国内外水润滑无油螺杆压缩机现状及展望
无油压缩空气应用越来越广泛，除了传统的应用行业，诸如食品、医药、电子、芯片、喷涂、空分、仪用控制外，近期在诸如LCD面板、锂电池、太阳能、医用设备等新兴行业也快速发展。随着ISO8573-1“0级无油”标准的深化，催生了无油压缩技术的蓬勃发展，如干式无油螺杆引入变频技术，螺杆转子“锥形”设计，小型干式旋齿技术，无油涡旋技术，离心机小型化、高速化。更有很多新技术被引入，其中有两个比较热门的话题，一个是磁悬浮小型高速离心式压缩机，第二个就是水润滑无油压缩机。磁悬浮离心压缩机是用高速电机来直接带动叶轮，替代了齿轮箱；变频调节替代了进口导叶；磁悬浮轴承替代了滑动轴承和润滑系统等等。
现在各行各业使用最广的是喷油螺杆压缩机，由于润滑油喷入压缩腔起着润滑、密封和冷却作用，使得压缩过程简单又可靠，但是产生的压缩空气含油。如果用水替代油喷入压缩腔起到润滑、密封和冷却作用的话，可以实现“无油压缩”，产生的压缩空气就不含油，获得可靠的“0级无油”压缩空气。
从理论上讲能够实现水润滑无油压缩的结构有三种，第一种是水润滑滑片压缩机、第二种是水润滑单螺杆、第三种是水润滑双螺杆。
1.国内水润滑无油压缩机
上述三种形式的压缩机都不新奇，20年前都广泛应用于回转容积式压缩机行业，当时喷油双螺杆约占市场60～70%，喷油单螺杆约占市场25%，喷油滑片约占市场5%。国内第一次触及水润滑无油压缩机大约是1998年，当时复盛公司引进了日本三井的水润滑单螺杆主机，生产喷水单螺杆压缩机。国内多家企业在2012年前后，先后开发并生产“水润滑单螺杆”主机及无油压缩机，而这些厂家基本上都和喷油单螺杆有渊源。
目前，水润滑无油产品样本虽然覆盖到了250kW，但是市场上销售比较多的还是在15～55kW。目前市场上，主要的水润滑无油压缩机品牌有三井、佳力士、辛麦恩（杰能）、神龙（格兰克林）、奥夫科、索贝克、正力精工、复盛、英诺伟特、汉诺斯等，2022年整体销量大约为2000台。
2.国外水润滑无油压缩机
阿特拉斯·科普柯2004年就在欧洲发布了无油水润滑双螺杆压缩机，国内2012年推向市场，两款主机功率覆盖了15-55kW，工作压力从4-12.75barG，排气量从1.29-9.31m3/min。
美国寿力公司的水润滑双螺杆压缩机是2012年推向市场的，它有三款主机，覆盖了15-75kW，排气压力从5.5-9.5barG。日本IHI也有类似的产品。
德国压缩机公司AquaAir，它的水润滑双螺杆产品大约在2013年进入中国市场。这是一家专门做水润滑的企业，主要的成就是引入水润滑“PEEK螺杆转子”，有四款主机覆盖了4-110kW的功率范围。国内很多厂家在水润滑双螺杆方面的尝试，都可以看到AquaAir的身影。
二、无油水润滑双螺杆与单螺杆比较
可以发现，国内以水润滑单螺杆为主，国外差不多同期已经进入水润滑双螺杆时代。我们从技术上来比较一下两者各自的特点。
螺杆啮合：双螺杆的啮合相当于一对斜齿轮，我们知道高精度斜齿轮的机械传动效率基本都在99%；单螺杆的机械啮合相当于涡轮-蜗杆，它的机械效率一般最高就是95%。这是机械效率上的差异。
受力变形：螺杆压缩机压缩产生压缩空气，主机运转部件要承受载荷力。双螺杆压缩机的螺杆转子受力是不平衡的，一般是从一侧一端进气且从另一侧一端排气，所以两个螺杆转子要承受径向力和轴向力；但是螺杆转子的刚性在这样的受力情况下是不会发生变形的，设计轴承载荷时应充分考虑这些径向力和轴向力，使主机可靠性耐久性都有保证。单螺杆主机的中间是一个单螺杆，左右是两个星轮，一正一反安装；所以单螺杆转子在工作过程中受力是平衡的，没有额外的轴向力；但是星轮受力是不平衡的，星轮和螺杆接触的一侧受力，不接触的这部分不受力，而且星轮的刚性小，所以它会发生扭曲变形。
密封线：容积式压缩机除了机械啮合以外，不得不关注的就是密封问题。双螺杆压缩机靠阴阳转子啮合的密封线呈螺旋状，是一根连续的曲线。单螺杆压缩机密封靠螺杆和星轮之间的啮合，从表格上方图中可以看到，螺杆和星轮之间的啮合线是一条折线，这条折线是不连续的；从机械加工角度来说，拐角处的加工非常难保证。
磨损：如果单螺杆和双螺杆都是3000转的时候，由于双螺杆阴阳转子是向同一个方向转，所以阴阳转子之间相对滑动速度几乎是零，接触形式是滚动为主而不是滑动。单螺杆压缩机的星轮和螺杆呈90°垂直安装，星轮和螺杆之间的接触是滑动，而且这个滑动速度就是螺杆转子顶部的线速度（还要高一些）。这就是为什么涡轮涡杆传动效率低的原因，因为它有滑动摩擦。
加工工艺：除了这些结构上的差别以后外，还面临加工成本差别。从加工角度来说，双螺杆的加工精度要求很高，尤其是水润滑加工要求更高，因为水的润滑性和密封性比油要差；一对双螺杆转子在整个工作过程中是滚动的，不会自磨合，也就是说初始状态的缺陷会一直维持下去，并造成损坏。单螺杆在这方面相对就有优势了，常规的单螺杆压缩机的结构中，螺杆转子是金属材质硬度高，星轮是用复合材料制作的硬度低，一个硬一个软，表面又有滑动摩擦，在工作啮合过程中有一个“自磨合”过程；也就是说单螺杆在工作一段时间以后，由于“自磨合”以后密封性能会提高，其效率会提高，但缺点是“自磨合”过后就变成磨损了。
成本控制：我们在上面讲到，双螺杆和单螺杆的差别不仅仅在于双螺杆多一根转子，而且精度要求非常高；因为如果有初始精度生产问题，那这台压缩机就会一直存在缺陷。但是单螺杆压缩机的螺杆转子由于会与星轮磨合，所以加工精度要求不是特别高，成品合格率会高一点。
所以20多年前回转容积式压缩机开始流行初期，由于加工设备不成熟和工艺不完善，加工要求低的喷油单螺杆几乎占到螺杆压缩机市场份额的20%-25%，结构简单的喷油滑片大概占5%左右。随着螺杆转子加工设备的成熟，尤其是“螺杆转子磨床”的出现，双螺杆转子加工精度大幅度提升、质量大幅度提高，双螺杆压缩机的能效优势、可靠性高和稳定寿命长等特征得以充分体现。今天在喷油回转容积式压缩机中，喷油双螺杆压缩机占98%以上，其它喷油单螺杆和喷油滑片占比非常小。
双螺杆、单螺杆和滑片在能效、稳定性、可靠性和寿命等方面的差别，在喷油螺杆时代都已经表现出来了。这些差异在喷水时代更加明显，因为水的润滑和密封作用要比油差很多。这就是欧美日等跨国公司已经全面进入了无油水润滑双螺杆时代的原因。
三、国内外水润滑双螺杆压缩机动向
阿特拉斯·科普柯无锡工厂2023年上半年已经完成了“AQ水润滑螺杆压缩机”的国产化，整机配置非常高，能效较同功率ZT更高；阿特拉斯·科普柯上海贸易公司在9月份发布了国产化的AQ产品。在发布国产化AQ15-55之前年销售约200台，约占无油旋齿ZT15-45（已经国产化）的一半；随着国产化AQ水润滑无油螺杆的发布，期待AQ水润滑销量有明显增加。比利时JustAir已经于12月在国内发布水润滑双螺杆无油压缩机。据透露，德国BOGE也准备在国内发布水润滑双螺杆无油压缩机。
国内方面，葆德2023年新发布了22kW水润滑双螺杆风冷变频压缩机，在7barG时整机比功率达到7.5。这个产品的投放补齐了公司7.5-55W的产品线。上海“托艾”推出15～75kW水润滑双螺杆，其中37kW“风冷变频”在7barG时整机比功率为6.6，并且机器“上下两层”设计非常有特色。上海德耐尔也测试了45kW水润滑双螺杆，在7barG时“风冷变频”整机比功率达6.8。
四、各家无油水润滑双螺杆压缩机结构综述
1.各品牌结构差异
现在水润滑双螺杆在市面上开始活跃起来，但各家的结构还是有一些差异。主要有两类结构，一类是水润滑转子结合水润轴承，另一类是水润滑转子结合滚动轴承。
还有一些从干螺杆结构演变的“喷水冷却”无油压缩机，有同步齿轮和润滑系统；面临润滑系统防水、螺杆转子防锈等方面的挑战，目前没有成为主流。
2.水润滑无油压缩机的挑战和机遇
水润滑无油压缩机的原理特征就是水替代油起到润滑、密封和冷却的作用。
水润滑无油压缩机的主要挑战：（1）水的密封性不如油；（2）润滑作用也远不如油；（3）水会引起生锈。
作为压缩辅助介质水比油的优势：（1）水的冷却效果比油好，所以压缩过程更接近于等温压缩，等温压缩是最节能的压缩过程；（2）水的分离效果比油好，所以它的汽水分离器没有分离（滤）芯这样一个阻力元件，不仅不需要花费“分离芯”更换成本，而且还免除了“分离芯”的压力损失递增造成的额外功率消耗；（3）“纯水”远比“压缩机油”便宜、环保且容易获得。
既然知道了水替代油的挑战和优势，那么我们在设计机器的时候就要做选择：
首先，水润滑无油压缩机的机械结构选择：啮合副要磨损小。由于水的润滑性能没有油好，磨损要小那就要用滚动摩擦替代滑动摩擦，因为滚动摩擦的磨损小。即使有滑动摩擦，那么滑动速度尽量要低，还要避免往复运动，因为往复运动不容易形成连续稳定的水膜。
其次，水润滑无油压缩机的密封形式选择：密封线连续且短。因为水的密封性比油要差，从润滑角度讲，在双螺杆、单螺杆和滑片这三种结构中，双螺杆结构是磨损最小的，密封线连续而且又短，减少内泄漏。综合上述原因，这就是为什么跨国公司都走向了水润滑双螺杆这个方向。
第三，水润滑无油压缩机的材料选择：因为水会引起生锈，所以壳体选择青铜或者不锈钢，轴是不锈钢的，转子、星轮或滑片选择PEEK或树脂类复合材料制造。
五、水润滑无油双螺杆压缩机优势
1.水润滑双螺杆无油压缩机的节能特征明显
水润滑双螺杆压缩机不仅是个“无油”产品，而且是个“节能”产品。下图是一张目前的水润滑双螺杆压缩机全功率段型谱表，可以看到，从1800转到3600转能效非常平稳。
笔者见证了诸多能效实测情况，比如37kW 7barG，“风冷变频”整机比功率6.6；45kW 7barG，“风冷变频”整机比功率6.8；22kW 7barG，“风冷变频”整机比功率7.5。
2.水润滑双螺杆无油压缩机的节能持续稳定
水润滑双螺杆无油压缩机不仅节能，而且持续稳定，因为它没有磨损，排气量不会下降，比功率也不会下降，所以它又是当下流行的“节能改造”产品。
3.水润滑双螺杆无油压缩机环境适应性强
水润滑双螺杆无油压缩机不怕高温、不怕湿，这两个都是干式无油螺杆压缩机比较忌讳的地方。另外震动小、噪音低、机组温度低，水润滑无油螺杆压缩机运行温度基本上都在50～60℃，噪音都在70dB(A)左右。
六、无油压缩机技术的选用
2023年初，笔者与曾供职阿特拉斯·科普柯30多年的Chris Lybaert先生讨论过无油技术问题。一个共识是，喷油润滑压缩时代相对简单，从5kW到500kW，喷油螺杆一级压缩和两级压缩，低压、中压都可以。但是无油压缩就比较复杂，下图中水平坐标代表流量flow，垂直坐标代表比功率SER。就常用的工厂动力用压缩机（排气压力5～10barG）的能效而言，大型压缩机是三级离心的优势明显，中、大型无油压缩机是两级干式螺杆的优势明显，小一点的无油压缩机是两级旋齿的优势明显。新出现的水润滑无油双螺杆压缩机，在中、小型范围内效率远远优于干式无油螺杆和旋齿压缩机。
这是因为干螺杆无油压缩机比较适合的转子齿顶圆速度为80～120m/s，但是小型的干式无油螺杆转子直径就小了，即使转速很高也很难达到这个齿顶圆速度。大型的干式无油螺杆转子的转速一般在8000rpm左右，小型的干式无油螺杆转子转速多为12000～13000rpm，但是这时阳转子的齿顶圆速度远远达不到每秒80m/s。再加上螺杆“相对”间隙的影响，小型干螺杆的能效明显变差，尤其是75kW以下急剧变差。
另有一种解决办法可以把气量做小并且转子直径不会太小，就是把转子做的短一点，这就是旋齿，如下图右图。旋齿压缩机由于直径大，所以能效在小功率的时候比干式无油螺杆压缩机会好一点。但是旋齿压缩机也有一个缺点，由于旋齿结构的“齿体长度”非常短而且是直线，当涂层剥落后，排气量和能效衰减比干螺杆明显。
水润滑双螺杆压缩机转子齿顶圆速度为15～30m/s，非常适合小功率螺杆压缩机，在37/45kW时整机比功率比干螺杆高15%以上。
七、水润滑无油双螺杆压缩机展望
现在市场上15～500kW的无油压缩机产品主要是干式螺杆无油压缩机（包括旋齿），国内市场小功率段有些水润滑单螺杆压缩机。
阿特拉斯·科普柯的AQ系列水润滑无油双螺杆完成了国产化，并与无锡生产的ZT干螺杆价格相当；但是AQ的能效更好、性能更稳定、维护费用也更低，也就是说“AQ提供更高的性价比”进入这一传统干螺杆和旋齿的市场。在国外销售的干式无油螺杆压缩机和水润滑双螺杆机是同样的价格，那么在中国可能也会是同样的情况。另据公布的信息，比利时Just Air的水润滑双螺杆无油压缩机也会在同一价位参与竞争，提供更高的“性价比”。
水润滑单螺杆，由于制造简单、成本低和无油压缩的特点，是一款很好的“无油入门产品”为用户提供“无油压缩空气”。成本低是优势，虽然伴随着排气量下降明显、能耗上升剧烈，使用一段时间后稳定性下降等不足，但价格仅为干螺杆的一半。
水润滑双螺杆压缩机的制造成本确实很高，但是技术优势也很大，所以水润滑双螺杆和干式无油螺杆/旋齿会在同价位竞争。水润滑单螺杆现在会占据“低价位”无油市场，将来可能会重现“喷油单螺杆”景象。
水润滑双螺杆压缩机不仅是一个无油产品，而且还是一个节能产品，并且是一个持续节能（性能稳定）产品，所以水润滑双螺杆压缩机制造厂家，非常关注节能。从目前的技术来看，水润滑双螺杆整机比功率和干式无油螺杆约在“132kW功率段”比功率差不多。但是干式无油螺杆还有两个好助手，一个叫压缩热干燥机，一个余热回收。水润滑双螺杆虽然能效高、使用稳定，但是它的运行温度太低了，一般是50～60℃的运行温度，所以既不能用余热回收，也不能用压缩热吸干机。
如果单从无油角度上来说，水润滑双螺杆压缩机可以做得更大。水润滑双螺杆压缩机作为“新技术、新产品”进入无油压缩机竞争领域，会把最具有竞争力一面展现给市场和用户。所以，水润滑双螺杆压缩机会在15～110kW范围和干式无油螺杆（包括旋齿）激烈竞争，充分展现“无油、节能、稳定、可靠、维护费用低”等特点。第二步，水润滑双螺杆压缩机会进入“中压无油压缩空气”领域，比如PET吹瓶压缩机等等。
八、关于水润滑螺杆压缩机的三个常见疑问
1.水润滑螺杆压缩机压缩空气含水量高？
答案是不会。因为所有压缩机的压缩空气排出前都有汽水分离器，压缩空气的绝对含水量和排气温度有关，相对含水量和分离效果有关。同样的压缩空气排气温度，由于水润滑压缩机的汽水分离器体积大、设计考究，所以水润滑压缩空气相对含水量还比其它压缩机要低。
2.水润滑螺杆压缩机冬天要结冰？
这不是水润滑压缩机独有的问题，所有的压缩机产品说明书上都要求使用温度在0℃（或2℃）到40℃。因为所有的压缩机都面临同样的问题，也就是说在启动前一定要让温度保持在0℃以上，各个控制阀门、传感器、手阀等都不能有“冰堵”现象，尤其是安全阀。实际上，在北方都没问题，因为北方的压缩机厂房都有暖气；南方也没问题，因为不会结冰。最糟糕的是在不冷不热的地方，压缩机站房没有暖气，但是冬天有可能会到0℃以下；这个时候如果过年放假，任何压缩机都要把水放干净；春节过后来启动一定要看环境温度，高于0℃才能启动压缩机，否则压缩机阀门要冻住，或者选用“低温机组”。
3.水润滑螺杆压缩机压缩空气含细菌？
水润滑螺杆压缩机和其它类型的压缩机相比，没有质的差别。
虽然理论上讲细菌在20～45℃时候最容易生长，但是活动的水是不易细菌生长的，这就是所谓的“流水不腐”；空气中的水分进入压缩机形成冷凝水、稀释压缩机循环水，并且PLC设定了自动换水功能，都保证了循环水的清洁和新鲜。
另外，干螺杆的螺杆排气温度约为180℃多、喷油螺杆的约为80℃多，这样的温度确实能够杀菌；但是空气从螺杆入口到排气口以毫秒来计算，在这样短的时间里，这个温度杀菌作用极其有限。水润滑的工作温度虽然比较低，但用的是活水，所以细菌含量和其它类型压缩机相比并没有什么大差别。
在实际中，水润滑螺杆压缩机广泛应用在食品、医药行业。德尔格Drager是德国一家著名的医疗器械厂家，它为医院提供的气源房用的就是德国AquaAir水润滑压缩机。
作者简介
叶春，西安交通大学学士、上海交通大学硕士、比利时国际管理学院硕士学历。曾任奥地利阿拉玛发CEO、美国寿力亚洲总裁、阿特拉斯·科普柯中国/香港公司无油事业部副总裁、比利时阿特拉斯·科普柯空气动力总部产品经理、上海英格索兰压缩机有限公司工程师以及葆德集团董事长顾问。
以上为正文!
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