单级和两级旋转螺杆空气压缩机的优缺点
在当今的现代制造设施中，关键工厂人员面临着许多挑战。如何最大化生产？如何降低成本？什么样的改进能给我最大的回报？工厂经理必须不断地问自己的问题既常见又重要：“我的工厂是否以最高效率运行，我的‘每个小部件的成本’是否尽可能低？”
在电厂人员关心的许多“系统”中，压缩空气系统通常提供最大的改进机会和总体节约。有许多制造商和几种空气压缩机技术可供选择。往复式还是旋转式？定速还是变速？溢油还是无油？单级还是两级技术？这足以让任何人想逃跑和躲起来！
本文讨论了单级和两级旋转螺杆空气压缩机，以及每种技术的优缺点。两者都有各自的位置，两者之间有一些明显的区别。
旋转螺杆空气压缩机通常为工厂提供最大的改进和节约机会。
旋转螺杆压缩原理
旋转螺杆空气压缩的原理实际上与往复式（活塞）压缩没有什么不同。这两种机器都是容积式机器，每转一圈，在大气压力下吸入固定体积的空气，并减少体积，将压力增加到高于大气压力的某个值。
与在线性压缩过程中使用气缸和活塞布置的往复式空气压缩机不同，旋转螺杆空气压缩机使用一对包含在定子外壳（空气端）中的啮合螺钉（转子），一端有一个进气口，另一端有一个排气口。阳转子具有沿转子长度以螺旋（螺旋）模式切割的“波瓣”，阴转子具有沿转子长度以螺旋模式切割的匹配“凹槽”（凹槽）。外转子和内转子的公差非常小，并且在转动时相互啮合。当阳转子和阴转子的尖端在空气端的进气口侧聚集在一起时，有一个空的空间（体积），大气被吸入压缩室。
一旦阳转子和阴转子在进气口处“相遇”，吸入的空气量就会滞留在凸轮/凹槽和定子壳体之间。由于转子上的凸角/凹槽呈螺旋状，转子和定子壳体之间的空间逐渐减小，直到啮合转子暴露于排放口。在放电时，吸入的大气体积减小，从而根据波义耳定律产生更高的压力：体积和压力成反比。
基本计量单位
密封系统中的压缩空气是储存的能量，可通过允许空气膨胀回大气压力用于“工作”。正是压缩空气膨胀回到大气状态，将空气输送到管道中，为线性和旋转致动器提供动力，为自动化生产设备提供动力，以及其他大量有用的“工作”
当谈到压缩空气系统时，有三个基本的测量单位：流量、压力和功率。
- 流是体积率的度量单位，用cfm表示，表示立方英尺/分钟。请记住，“cfm”是一个通用描述，没有对环境条件和测量点的进一步定义，它实际上是一个无意义的数字。人们应该了解acfm、scfm和icfm之间的区别。在本讨论中，我们将使用通用描述cfm。
- 压力是力的度量单位，用磅/平方英寸表示，表示磅/平方英寸。这也是一个一般性的描述，没有进一步澄清你所说的压力是什么，psi实际上是一个毫无意义的数字。人们应该了解psia、PSIatm和psig之间的区别。在本讨论中，我们将使用通用描述psi。
- 权力是生产所需能量的量度单位x流速，在Y压力，以千瓦表示，表示千瓦。
从技术上讲，最终用户不需要为压缩空气付费，而是为产生所需流量和压力所需的能量（kW）付费。最终用户面临的挑战是确定以所需压力生产所需体积压缩空气的最有效方法。
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单级压缩与两级压缩
旋转螺杆压缩有两种基本类型：单级和两级。
单级旋转螺杆空气压缩机在单个定子壳体中包含一组转子，通常由电机轴、齿轮组或皮带轮装置直接驱动。两级旋转螺杆式空气压缩机包含两组同步转子，可安装在一个通用定子外壳（设计上/设计下）或两个串联螺栓连接在一起的单独定子外壳（端到端设计）中。
两级上/下风道设计的特点是顶部采用第一级压缩，压缩室之间采用级间冷却，底部采用第二级压缩。
超/欠设计通过注入润滑剂/冷却剂的“幕”利用“级间”冷却，从而提高整体效率。两级旋转螺杆空气压缩机通常为直接或齿轮驱动。单级旋转螺杆空气压缩机吸入大气并进行“工作”(x流速，在Y压力）在一个压缩过程中。两级旋转螺杆压缩机吸入大气，但在两个单独的压缩过程中“分担工作”，并在这两个过程之间对其进行冷却。
两者之间的差异不是最终结果，而是产生最终结果所需的能量。一个简单的类比：如果你被要求在一个水平停车场上把车从A点推到B点，你需要一定的能量。如果你有一个朋友帮你把车推到同样的距离，最终的结果是一样的，但是总的来说需要更少的能量，因为工作是由两个人来完成的，而不是一个人！
需要注意的是，每种应用都是独特的，给定尺寸和技术的所有旋转螺杆空气压缩机都具有相似但不同的性能特征（流量、压力、功耗）。本讨论的目的是演示单级压缩和两级压缩之间的差异，而不是基于实际应用。每件事都有利弊，空气压缩机也不例外。单级和两级旋转螺杆式空气压缩机在工业中都有其一席之地，工厂管理人员负责根据其独特的需求和要求做出正确的选择。最终用户应确保他们与具有设计正确系统资质的压缩空气专业人员合作。
单级空气压缩机的优缺点
单级旋转螺杆空气压缩机的初始成本低于两级空气压缩机，因此，如果您在有限的预算下工作，有大量可靠和高效的解决方案，可从各种制造商处随时获得。
单级旋转螺杆空气压缩机的制造功率范围广泛，通常为3到600马力（hp），这使其成为多个空气压缩机应用的通用解决方案，在轮班之间甚至在同一轮班期间具有不同的“需求曲线”。单级空气压缩机提供多种选择，如储罐安装、整体式干燥器、开放式或封闭式，以及微处理器（控制器）的选择。与两级一样，单级空气压缩机可采用多种控制方法。
所有单级空气压缩机都使用空气压缩机出口处的压力来控制机器的运行。加载/卸载控制允许空气压缩机在“功率曲线”上的两个最有效点运行，即满载（压缩空气）和卸载（运行但不压缩空气）。需要注意的是，“最高效”的空气压缩机是关闭的！通过适当的接收器存储容量，加载/卸载控制可以接近变速的效率水平。如果没有适当的储气罐储存，装载/卸载可能会对空气端轴承产生过度应力，并缩短其预期寿命。
调节控制通过来自排放口的气压信号“节流”进气阀，并允许空气压缩机在电厂需求变化时保持在负载状态，加载/卸载控制可能导致空气压缩机“快速循环”（在短快速循环中加载和卸载）。虽然调制可以通过减少或消除与加载/卸载相关的开/关推力负载来延长空气端的寿命，但效率非常低。变速驱动（VSD）技术感应排放压力并改变主电机的速度，从而提供所有控制方法中的最佳部分负载效率。单级旋转螺杆空气压缩机提供多种不同的传动装置供选择，包括皮带传动、直接传动和齿轮传动，使您能够灵活地根据特定的应用和维护能力选择正确的传动装置。
所示为单级和两级空气压缩机在功率曲线上任何特定点使用加载/卸载、调制和变速驱动控制方法时的效率差异。
尽管任何旋转螺杆式空气端的预期寿命取决于安装条件、执行的维护水平和应用本身，但单级空气端的预期寿命通常小于两级旋转螺杆式空气端的预期寿命…更多信息请稍后参考。无论您购买什么品牌，请确保制造商是压缩空气与气体研究所（CAGI）第三方性能验证计划的成员。CAGI使用第三方验证来证实制造商关于性能（压力下的流量和能耗）的声明。多年来，单级旋转式空气压缩机的能效有所提高，通过CAGI的第三方验证计划，您可以确信参与制造商声称的性能特征是准确的。需要注意的是，并非所有制造商都参与CAGI第三方性能验证计划。
两级空气压缩机的优缺点
到目前为止，应该很清楚两级压缩比单级压缩的最大优势是能效。
两级技术在马力范围（通常为125马力以上）方面更为有限，生产这项技术的制造商数量也是如此。正如您可能已经猜到的，两阶段技术的初始购买价格更高。
两级空气压缩机可采用与单级机器相同的控制方案，但正如人们可能想象的那样，可供您选择的选项较少……您无法在油箱上实际安装125 hp以上的空气压缩机！根据哪种类型的两级空气压缩机，你可以考虑（超过/低于串联设计），占地面积可能比一台单级机器更大……盒子里只有更多的东西！
当两级压缩可以用作“基本负载”空气压缩机时，两级压缩比单级压缩的能效优势在高、相对稳定的流量应用中得到最大化。换言之，“让大狗吃吧。”当空气压缩机始终以100%满负荷运行时，两级能效效益最好实现。与同等尺寸的单级空气压缩机相比，两级旋转螺杆空气压缩机的初始成本可能高出30%，如果预算有限，这是一个明显的缺点。
从表面上看，这看起来很激烈，但由于两级空气压缩机效率更高，您可能能够以更低的hp提供所需的流量，这将有助于将差距缩小到15%到20%左右。但是，为什么有人会为更小的空气压缩机支付更多的费用呢？答案很简单……因为空气压缩机的初始购买价格只是总拥有成本的一小部分。你只需为空气压缩机支付一次费用，但你需要为空气压缩机的整个使用寿命支付运行费用。
将电力成本纳入采购决策
动力成本占旋转螺杆空气压缩机总拥有成本的75%，在两级空气压缩机的使用寿命内，节能效果显著。
旋转螺杆空气压缩机“生命周期”拥有成本。
例如，假设您的发电厂每天24小时，每周7天（每年8736小时）运行，需要在125 psi的压力下达到1000 cfm以满足生产要求，并且您向当地电力公司支付$10/kWh。
方案A提供了以下内容：
- 250马力单级旋转螺杆空气压缩机。
- 在满负荷和125 psi下，额定值为1029 cfm。
- 满载时消耗212.6 kW（1029 cfm）。
- 电机效率为96%。
- 售价65000美元。
备选方案B提供以下内容：
- 200马力两级旋转螺杆空气压缩机。
- 额定值为1074 cfm，满载和125 psi。
- 满载时消耗188 kW（1074 cfm）。
- 电机效率为96%。
- 售价78000美元。
与其他单阶段产品相比，选项A的单阶段产品可能是一个非常高效且成本效益高的解决方案，但两阶段压缩（“共享工作”）的机械优势使其值得认真考虑。这个简单的公式[（kW X h）*比率]/电机效率很好地估算了每台电机的年电力成本：
- 方案A-250马力单级电源成本：212.6 X 8736 X.10/.96=每年193466美元。
- 方案B的电力成本-200马力两级：188 X 8736 X.10/.96=每年171080美元.
两台空气压缩机都以所需的压力提供所需的cfm，但两级机组的效率更高，每年可节省22386美元的电力成本。方案B比单级空气压缩机高20%（13000美元），但仅节能一项就可以在七个月内收回两级溢价（13000美元/22386美元）。事实上，与单级空气压缩机相比（78000美元/22386美元），两级空气压缩机节省的能源将在3.5年内全部付清。从那时起，每年都会有22386美元的节省，而且会直接达到你的底线！与单级技术相比，双级技术的另一个好处是空气端寿命更长。
为什么两阶段压缩的预期寿命更长？
将示例中两级技术的节能优势与比单级技术更长的airend预期寿命结合起来，随着时间的推移，节能效果变得非常显著！与单级旋转螺杆空气压缩机一样，买方应确保所考虑的所有制造商都是CAGI第三方性能验证计划的成员，以确保所引用的性能数据准确无误。
那么，为什么两级机器的预期寿命大于单级空气压缩机？它与压缩比和推力（轴向）负载有关。压缩比是绝对排放压力和绝对进口压力之间的比率（绝对压力考虑大气压力和表压）由以下公式表示：表压+大气压力/大气压力。当压缩沿空气端长度向下发生并推动转子表面积时，产生的推力载荷与压缩比成正比。
例如：使用单级旋转螺杆空气压缩机在海平面（大气压力=14.7 psia）达到100 psig，压缩比为（100加14.7）/14.7=7.8。换句话说，你必须在海平面上压缩1立方英尺的大气，压缩7.8倍，才能将压力提高到100 psig。所需最终压力越高，压缩比越高。压缩比越高，空气端轴承上施加的推力载荷越大。
所有旋转螺杆式空气压缩机都有推力轴承来处理该轴向负载，但由于单级空气压缩机在单次压缩过程中将空气从大气压力压缩到最终排放压力，推力负荷大于两级机组，两级机组分担工作，并利用级间冷却从第一级排出压缩热。两级旋转式空气压缩机的压缩比在第一级可低至3.1，在第二级可低至2.5。较低的压缩比等于轴承上的推力负载较低，从而产生更坚固、可靠和更持久的空气压缩机。回到我们的汽车类比……当你努力将汽车从A点推到B点时，你的“方位”承受了一个负荷……你的背、腿、手臂、肩膀等等。如果朋友帮忙，你的“方位”承受的负荷会更少，而且你比自己推的人持续的时间更长！
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一个尺码不适合所有人
归根结底，单级和两级旋转螺杆空气压缩机技术对于一个非常大的工业部门来说都是稳健可靠的解决方案。两者之间存在着明显的差异，一种尺寸并不适合所有尺寸。
这两种技术都牢牢扎根于工业领域，每种技术都有自己的地位。旋转螺杆式空气压缩机的购买者应该考虑很多变量。在本文中，我们介绍了技术（单阶段技术与两阶段技术）、初始购买价格、电源成本和终端预期寿命。还有许多其他的变量要考虑，如输入功率要求，噪音水平，维修方便，空压机室布局和环境，以及辅助设备。这不是一份详尽的清单，买方应尽其应有的努力，以确保与之合作的压缩空气专业人员了解所有这些变量如何发挥作用，以获得最经济、高效和可靠的压缩空气解决方案。
关于作者
Scott Folsom是FS Curtis的渠道开发总监，在该公司工作了九年。他负责培训、教育和支持内部和外部渠道合作伙伴，以及系统评估。他于1993年加入压缩空气行业，过去的经验包括在该行业的压缩空气制造和分销领域工作的时间。联系Scott，电话：314-383-1300 x 210，电子邮件：sfolsom@curtistoledo.com.
关于柯蒂斯
自1854年以来，FS Curtis一直致力于在密苏里州圣路易斯制造优质设备并提供无与伦比的服务。几十年来，公司及其产品通过创新和新技术不断发展，但对质量和服务的承诺仍然坚定不移。FS Curtis生产三至125马力的单级和两级往复式空气压缩机，以及五至350马力的单级和两级旋转螺杆空气压缩机。此外，FS Curtis还提供全系列的空气处理和辅助设备。有关更多信息，请访问us.fscurtis.com.
所有照片由财政司司长柯蒂斯提供。
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