压气机性能实验报告概要

天津市高等教育自学考试

模具设计与制造专业

热工基础与应用

综合实验报告

（一）压气机性能实验

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一、活塞式压气机概述

1.活塞式压气机结构及工作原理

（1）活塞式压气机结构

压气机在现代工业以及现代人的生活中被越来越多的广泛应用，不论是汽车上的涡轮增压系统还是航空航天发动机中的涡喷应用，随着技术的不断革新，其结构、性能也在不断的优化、提高。本实验旨在通过对简单形式的压气机，进行结构、工作原理以及性能的实验，以达到验证并深刻理解、掌握热工学课程中所学得的知识并应用于实际生产实践中。

本次实验所用压气机为“活塞式压气机”，现就其结构及特点作简要说明。

活塞式压气机是通用的机械设备之一，是一种将机械能转化为气体势能的机械。

图1.1 活塞式压气机机构简图

图1-2 三维仿真示意图

（2）活塞式压气机工作原理：

电机通过皮带带动曲柄转动，由连杆推动活塞作往复移动，压缩汽缸内的空气达到需要的压力。曲柄旋转一周，活塞往复移动一次，压气机的工作过程分为吸气、压缩、排气三步。

具体为：在气缸内作往复运动的活塞向右移动时，气缸内活塞左腔的压力低于大气压力pa ，吸气阀开启，外界空气吸入缸内，这个过程称为压缩过程。当缸内压力高于输出空气管道内压力p后，排气阀打开。压缩空气送至输气管内，这个过程称为排气过程。

这种结构的压缩机在排气过程结束时总有剩余容积存在。在下一次吸气时，剩余容积内的压缩空气会膨胀，从而减少了吸人的空气量，降低了效率，增加了压缩功。且由于剩余容积的存在，当压缩比增大时，温度急剧升高。特别的是，单级活塞式空压机，常用于需要 0 . 3 — 0 . 7MPa 压力范围的系统。压力超过 0 . 6MPa ，各项性能指标将急剧下降。故当输出压力较高时，应采取分级压缩。分级压缩可降低排气温度，节省压缩功，提高容积效率，增加压缩气体排气量。

活塞式空压机有多种结构形式。按气缸的配置方式分有立式、卧式、角度式、对称平衡式和对置式几种。按压缩级数可分为单级式、双级式和多级式三种。按设置方式可分为移动式和固定式两种。按控制方式可分为卸荷式和压力开关式两种。其中，卸荷式控制方式是指当贮气罐内的压力达到调定值时，空压机不停止运转而通过打开安全阀进行不压缩运转。这种空转状态称为卸荷运转。而压力开关式控制方式是指当贮气罐内的压力达到调定值时，空压机自动停止运转。

二、实验内容

1.实验目的

（1）压气机的压缩指数和容积效率等都是衡量其性能先进与否的重要参数。本实验是利用微机对压气机的有关性能参数进行实时动态采集，经计算处理、得到展开的和封闭的示功图。从而获得压气机的平均压缩指数、容积效率、指示功、指示功率等性能参数。

（2）掌握指示功、压缩指数和容积效率的基本测试方法。

（3）对使用电脑采集、处理数据的全过程和方法有所了解。

2.实验装置及测量系统

本实验仪器装置主要由：压气机、电动机及测试系统所组成。

测试系统包括：压力传感器、动态应变仪、放大器、计算机及打印机，

压气机型号：Z—0.03/7

汽缸直径：D=50mm 活塞行程: L=20mm 连杆长度：H=70mm，转速：n=1400转/分

图2-1 压气机实验装置及测试系统

图2-2 实验设备

为了获得反映压气机性能的示功图，在压气机的汽缸头上安装了一个应变式压力传感器，供实验时汽缸内输出的瞬态压力信号。该信号经桥式整流后，送至动态应变仪放大。对应着活塞上止点的位置，在飞轮外侧粘贴着一块磁条，从电磁传感器上取得活塞上止点的脉冲信号，作为控制采集压力的起止信号，以达到压力和曲柄传角信号的同步。这二路信号经放大器分别放大后，送入A/D板转换为数值量，然后送至计算机，经计算处理便得到了压气机工作过程中的有关数据及展开的示功图和封闭的示功图。

图2-3 封闭的示功图图2-4 展开的示功图

根据动力学公式，活塞位移量x 与曲柄转角a 有如下关系：

-=1(R x )2cos 1(4)cos a a -+λ

式中：λ=R/L

R ——曲柄半径；

H ——连杆长度；

a ——曲柄转角。

3.实验原理

（1）活塞式压气机的详细工作原理如前所述，现详细分析其工作过程

1）单级压气机理论工作过程（图2-5）

其中：①4－1过程为，气体引入气缸

②1－2过程为，气体在气缸内进行压缩

③2－3过程为，气体流出气缸，输向储气筒

特别注意的是，4-1和2-3过程不是热力过程，只是气体的移动过程，气体状态不发生变化，缸内气体的数量发生变化。

图2-5 活塞式压气机工作P-V 曲线图

2）存在余隙容积的理论工作工程；

<1>活塞式压气机的余隙：为了安置进、排气阀以及避免活塞与汽缸端盖间的碰撞，在汽缸端盖与活塞行程终点间留有一定的余隙，称为余隙容积，简称余隙。(图2-6)

①1-2过程为压缩过程

②2-3过程为 排气，状态未变

③3-4过程为残留气体膨胀

④4-1过程为进新气，状态未变

图2-6

<2>C V 对耗功和产气量的影响: (图2-7)

4

1h V V V -= 活塞排量 4

1V V C V -= 有效吸气容积 1

m 1p RT C V = m ：新气量，产气量

图2-7

<3>余隙容积C V 对理论压气功的影响(图2-8)

功的绝对值＝面积12341＝面积12561－面积43564

设1-2和4-3两过程n 相同

⎥⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=n 1-n 1p 2p -141p 1-n n n 1-n 1p 2p -11v 1p 1-n n t V W 3

p 2p = 1

1m 11p RT V = 4p 1p = 图2-8

<4>余隙对单位产气量耗功不影响(图2-9)

⎥⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=n 1-n 1p 2p -11p 1-n n n 1-n 1p 2p -141p 1-n n t C V V W ⎥⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==n 1-n 1p 2p -111-n n m t t RT W W

图2-9