【壓縮機網】生命周期成本和工業壓縮空氣
在工業制造領域，計算企業主設備投入總成本的一種公認方法就是生命周期成本，然而對于生命周期成本的計算會因行業不同而不同。在空氣壓縮機行業，一般考慮以下三個因素：
設備購置成本 (Capex)-何為設備購置成本? 如果只是考慮兩個競爭品牌的對比，那么就是空壓機的購置費；但是如果要計算整個投資回報的話，那么安裝費用以及其它相關費用也需要考慮進去。
設備維護成本-何為設備維護成本? 根據制造商保養要求定期更換易耗品的成本以及保養中所發生的人工成本。
能源耗費成本-何為設備運轉的能耗成本? 計算設備運轉的能耗成本，z*關鍵的一點是空壓機的能效，即比功率，通常是用于衡量每分鐘產生1立方米的壓縮空氣需要多少kW電量。用比功率乘以空氣流量乘以運行時間乘以當地的電費，就可以計算出空壓機運轉的總體能耗成本。
表1這個例子將貫穿整篇文章, 假設某一使用環境如表1。
在這個例子中，假設機器使用5年，生命周期成本計算如見表2，圖1。
在這個案例中，壓縮機的能耗成本遠高于購置成本和維護成本，高達總成本的90%以上。正是因為非常高比例的能耗成本，所以空壓機比功率在過去幾十年中一直至關重要。鑒于這個原因，很多壓縮機生產商在研發中投入大量的預算，旨在提升他們產品的性能。盡管在降低能耗方面的競賽主要是出于經濟利益的驅動，但是當下，各個空壓機生產商們也不得不面對一個現實，就是他們產品的能效高低將直接對環境產生影響。
空氣壓縮機和q*變暖
目前，一個不爭的事實就是，q*變暖已經成為我們這個星球以及人類生存z*大的威脅。由政府間氣候變化專門委員會進行的一項獨立研究證實，在目前的溫室氣體排放率下，本世紀末q*平均氣溫超過4℃將不可避免。[1].對外行來說，這可能聽起來并不多，而專家一致認為對于避免氣候系統不可逆轉破壞，并防止q*社會經濟模式崩潰，溫度升高2℃是個極限。2015年12月12日，195個國家在巴黎批準了具有里程碑意義的氣候協議，承諾采取積極措施應對q*變暖危機。雖然巴黎協議肯定是歷史性的，但它本身并不能解決q*變暖問題。z*好的結果是，它將減少q*溫室氣體排放量的一半左右，以避免q*氣溫上升2℃[2]。
二氧化碳排放導致q*變暖的一個主要原因就是電力消耗。圖2展示了不同行業電力消耗的具體情況。
工業領域的電能消耗占q*電能消耗的50%以上，而這里面高達20%的電能被用于空氣壓縮和傳送以滿足終端用戶的需求。[4]考慮到目前旋轉式空壓機高達160億美金的巨大市場份額，而且據預測在接下來的7年內將以3.6%的復合年增長率增長，因此在制定降低溫室氣體排放及q*升溫計劃時，工業壓縮氣體系統中的能源節約或者回收將顯得尤為重要。
自從歐洲生態指令2009/125/EC認定“電機驅動型壓縮機”這類產品組作為產品節能工作計劃的優先研究產品，這個課題就顯得尤為重要。該指令要求歐洲委員會展開針對空壓機及改善對環境影響的應對措施的研究。目前，這項研究正在進行中，其很有可能引起一次新的法規變更從而在q*范圍內叫停那些高能耗的空壓機。
雖然在過去的幾十年里，空壓機行業的大多數主要的生產商成功地降低了他們產品的比功率，但是用于計算和比較產品生命周期成本的所謂的標準方式，其實是有失偏頗的。本文將著重討論這個問題。
空壓機生命周期成本傳統評估方式
當下，如果一個潛在客戶打算購買工業用空壓機，他們一般都會要求生產商提供相關的技術參數資料以便他們評估該投資在未來5-10年內的生命周期成本。在美國，壓縮氣體協會（CAGI）建立了一個消費者友好溝通平臺，在這個平臺上消費者可以下載q*各主要品牌空壓機的技術參數。發布在CAGI網站上的任何數據都通過了美國第三方測試機構INTERTEK的驗證和測試，而INTERTEK 的所有測試都是嚴格按照ISO1217執行的。
當下大家對于很多空壓機生產商提供的能效數據持有懷疑態度，而因為CAGI提供的數據更加精準和公正，所以被廣泛認可。
使用與表1相同的方法，對比兩款在購置成本和維護成本上有著少許差異但是相同CAGI認可的比功率的機器，其生命周期成本估算如表3。
在上面例子中，空壓機2和空壓機1相比，其購置成本高出10%，維護成本高出20%，但是在相同的CAGI的比功率情況下，生命周期成本的差異只有9,000，占總成本的1.1%。
這時，終端用戶會相信自己已經有了足夠的數據去做出明智的決定，很清楚自己的工廠應該安裝哪一臺空壓機。但是，很不幸的是，這種計算方式依據的是一個從根本上就錯誤的假設，從而誤導了終端用戶的決策。
這個錯誤的假設就是：空壓機的比功率隨著時間的推移是恒定不變的
然而，鑒于兩個客觀存在的原因，這個假設既不適用于螺桿空壓機也不適用于滑片空壓機。
螺桿壓縮機
為了理解為什么上述假設不適用于螺桿壓縮機，我們必須理解其工程原理。螺桿空壓機基本構造：在壓縮機的機體中，平行地配置著一對相互嚙合的螺旋形轉子，通常把節圓外具有凸齒的轉子，稱為陽轉子或陽螺桿。把節圓內具有凹齒的轉子，稱為陰轉子或陰螺桿，一般陽轉子與原動機連接，由陽轉子帶動陰轉子轉動轉子上的z*后一對軸承實現軸向定位，并承受壓縮機中的軸向力。轉子兩端的圓柱滾子軸承使轉子實現徑向定位，并承受壓縮機中的徑向力。
轉子轉動時，陰陽轉子的齒溝空間在轉至進氣端壁開口時，其空間z*大，此時轉子齒溝空間與進氣口的相通，因在排氣時齒溝的氣體被完全排出，排氣完成時，齒溝處于真空狀態，當轉至進氣口時，外界氣體即被吸入，沿軸向進入陰陽轉子的齒溝內。當氣體充滿了整個齒溝時，轉子進氣側端面轉離機殼進氣口，在齒溝的氣體即被封閉。 潤滑油被用于密封、潤滑和冷卻壓縮空氣，隨后在油氣分離器裝置中分離。壓縮機的啟動和停止是通過系統壓力開關設置為z*大和z*小值。（見圖3、4）
泄漏途徑和間隙
要了解在螺桿壓縮機中間隙的重要關鍵作用，必須s*先對所有可能的泄漏路徑有一個清晰的認識。圖5是一個典型的螺桿壓縮機的橫截面圖，其顯示了通過間隙的各種泄漏途徑。
對機器性能影響z*大的是轉子間的間隙（徑向間隙）和端面間隙（軸向間隙）導致的泄漏。這些泄漏路徑連接著高低壓的工作腔，因此潛在的泄漏是非常高的。而下圖中的其它泄漏路徑涉及到較小的壓力差，因此對性能影響相對較小。徑向間隙的大小取決于空壓機主要部件的尺寸和公差。而軸向間隙則取決于機器組裝。
因此，由于螺桿壓縮機的性能受到泄漏的嚴重影響，任何對其內部間隙的修改都會對其效率產生重要影響。[6]
徑向間隙對螺桿壓縮機性能的影響
當下，某些現代化的轉子加工中心，已經能夠將轉子的公差降低至3微米。這意味著，就單單生產轉子而言，轉子間的間隙可以低至12微米。[7] (作為參考：人類頭發的平均寬度是70微米)
雖然這樣可以減少徑向間隙，從而提高了壓縮機的容積效率，而且這樣的細小間隙幾乎可以與滾動軸承的間隙相媲美，但是這樣也會影響到壓縮機的可靠性和性能表現。
對間隙尺寸和分布的影響進行了深入的研究后發現，這些非常小的間隙扮演著非常重要性的角色。研究結果顯示，移動軸承50微米就能導致空壓機的比功率發生2.5%的變化（在1500rpm，9bar的排氣壓力下）[6]。研究結果還顯示，如果轉子間的間隙增加31.5%，比如從15微米增加到20微米，將會導致容積流量損失1.7%[8]。
軸向間隙以及其對螺桿機能效的影響
徑向間隙和轉子間隙的大小取決于壓縮機主要部件的尺寸和公差，以及相對于滾動軸承間隙的位置，而軸向間隙是在機器裝配過程中就已經設定好的。
由于其幾何形狀機構，螺桿空壓機在壓縮空氣過程中產生了軸向推力，使轉子減少了進氣端的側隙，但增加了在輸送端的間隙，而在此過程中，端口密封起到非常關鍵的作用如圖6。制造商也已經將此考慮進去，并抵消了其低壓和高壓軸向間隙的影響。
側推力由推力軸承承擔，從而防止轉子接觸到端蓋的表面。因此，較好地推力軸承的質量和阻力，才能實現正確的密封。
無油螺桿壓縮機在排放端的間隙出現35微米的波動，就會導致22%的能效損耗。[5].對于注油式螺桿壓縮機，人們期望這種波動對比功率產生的影響不那么顯著，但是很明顯，這些間隙值與整體壓縮機性能之間存在很強的相關性。
螺桿空壓機的零點時刻
在生產流水線上組裝的時候，螺桿機的徑向和軸向間隙非常精密，在嚴格遵循生產商安裝手冊的情況下，可以使螺桿機達到z*佳的性能：CAGI的數據也表明，一些主要品牌的螺桿機，其在零點時刻的能效表現是z*佳的。
但是當螺桿壓縮機開始運行時這些重要的間隙會發生什么變化呢?
總所周知，滾子軸承和止推軸承都會存在磨損，而磨損速率則取決于其運轉速度和負載程度[9]，雖然各生產商會采用不同類型、不同尺寸的軸承來延長其壽命，但是磨損無法避免的，所以他們會建議用戶在機器運行一定時間后需要對機頭進行大修。大修主要是要更換滾動和止推部件，還空壓機一個“安全”的運行環境，避免給機頭造成災難性的損壞。絕大多數國際一線品牌的生產商通常會建議在機器每運行3萬-5萬小時后，進行一次大修。
考慮到軸承磨損，在軸向方向，止推軸承能夠承受的z*大磨損間隙是50微米，超過50微米到200微米之間，將會對機器性能造成影響。在徑向方向，軸承任何部位的磨損不能超過生產商的轉子間隙（12微米-15微米），否則將會對機器性能造成影響。這兩種情況都表明，這些間隙的變化會導致顯著的性能損失。因此，也就不難理解，為什么螺桿機的能效表現不是恒久不變的，而是會隨著時間而衰減的。
盡管目前很難找到研究這種現象的學術文獻，然而在現實環境中，能效審計公司對一些舊的、即將大修的螺桿壓縮機的流量和功率進行了測量，并有很多的文檔記錄。在一個測量案例中[10]，澳大利亞工業部測量了一批運行了10年左右的螺桿機，發現其平均能效衰減30%，z*差機器的能效衰減高達55%。
雖然上述測量結果是基于一些特定的狀況，而且當下螺桿機所使用的軸承的性能也有了很大的提升，但是不管如何改善，隨著使用時間的變化，螺桿機的性能衰減是個無法避免的事實，這是由軸承本身的特性和螺桿機的工作原理所決定的。
滑片空壓機運作原理
對于滑片式空壓機而言，隨著時間的推移，零點時刻的比功率也不會保持一成不變。要解釋這一現象，先要了解其工作原理。滑片機的定轉子總成由一個偏置的轉子和一個圓柱形的定子組成，兩端由端蓋密封并配以巴氏白瓦合金套管。轉子上面有機加工過的縱向槽，以便滑片在里面自由滑動。轉子通過電機進行直接驅動，轉速通常在1000到1500轉（50Hz）之間，通過偏心力轉動使滑片與定子內壁進行密封接觸從而形成壓縮袋。空氣被吸入后，此時容積z*大，隨著轉子的轉動，容積逐漸減小（壓力上升）從而形成一個壓縮循環。當容積減到z*小時，空氣通過壓縮元件被釋放出來。
泄漏路徑和間隙
在滑片式空氣壓縮機中，滑片總是與定子內表面的潤滑膜相接觸，這樣既可以避免兩個金屬表面直接接觸，也避免了氣體泄漏。在滑動葉片的前緣存在一個潤滑楔子，精確加工的葉片尖端半徑，潤滑的滑動元件和支撐面（定子）的附著力增加了潤滑壓力，并在兩個表面之間產生了流體動力潤滑膜。當施加非常大的壓力時，潤滑劑的粘度會增加，潤滑油就可以避免被擠壓在表面之間，從而保持一個恒定的薄膜。此外，潤滑油也起到了一個完美的密封功能（見圖7、8）。
另一個可能的泄漏途徑是通過壓縮機端蓋。 然而，滑片空壓機沒有軸向推力將轉子推向兩側端蓋，因此也就沒有必要安裝止推軸承來控制軸向位置。軸向間隙是在機器裝配過程中就已經設定好的。轉子可以自由地沿著軸向移動，它通過在壓力下注入的潤滑油，與兩端端蓋保持同樣的距離，從而防止接觸和提供有效的密封（見圖9）。
由于在滑片式空壓機內沒有磨損的滾子和推力軸承，所以在機器制造的時候設定的間隙是恒定的，該間隙在壓縮機的整個生命周期內都不會變化。這樣的設計有兩個好處：s*先，隨著時間的推移，容積效率不會有任何衰減；其次，永遠不需要進行更換磨損軸承這樣的大修。這就保證了瑪泰的壓縮單元（機頭）可以達到超過10年不限時間的使用壽命。
既然已經證明容積效率不會隨著時間的推移而衰減，為什么上面提到的比功率恒定的假設也不適用于瑪泰滑片式空壓機呢？
滑片的磨合期與前1000小時
從啟動滑片式空壓機開始到前1000個小時期間，滑片進行著一個前期磨合的過程。雖然瑪泰在生產滑片的時候已經對其滑片進行了非常精確的打磨，但是前1000小時的運轉可以更好地磨合轉子槽和滑片之間鍥合度，從而達到z*佳效果。從摩擦學的角度講，必要的拋光處理可以使表面更加平整、光滑。
此處不能將磨合與磨損的概念相混淆。磨損指摩擦體接觸表面的材料在相對運動中由于機械作用,間或伴有化學作用而產生的不斷損耗的現象，長時間的磨損將會影響機器的性能。而磨合是為了使配合件正常穩定運轉的一種措施。瑪泰滑片空壓機的滑片采用特殊材質制作，可以使其壽命長達10年以上無需更換。
這種前期磨合效果對摩擦損失的功率有顯著的正面影響，并對空壓機產生的功率有顯著的影響。多年來，這一效應在滑片式空壓機工業領域中早已經為人所知，但直到現在，它還沒有被獨立地和科學地測試過。
在2016年，針對這一理論，瑪泰發起了兩個同時并行的測試計劃：一個是在瑪泰總部現代化的研發中心測試一臺50Hz的Maxima 75 Xtreme，另一個是在美國的INTERTEK（天祥集團）總部測試一臺60Hz的Maxima55。INTERTEK也是美國為CAGI提供空壓機測試認證的公司。
在這兩種測試環境下，壓縮機的性能都是從零點時刻開始記錄，然后每100小時采集一次數據。毫不夸張地說，測試結果非常顯著。從測試結果中可以看出，在保持一個恒定地空氣輸出的條件下，電能的消耗呈顯著下降，其比功率得到了很大的提升，比零點時刻更低（見表4）。
因此，不難看出，對于滑片式空壓機而言，CAGI公布的零點時刻的比功率也不能作為整個空壓機是生命周期內的比功率來計算其生命周期成本。
新的“生命周期成本（LCC）分析”
通過以上數據的分析和討論，我們在模擬計算生命周期成本時，可以勾勒出一個更加真實的場景。再回到前面的例子，盡管滑片機和螺桿機都有著CAGI公布的零點時刻比功率，但是我們在實際計算的時候需要將螺桿機能效衰減和滑片機能效提升的因素考慮進去。
此處，需要重點強調的是不同的螺桿空壓機制造商在他們的機器中會選擇使用不同的軸承，因此我們不能武斷的針對所有品牌的螺桿機使用同樣的能效衰減率。但是另一方面，科學研究也表明，如果軸承磨損達到人類頭發直徑的十四分之一（5微米），螺桿機的容積效率將會損失2%。 因此，我們模擬螺桿機使用5年（大修之前）出現2%，5%和10%這三種能效損耗比率來計算新的生命周期成本，也是希望通過這三種能效衰減比率盡可能的包含絕大多數的螺桿機品牌。
選擇兩種都是75kW的空壓機，相同的CAGI公布的零點比功率，假設其購置成本和保養成本也相同，計算出比功率隨著時間的推移變化如圖10。
針對表1中的空壓機，采用新的生命周期成本方式，計算結果如表5、圖11。
如果將使用時間延長至10年，再次計算其生命周期成本，那么就要考慮到螺桿機的大修。在這個試算案例中，假設大修費用占設備購置成本的50%。對于瑪泰滑片空壓機，在其生命周期內不存在大修的需求。因此，在本次計算中，滑片機的大修費用為0（見圖12、13，表6）。
結論
新的生命周期成本計算方式，既考慮到了滑片機能效提升的因素，又考慮到了螺桿機能效衰減的因素。很顯然，新舊計算方式在能效成本方面有很大的差異。在螺桿機能效衰減10%的情況下，經過10年運行，加上大修費用，終端用戶要多花費€168,000。即使在相同的CAGI零點時刻比功率條件下，螺桿機的能源消耗成本也是其采購成本的3倍有余。這一問題必須得到澄清，尤其是考慮到目前正在使用零點時刻的壓縮機性能數據來起草新的立法，以幫助遏制當前q*變暖危機。如果沒有考慮到這些重要信息，那么對于降低工業空氣壓縮所消耗能源的新立法，將面臨無法達到預期效果的嚴重風險。
參考文獻
[1] Climate change 2014: mitigation of climate change - D. Victor, D. Zhou, Intergovernmental panel on climate change 5th assessment report; 2013. p. 34e5
[2]https://ec.europa.eu/clima/policies/international/negotiations/paris_en
[3] International Energy Agency. Redrawing the energy-climate map. World En Outlook Rep 2013:32e3.
[4] Energy saving potential in existing industrial compressors - D. Vittorini, R. Cipollone, Energy 102 2016, 502-515
[5] Influence of thermal dilatation upon design of screw machines - A. Kovacevic, N. Stosic, E. Mujic, I. k. Smith, International Design Conference, Design 2006
[6] Improving screw performance - N. Stosic, I. k. Smith, A. Kovacevic, J. Kim, J. Park, Centre for Positive Displacement Compressor Technology, City University London
[7] Calculation of rotor interference in screw compressors - N. Stosic, I. k. Smith, A. Kovacevic, Centre for Positive Displacement Compressor Technology, City University London
[8] Rotor clearance design and evaluation for an oil injected twin screw compressor - D. Buckney, A. Kovacevic, N. Stosic, 9th International Conference on Compressors and Systems 2015
[9] Compressor handbook - P. C. Hanlon - General Bearing Principles 19.3, McGraw-Hill, 2001
[10] Screw Compressor Wear - Australian Government Department of Industry, Australian Meat Industry Council
在工業制造領域，計算企業主設備投入總成本的一種公認方法就是生命周期成本，然而對于生命周期成本的計算會因行業不同而不同。在空氣壓縮機行業，一般考慮以下三個因素：
設備購置成本 (Capex)-何為設備購置成本? 如果只是考慮兩個競爭品牌的對比，那么就是空壓機的購置費；但是如果要計算整個投資回報的話，那么安裝費用以及其它相關費用也需要考慮進去。
設備維護成本-何為設備維護成本? 根據制造商保養要求定期更換易耗品的成本以及保養中所發生的人工成本。
能源耗費成本-何為設備運轉的能耗成本? 計算設備運轉的能耗成本，z*關鍵的一點是空壓機的能效，即比功率，通常是用于衡量每分鐘產生1立方米的壓縮空氣需要多少kW電量。用比功率乘以空氣流量乘以運行時間乘以當地的電費，就可以計算出空壓機運轉的總體能耗成本。
表1這個例子將貫穿整篇文章, 假設某一使用環境如表1。
在這個例子中，假設機器使用5年，生命周期成本計算如見表2，圖1。
在這個案例中，壓縮機的能耗成本遠高于購置成本和維護成本，高達總成本的90%以上。正是因為非常高比例的能耗成本，所以空壓機比功率在過去幾十年中一直至關重要。鑒于這個原因，很多壓縮機生產商在研發中投入大量的預算，旨在提升他們產品的性能。盡管在降低能耗方面的競賽主要是出于經濟利益的驅動，但是當下，各個空壓機生產商們也不得不面對一個現實，就是他們產品的能效高低將直接對環境產生影響。
空氣壓縮機和q*變暖
目前，一個不爭的事實就是，q*變暖已經成為我們這個星球以及人類生存z*大的威脅。由政府間氣候變化專門委員會進行的一項獨立研究證實，在目前的溫室氣體排放率下，本世紀末q*平均氣溫超過4℃將不可避免。[1].對外行來說，這可能聽起來并不多，而專家一致認為對于避免氣候系統不可逆轉破壞，并防止q*社會經濟模式崩潰，溫度升高2℃是個極限。2015年12月12日，195個國家在巴黎批準了具有里程碑意義的氣候協議，承諾采取積極措施應對q*變暖危機。雖然巴黎協議肯定是歷史性的，但它本身并不能解決q*變暖問題。z*好的結果是，它將減少q*溫室氣體排放量的一半左右，以避免q*氣溫上升2℃[2]。
二氧化碳排放導致q*變暖的一個主要原因就是電力消耗。圖2展示了不同行業電力消耗的具體情況。
工業領域的電能消耗占q*電能消耗的50%以上，而這里面高達20%的電能被用于空氣壓縮和傳送以滿足終端用戶的需求。[4]考慮到目前旋轉式空壓機高達160億美金的巨大市場份額，而且據預測在接下來的7年內將以3.6%的復合年增長率增長，因此在制定降低溫室氣體排放及q*升溫計劃時，工業壓縮氣體系統中的能源節約或者回收將顯得尤為重要。
自從歐洲生態指令2009/125/EC認定“電機驅動型壓縮機”這類產品組作為產品節能工作計劃的優先研究產品，這個課題就顯得尤為重要。該指令要求歐洲委員會展開針對空壓機及改善對環境影響的應對措施的研究。目前，這項研究正在進行中，其很有可能引起一次新的法規變更從而在q*范圍內叫停那些高能耗的空壓機。
雖然在過去的幾十年里，空壓機行業的大多數主要的生產商成功地降低了他們產品的比功率，但是用于計算和比較產品生命周期成本的所謂的標準方式，其實是有失偏頗的。本文將著重討論這個問題。
空壓機生命周期成本傳統評估方式
當下，如果一個潛在客戶打算購買工業用空壓機，他們一般都會要求生產商提供相關的技術參數資料以便他們評估該投資在未來5-10年內的生命周期成本。在美國，壓縮氣體協會（CAGI）建立了一個消費者友好溝通平臺，在這個平臺上消費者可以下載q*各主要品牌空壓機的技術參數。發布在CAGI網站上的任何數據都通過了美國第三方測試機構INTERTEK的驗證和測試，而INTERTEK 的所有測試都是嚴格按照ISO1217執行的。
當下大家對于很多空壓機生產商提供的能效數據持有懷疑態度，而因為CAGI提供的數據更加精準和公正，所以被廣泛認可。
使用與表1相同的方法，對比兩款在購置成本和維護成本上有著少許差異但是相同CAGI認可的比功率的機器，其生命周期成本估算如表3。
在上面例子中，空壓機2和空壓機1相比，其購置成本高出10%，維護成本高出20%，但是在相同的CAGI的比功率情況下，生命周期成本的差異只有9,000，占總成本的1.1%。
這時，終端用戶會相信自己已經有了足夠的數據去做出明智的決定，很清楚自己的工廠應該安裝哪一臺空壓機。但是，很不幸的是，這種計算方式依據的是一個從根本上就錯誤的假設，從而誤導了終端用戶的決策。
這個錯誤的假設就是：空壓機的比功率隨著時間的推移是恒定不變的
然而，鑒于兩個客觀存在的原因，這個假設既不適用于螺桿空壓機也不適用于滑片空壓機。
螺桿壓縮機
為了理解為什么上述假設不適用于螺桿壓縮機，我們必須理解其工程原理。螺桿空壓機基本構造：在壓縮機的機體中，平行地配置著一對相互嚙合的螺旋形轉子，通常把節圓外具有凸齒的轉子，稱為陽轉子或陽螺桿。把節圓內具有凹齒的轉子，稱為陰轉子或陰螺桿，一般陽轉子與原動機連接，由陽轉子帶動陰轉子轉動轉子上的z*后一對軸承實現軸向定位，并承受壓縮機中的軸向力。轉子兩端的圓柱滾子軸承使轉子實現徑向定位，并承受壓縮機中的徑向力。
轉子轉動時，陰陽轉子的齒溝空間在轉至進氣端壁開口時，其空間z*大，此時轉子齒溝空間與進氣口的相通，因在排氣時齒溝的氣體被完全排出，排氣完成時，齒溝處于真空狀態，當轉至進氣口時，外界氣體即被吸入，沿軸向進入陰陽轉子的齒溝內。當氣體充滿了整個齒溝時，轉子進氣側端面轉離機殼進氣口，在齒溝的氣體即被封閉。 潤滑油被用于密封、潤滑和冷卻壓縮空氣，隨后在油氣分離器裝置中分離。壓縮機的啟動和停止是通過系統壓力開關設置為z*大和z*小值。（見圖3、4）
泄漏途徑和間隙
要了解在螺桿壓縮機中間隙的重要關鍵作用，必須s*先對所有可能的泄漏路徑有一個清晰的認識。圖5是一個典型的螺桿壓縮機的橫截面圖，其顯示了通過間隙的各種泄漏途徑。
對機器性能影響z*大的是轉子間的間隙（徑向間隙）和端面間隙（軸向間隙）導致的泄漏。這些泄漏路徑連接著高低壓的工作腔，因此潛在的泄漏是非常高的。而下圖中的其它泄漏路徑涉及到較小的壓力差，因此對性能影響相對較小。徑向間隙的大小取決于空壓機主要部件的尺寸和公差。而軸向間隙則取決于機器組裝。
因此，由于螺桿壓縮機的性能受到泄漏的嚴重影響，任何對其內部間隙的修改都會對其效率產生重要影響。[6]
徑向間隙對螺桿壓縮機性能的影響
當下，某些現代化的轉子加工中心，已經能夠將轉子的公差降低至3微米。這意味著，就單單生產轉子而言，轉子間的間隙可以低至12微米。[7] (作為參考：人類頭發的平均寬度是70微米)
雖然這樣可以減少徑向間隙，從而提高了壓縮機的容積效率，而且這樣的細小間隙幾乎可以與滾動軸承的間隙相媲美，但是這樣也會影響到壓縮機的可靠性和性能表現。
對間隙尺寸和分布的影響進行了深入的研究后發現，這些非常小的間隙扮演著非常重要性的角色。研究結果顯示，移動軸承50微米就能導致空壓機的比功率發生2.5%的變化（在1500rpm，9bar的排氣壓力下）[6]。研究結果還顯示，如果轉子間的間隙增加31.5%，比如從15微米增加到20微米，將會導致容積流量損失1.7%[8]。
軸向間隙以及其對螺桿機能效的影響
徑向間隙和轉子間隙的大小取決于壓縮機主要部件的尺寸和公差，以及相對于滾動軸承間隙的位置，而軸向間隙是在機器裝配過程中就已經設定好的。
由于其幾何形狀機構，螺桿空壓機在壓縮空氣過程中產生了軸向推力，使轉子減少了進氣端的側隙，但增加了在輸送端的間隙，而在此過程中，端口密封起到非常關鍵的作用如圖6。制造商也已經將此考慮進去，并抵消了其低壓和高壓軸向間隙的影響。
側推力由推力軸承承擔，從而防止轉子接觸到端蓋的表面。因此，較好地推力軸承的質量和阻力，才能實現正確的密封。
無油螺桿壓縮機在排放端的間隙出現35微米的波動，就會導致22%的能效損耗。[5].對于注油式螺桿壓縮機，人們期望這種波動對比功率產生的影響不那么顯著，但是很明顯，這些間隙值與整體壓縮機性能之間存在很強的相關性。
螺桿空壓機的零點時刻
在生產流水線上組裝的時候，螺桿機的徑向和軸向間隙非常精密，在嚴格遵循生產商安裝手冊的情況下，可以使螺桿機達到z*佳的性能：CAGI的數據也表明，一些主要品牌的螺桿機，其在零點時刻的能效表現是z*佳的。
但是當螺桿壓縮機開始運行時這些重要的間隙會發生什么變化呢?
總所周知，滾子軸承和止推軸承都會存在磨損，而磨損速率則取決于其運轉速度和負載程度[9]，雖然各生產商會采用不同類型、不同尺寸的軸承來延長其壽命，但是磨損無法避免的，所以他們會建議用戶在機器運行一定時間后需要對機頭進行大修。大修主要是要更換滾動和止推部件，還空壓機一個“安全”的運行環境，避免給機頭造成災難性的損壞。絕大多數國際一線品牌的生產商通常會建議在機器每運行3萬-5萬小時后，進行一次大修。
考慮到軸承磨損，在軸向方向，止推軸承能夠承受的z*大磨損間隙是50微米，超過50微米到200微米之間，將會對機器性能造成影響。在徑向方向，軸承任何部位的磨損不能超過生產商的轉子間隙（12微米-15微米），否則將會對機器性能造成影響。這兩種情況都表明，這些間隙的變化會導致顯著的性能損失。因此，也就不難理解，為什么螺桿機的能效表現不是恒久不變的，而是會隨著時間而衰減的。
盡管目前很難找到研究這種現象的學術文獻，然而在現實環境中，能效審計公司對一些舊的、即將大修的螺桿壓縮機的流量和功率進行了測量，并有很多的文檔記錄。在一個測量案例中[10]，澳大利亞工業部測量了一批運行了10年左右的螺桿機，發現其平均能效衰減30%，z*差機器的能效衰減高達55%。
雖然上述測量結果是基于一些特定的狀況，而且當下螺桿機所使用的軸承的性能也有了很大的提升，但是不管如何改善，隨著使用時間的變化，螺桿機的性能衰減是個無法避免的事實，這是由軸承本身的特性和螺桿機的工作原理所決定的。
滑片空壓機運作原理
對于滑片式空壓機而言，隨著時間的推移，零點時刻的比功率也不會保持一成不變。要解釋這一現象，先要了解其工作原理。滑片機的定轉子總成由一個偏置的轉子和一個圓柱形的定子組成，兩端由端蓋密封并配以巴氏白瓦合金套管。轉子上面有機加工過的縱向槽，以便滑片在里面自由滑動。轉子通過電機進行直接驅動，轉速通常在1000到1500轉（50Hz）之間，通過偏心力轉動使滑片與定子內壁進行密封接觸從而形成壓縮袋。空氣被吸入后，此時容積z*大，隨著轉子的轉動，容積逐漸減小（壓力上升）從而形成一個壓縮循環。當容積減到z*小時，空氣通過壓縮元件被釋放出來。
泄漏路徑和間隙
在滑片式空氣壓縮機中，滑片總是與定子內表面的潤滑膜相接觸，這樣既可以避免兩個金屬表面直接接觸，也避免了氣體泄漏。在滑動葉片的前緣存在一個潤滑楔子，精確加工的葉片尖端半徑，潤滑的滑動元件和支撐面（定子）的附著力增加了潤滑壓力，并在兩個表面之間產生了流體動力潤滑膜。當施加非常大的壓力時，潤滑劑的粘度會增加，潤滑油就可以避免被擠壓在表面之間，從而保持一個恒定的薄膜。此外，潤滑油也起到了一個完美的密封功能（見圖7、8）。
另一個可能的泄漏途徑是通過壓縮機端蓋。 然而，滑片空壓機沒有軸向推力將轉子推向兩側端蓋，因此也就沒有必要安裝止推軸承來控制軸向位置。軸向間隙是在機器裝配過程中就已經設定好的。轉子可以自由地沿著軸向移動，它通過在壓力下注入的潤滑油，與兩端端蓋保持同樣的距離，從而防止接觸和提供有效的密封（見圖9）。
由于在滑片式空壓機內沒有磨損的滾子和推力軸承，所以在機器制造的時候設定的間隙是恒定的，該間隙在壓縮機的整個生命周期內都不會變化。這樣的設計有兩個好處：s*先，隨著時間的推移，容積效率不會有任何衰減；其次，永遠不需要進行更換磨損軸承這樣的大修。這就保證了瑪泰的壓縮單元（機頭）可以達到超過10年不限時間的使用壽命。
既然已經證明容積效率不會隨著時間的推移而衰減，為什么上面提到的比功率恒定的假設也不適用于瑪泰滑片式空壓機呢？
滑片的磨合期與前1000小時
從啟動滑片式空壓機開始到前1000個小時期間，滑片進行著一個前期磨合的過程。雖然瑪泰在生產滑片的時候已經對其滑片進行了非常精確的打磨，但是前1000小時的運轉可以更好地磨合轉子槽和滑片之間鍥合度，從而達到z*佳效果。從摩擦學的角度講，必要的拋光處理可以使表面更加平整、光滑。
此處不能將磨合與磨損的概念相混淆。磨損指摩擦體接觸表面的材料在相對運動中由于機械作用,間或伴有化學作用而產生的不斷損耗的現象，長時間的磨損將會影響機器的性能。而磨合是為了使配合件正常穩定運轉的一種措施。瑪泰滑片空壓機的滑片采用特殊材質制作，可以使其壽命長達10年以上無需更換。
這種前期磨合效果對摩擦損失的功率有顯著的正面影響，并對空壓機產生的功率有顯著的影響。多年來，這一效應在滑片式空壓機工業領域中早已經為人所知，但直到現在，它還沒有被獨立地和科學地測試過。
在2016年，針對這一理論，瑪泰發起了兩個同時并行的測試計劃：一個是在瑪泰總部現代化的研發中心測試一臺50Hz的Maxima 75 Xtreme，另一個是在美國的INTERTEK（天祥集團）總部測試一臺60Hz的Maxima55。INTERTEK也是美國為CAGI提供空壓機測試認證的公司。
在這兩種測試環境下，壓縮機的性能都是從零點時刻開始記錄，然后每100小時采集一次數據。毫不夸張地說，測試結果非常顯著。從測試結果中可以看出，在保持一個恒定地空氣輸出的條件下，電能的消耗呈顯著下降，其比功率得到了很大的提升，比零點時刻更低（見表4）。
因此，不難看出，對于滑片式空壓機而言，CAGI公布的零點時刻的比功率也不能作為整個空壓機是生命周期內的比功率來計算其生命周期成本。
新的“生命周期成本（LCC）分析”
通過以上數據的分析和討論，我們在模擬計算生命周期成本時，可以勾勒出一個更加真實的場景。再回到前面的例子，盡管滑片機和螺桿機都有著CAGI公布的零點時刻比功率，但是我們在實際計算的時候需要將螺桿機能效衰減和滑片機能效提升的因素考慮進去。
此處，需要重點強調的是不同的螺桿空壓機制造商在他們的機器中會選擇使用不同的軸承，因此我們不能武斷的針對所有品牌的螺桿機使用同樣的能效衰減率。但是另一方面，科學研究也表明，如果軸承磨損達到人類頭發直徑的十四分之一（5微米），螺桿機的容積效率將會損失2%。 因此，我們模擬螺桿機使用5年（大修之前）出現2%，5%和10%這三種能效損耗比率來計算新的生命周期成本，也是希望通過這三種能效衰減比率盡可能的包含絕大多數的螺桿機品牌。
選擇兩種都是75kW的空壓機，相同的CAGI公布的零點比功率，假設其購置成本和保養成本也相同，計算出比功率隨著時間的推移變化如圖10。
針對表1中的空壓機，采用新的生命周期成本方式，計算結果如表5、圖11。
如果將使用時間延長至10年，再次計算其生命周期成本，那么就要考慮到螺桿機的大修。在這個試算案例中，假設大修費用占設備購置成本的50%。對于瑪泰滑片空壓機，在其生命周期內不存在大修的需求。因此，在本次計算中，滑片機的大修費用為0（見圖12、13，表6）。
結論
新的生命周期成本計算方式，既考慮到了滑片機能效提升的因素，又考慮到了螺桿機能效衰減的因素。很顯然，新舊計算方式在能效成本方面有很大的差異。在螺桿機能效衰減10%的情況下，經過10年運行，加上大修費用，終端用戶要多花費€168,000。即使在相同的CAGI零點時刻比功率條件下，螺桿機的能源消耗成本也是其采購成本的3倍有余。這一問題必須得到澄清，尤其是考慮到目前正在使用零點時刻的壓縮機性能數據來起草新的立法，以幫助遏制當前q*變暖危機。如果沒有考慮到這些重要信息，那么對于降低工業空氣壓縮所消耗能源的新立法，將面臨無法達到預期效果的嚴重風險。
參考文獻
[1] Climate change 2014: mitigation of climate change - D. Victor, D. Zhou, Intergovernmental panel on climate change 5th assessment report; 2013. p. 34e5
[2]https://ec.europa.eu/clima/policies/international/negotiations/paris_en
[3] International Energy Agency. Redrawing the energy-climate map. World En Outlook Rep 2013:32e3.
[4] Energy saving potential in existing industrial compressors - D. Vittorini, R. Cipollone, Energy 102 2016, 502-515
[5] Influence of thermal dilatation upon design of screw machines - A. Kovacevic, N. Stosic, E. Mujic, I. k. Smith, International Design Conference, Design 2006
[6] Improving screw performance - N. Stosic, I. k. Smith, A. Kovacevic, J. Kim, J. Park, Centre for Positive Displacement Compressor Technology, City University London
[7] Calculation of rotor interference in screw compressors - N. Stosic, I. k. Smith, A. Kovacevic, Centre for Positive Displacement Compressor Technology, City University London
[8] Rotor clearance design and evaluation for an oil injected twin screw compressor - D. Buckney, A. Kovacevic, N. Stosic, 9th International Conference on Compressors and Systems 2015
[9] Compressor handbook - P. C. Hanlon - General Bearing Principles 19.3, McGraw-Hill, 2001
[10] Screw Compressor Wear - Australian Government Department of Industry, Australian Meat Industry Council
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