实现压缩气体无油化,将压缩机排出的压缩气体净化是一个方面,而最根本的措施是研发气缸(压缩容积)无油润滑压缩机。仅就往复活塞压缩机而言,早在二十世纪三十年代中期,中欧国家就率先推出了迷宫活塞不接触气缸的迷宫式压缩机,以及用石墨活塞环接触并密封气缸的接触环式气缸无油润滑压缩机。及至二十世纪五、六十年代,随着“塑料王”——聚四氟乙烯的逐步降价(由等同黄金价下降)和工业性应用,填充若干减磨、骨架性材料的填充聚四氟乙烯,遂得以用作活塞环的材质。此后,碳纤维的问世,聚醚醚酮(PEEK)的采用,也都促进了气缸无油润滑压缩机技术的进步。在工作可靠性、耐磨性与长寿命(更换期)、气密性诸多方面,皆有长足提高。
  J君:材质变革不仅推动了气缸(压缩容积)无油润滑压缩机技术的发展,也影响了传动部件的革命,还深刻推动了气、填料的演化,以及回转式压缩机的压缩容积气密零件的改进,当然还包括透平式压缩机叶轮/转子强度的极大提升和气动性能的跨越。
  G君:是啊!42CrMoE之用于活塞杆,含Ti合金用于连杆、十字头;多种新颖工程塑料之用于气阀片、填料密封环;滑片式压缩机的滑片由合金铸铁变化为粉末冶金、酚醛夹布胶木、多种工程塑料;凡此种种,皆深刻彰显了材料变革促进压缩机技术进步的非凡魔力呀!
  J君:热切期盼新颖材质应用于压缩机,越早、越多越好!
  (全文完)

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