干式无油双螺杆空压机指示曲线的试验研究

文章编号：1005-0329（2018）05-0001-05

流 体 机 械1

实验研究

干式无油双螺杆空压机指示曲线的试验研究

李 豪，何维林，邢子文

（西安交通大学，陕西西安 710049）

摘 要： 设计并搭建了测试压缩机性能的试验台，并通过在压缩机机体上依次布置压力传感器，测得了压缩机实际工作过程的p-V指示曲线，并对其进行了相关理论分析，得到了转速与背压对压缩机工作过程的影响。同时通过对压缩过程与排气温度使用多方过程来进行拟合，得到了可用于实际工程计算的多方过程指数。关键词： 干式无油双螺杆空压机；指示图；试验研究；多方过程指数

中图分类号： TH455 文献标志码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2018.05.001

Experimental Research on the Indicating Diagram of A Dry Oil-free Twin Screw Air Compressor

LI Hao，HE Wei-lin，XING Zi-wen

（Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China）

Abstract： A test rig was built to study the working process of a dry oil-free twin-screw air compressor. Several pressure sensors were located in the compressor casing to measure and record the p-V indicator diagram in the actual operation process of the compressor.Through relevant calculations based on p-V indicator diagrams，the effect of rotary speed and back pressure on working process of the compressor was obtained. Meanwhile，the polytropic exponents which can be used for actual engineering calculation were obtained by fitting of the compression process and discharge temperature using the polytropic process. Key words： oil-free twin screw compressor；indicator diagram；experimental research；polytropic exponent

1 前言

受限于理论研究不完善以及制造加工水平较低，干式无油螺杆空压机发展受到制约［1］。但随着现代工业的发展，对气体含油量的要求也逐渐严格，甚至许多场合需求完全无油的高压气体，诸如食品工业、散装水泥车、燃料电池等领域［2~4］。因此干式无油双螺杆空压机的需求量也日益增加。因此对该机型的理论研究也逐渐受人重视。中南大学刘厚根等设计了用于散装水泥车的无油螺杆空压机，并将其与无油摆杆式空压机做对比发现干式螺杆空压机尺寸重量效率都有所提升［2］。J Brablik等较早地开始了对无油螺杆压缩机进行了理论上的建模，进而分析了转速、压力损失、内外压比不同等因素对压缩机性能的影响［5］。日本某公司的M Fujiwara等则开          收稿日期： 2017-05-19 修稿日期： 2018-03-01

发出了能够预测转速等因素对无油螺杆压缩机

7］

影响的计算机程序［6，。但在现有文献中，对干式无油螺杆空压机工作过程p-V曲线的研究较少。然而对于干式无油螺杆机内部微观工作特性的研究而言，p-V曲线对于评价压缩机工作过程的性能与状态具有重要参考意义，通过对p-V曲线的分析，可以研究压缩机绝热效率与机械效率，这是研究压缩机的重要手段。因此本文将基于工作过程p-V曲线的测试，研究转速及背压对干式无油螺杆空压机工作过程的影响。2 试验装置2.1 测试方案

为了对干式螺杆压缩机的微观性能进行试验

2FLUID MACHINERYVol. 46，No.5，2018

研究，本文设计并搭建了试验台。压缩机p-V曲

线主要通过压力传感器来进行测量。试验时，压力传感器测得的是测点位置处的气体压力随时间的变化关系，即p-t曲线，之后根据压缩机的运行转速以及齿间容积随阳转子转角变化关系可以计算出p-V曲线。

本文采用在压缩机的机壳上从吸气端到排气端依次布置压力传感器的方式测量p-t曲线。每个传感器可以测量一个齿槽宽度所对应角度范围的压力变化，并且每相邻2个压力传感器的测量宽度互有重叠。这样，将所有传感器进行同步测量，每个传感器测量结果相加即可得到螺杆压缩机整个工作过程中工作腔压力随转角的变化，再结合齿间容积随转角变化的数据，即可得到双螺杆压缩机的p-V曲线。压力传感器布置孔口设在了阳转子侧，并采用DEWE-1201-All-In-One标准数据采集仪采集压力2.2 p和时间t的关系。试验所使用的干式无油螺杆空压机为釜用密试验设备

封件有限公司所生产的KSTC-12型号螺杆空气压缩机，该压缩机的额定流量为12 m3排气压力是0.25 MPa（且本文之后提及的压力均/min，额定为绝对压力）。该压缩机使用电机驱动，且配有增速齿轮，齿轮增速比是3.72。本文在实际试验时发现该压缩机的吸气孔口有制造误差，经过测绘后发现试验用压缩机存在一定的吸气延迟，延迟角度以阳转子转角计算为35°，因而在处理理论计算p-V曲线与试验实测p-V曲线的过程中都事先计入了该影响因素。所用压缩机的转子基本参数见表1。

表1 压缩机转子数据参数数值阳转子齿数z1阴转子齿数z32

阳转子齿顶圆直径d1（mm）1445

阴转子齿顶圆直径d2（mm）

132转子长度L（mm）

230每转的理论流量V（rcm3）

2274内容积比Vi

2.2图1所示为各压力传感器布置在机体上所能

采集到的压力范围。3个传感器所测得的压力范围之间有重叠区，以便数据处理时能准确连接前后传感器测得压力临界值。

图1 压力传感器测试范围

3 试验结果及分析

在试验过程中，当机器运行至欠压缩过程时，

即外压比大于内压比时，安全阀会启动，所以无法对欠压缩工况进行实测。因而本文主要测量了干式机过压缩以及外压比和内压比相同时的工况。当排气背压为3.1 0.25MPa时，MPa热无泄漏过程，图压缩机转速2是无油螺杆空压机在排气背压为p-V指示曲线

内外压比大致相等。5058 r/minp-V指示曲线的比较。

时，p-V指示曲线与理论绝0.25 图2 实测过程指示曲线与理论绝热指示曲线比较

从图可看出，2种指示曲线存在着2个较明显的差别：（1）理论曲线在压缩过程段明显高于实际压缩过程曲线，且实际压缩过程曲线相对较平缓，这主要是受泄漏以及传热的影响，亦说明了泄漏和传热在研究工作过程时需予以考虑；（2）压缩终了至排气过程开始的阶段，由于排气孔口处的排气过程是周期性的，因此存在着较大的排气气流波动，而理论模型中未考虑气流波动带来

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的影响且认为气体从压缩腔进入排气管路的压力变化是瞬时完成的，因此存在着较大差异。

图3所示为压缩机转速稳定在5152 r/min时实测p-V指示曲线随压缩机背压的变化。排气背压分别为0.20，0.22以及0.25 MPa。从图中可以发现，受排气背压的影响，压缩机工作过程p-V指示曲线的变化主要出现在压缩终了的时候及压缩过程线的陡峭程度。随着排气背压的升高，压缩终了压力越大，且压缩过程线也越陡。这是由于随着排气背压的升高，排气过程中的气体泄漏到处于压缩过程的齿间容积逐渐增多。

图3 压缩机实测p-V指示曲线随排气背压变化

图4为压缩机排气背压稳定在0.2 5MPa时实测p-V指示曲线随压缩机转速的变化。其中，压缩机转速分别为min4870，4965，5058以及5152 r/测p-V。由于实测工况的转速变化范围较小，指示曲线在试验转速范围内差别不大。

所以实图4 压缩机实测p-V指示曲线随转速的变化

3.2 图容积效率

5为压缩机容积效率随排气背压的变化曲线，65%~73%可以看出在试验工况下，容积效率基本在较低的。这是因为在干式无油螺杆压缩机中缺少

之间，该效率在螺杆机中相对而言是比起密封作用的润滑液，排气压力越高，在吸气压力基本不变的情况下，则意味着吸排气压差越大，因而通过压缩机各泄漏通道的泄漏量增加，所以压缩机的容积效率随排气压力的增加而减少。

图5 不同背压下压缩机容积效率的变化

3.3 压缩机绝热指示效率是压缩机理论等熵绝热绝热指示效率

压缩过程所需的功率与其指示功率的比值。

图6 不同排气压力下压缩机指示效率

从图6中可以发现，压缩机的绝热指示效率在试验工况下会随着压缩机排气背压的增加而增加，97%该增加趋势变得越来越缓慢，其最大值为响很小。

。从图中还可以发现，转速对指示效率的影3.4 利用实测的机械效率

p-V指示曲线可以求出各工况下的指示功，继而根据实测轴功求出机械效率。从图7中发现，空压机的机械效率随着排气背压的升高，先是升高，达到某个峰值后又降低。且转速越低，机械效率反而越高。这主要是齿轮摩擦损失以及齿轮箱内润滑油搅动等因素共同影响造成。但总体机械效率在89%~95%之间，上下差距亦不算大。

4FLUID MACHINERYVol. 46，No.5，2018

图7 机械效率与排气压力及转速的关系

3.5 对于压缩机而言，绝热效率

绝热效率表征着压缩机能耗利用完善与否的程度。在数学上表达为等熵绝热压缩所需功耗与实际压缩消耗的轴功率的 比值。

图8为压缩机绝热效率随排气压力的变化图，88%压缩机在试验工况下的绝热效率在53%到排气背压的升高先是快速的提升，之间。试验工况下的压缩机绝热效率随着之后随着排气背压逐渐接近内压缩终了压力，增长的速率也逐渐减缓。当排气背压达到0.25MPa时，排气背压与压缩终了压力接近，该时刻，绝热效率达到了最高点。

图8 不同排气压力下压缩机绝热效率

3.6 图排气温度

9为压缩机排气温升与内压缩终了压力及转速的关系。在实际试验过程中，由于每个试验工况的稳定需要较长时间，因此不同的试验工况吸气温度略有差异，为了尽可能消除该影响，选用了吸排气温升来进行分析，所谓的排气温升是指压缩机的排气温度与吸气温度的差值。从图中可以发现，压缩机在所试验工况下的排气温升大约

在75~150℃之间变化，压缩机的排气温升随内压

缩终了压力的升高而升高。

图9 排气温升与内压缩终了压力及转速的关系

3.7 若是把压缩过程看作多方过程，多方过程指数

那么确定多方过程指数后，就可以求出压缩机排气温度和指示功率。对于排气温度，假设多方过程指数为nt，则有如下关系式：

n t−Tpn1d=Ts(

dt

ps

)

（1）

式中 T Td——压缩机排气温度，Ks p——压缩机吸气温度，K

pd——压缩机排气压力，Pa

s——压缩机吸气压力，Pa计算指示功率时，假设多方过程指数为ni，则有如下关系式：

Pnpni−n1i=

invi−1psq[(

di

p−s

)

1] （2）

式中 Pqi——压缩机指示功率，W

v——压缩机实际容积流量，kg/s0.25 MPa本文在内外压比相近工况下，转速下多方过程指数并进行比较，时，分别按式（1）和式（2即排气背压为）如图计算了不同10所示。从图中可以看出，随着转速的提高，nt与ni均呈变大趋势。这是由于随着转速的提高，压缩机泄漏量减少，并且与外界换热的效率变低造成的结果。同时可以清楚地看出，根据吸排气温度计算得到的nt值基本在1.53左右，均大于同样工况下根据指示功率算得的ni值，ni值为1.41左右。两者存在区别的原因主要是受泄漏和传热的影响，其中泄漏是主要原因，因为泄漏，实际压缩过程线低于绝热过程线，故用于计算指示功率的多方过

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程指数会小于计算排气温度的多方过程指数。因此本文推荐在实际工程计算中，使用多方过程估算压缩机排气温度和压缩机指示功率时应分别使用不同的数值来进行计算。实际压缩过程线与绝热过程线，用于计算指示功率的过程指数ni可大致取1.41。

（4）用多方过程指数估算排气温度时，nt取值为1.53比较合适。

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compressor［C］.International Compressor Engineering conference，1980.

图10 多方过程指数随排气背压及转速的变化

［6］ Fujiwara M，Mori H，Suwama T.Prediction of the oil-

4 结论

（1）容积效率和绝热效率受排气压力影响较大。在非欠压缩工况下，容积效率随着背压的升

高而降低，基本在65%~73%。而绝热效率随着背压升高而升高，其值在53%~88%。

（2）由于增速齿轮和齿轮箱内润滑油搅动耗功等导致机械效率在89%~95%之间。

（3）实测p-V指示曲线主要由于泄漏原因，

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Computer［C］.Proceedings of the Purdue Compressor

［7］ 张业明，王帅，魏绍亮，等.间隙性大流量用气工况

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          作者简介：李豪（1992-），男，研究生，主要从事螺杆压缩机的研究，通讯地址：710049 陕西西安市咸宁西路28号西安交通大学，E-mail：392043112@qq.com。

（上接第34页）

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          作者简介：刘怡（1994-），男，硕士研究生，主要从事阀门流场特性分析与结构优化方面的研究，通讯地址：643000 四川自贡市四川理工学院机械工程学院，E-mail：2289203622@qq.com。