压缩机的热力性能和计算

§2.2.1压缩机的热力性能和计算
一、排气压力和进、排气系统
（1）排气压力
①压缩机的排气压力可变，压缩机铭牌上的排气压力是指额定值，压缩机可以在额定排气压力以内的任意压力下工作，如果条件允许，也可超过额定排气压力工作。

②压缩机的排气压力是由排气系统的压力（也称背压）所决定，而排气系统的压力又取决于进入排气系统的压力与系统输走的压力是否平衡，如图2-20所示。

③多级压缩机级间压力变化也服从上述规律。

首先是第一级开始建立背压，然后是其后的各级依次建立背压。

（2）进、排气系统
如图所示。

①图a的进气系统有气体连续、稳定产生，进气压力近似恒定；排气压力也近似恒定，运行参数基本恒定。

②图b的进气系统有气体连续、稳定产生，进气压力近似恒定；排气系统为有限容积，排气压力由低到高逐渐增加，一旦达到额定值，压缩机停止工作。

③图c的进气系统为有限容积，进气压力逐渐降低；排气系统压力恒定，一旦低于某一值，压缩机停止工作。

④图d的进、排气系统均为有限容积，压缩机工作后，进气压力逐渐降低；排气系统压力不断升高，当进气系统低于某一值或排气系统高于某一值，压缩机停止工作。

二、排气温度和压缩终了温度
（1）定义和计算
压缩机级的排气温度是在该级工作腔排气法兰接管处测得的温度，计算公式如下：
压缩终了温度是工作腔内气体完成压缩机过程，开始排气时的温度，计算公式如下：
排气温度要比压缩终了温度稍低一些。

（2）关于排气温度的限制
①汽缸用润滑油时，排气温度过高会使润滑油黏度降低及润滑性能恶化；另外，空气压缩机中如果排气温度过高，会导致气体中含油增加，形成积炭现象，因此，一般空气压缩机的排气温度限制在160°C以内，移动式空气压缩机限制在180°C以内。

②氮、氨气压缩机考虑到润滑油的性能，排气温度一般限制在160°C以内。

③压缩氯气时，对湿氯气的排气温度限制在100°C，干氯气的排气温度限制在130°C。

④石油压缩机的排气温度一般不超过100°C。

⑤乙炔压缩机的排气温度一般不超过100°C。

⑥汽缸无由润滑压缩机，如果使用自润滑材料做密封元件，允许的排气温度取决于自润滑材料的性质，如填充聚四氟乙烯材料的限制温度为180°C。

三、排气量和供气量
（1）定义
①排气量（也称容积流量、输气量）q V：通常是指在所要求的排气压力下，压缩机最后一级单位时间内排出气体，换算到第一级进口状态的压力和温度时的气体容积值，单位m3/min 或 m3/h 。

排气量换算时的几个注意事项：
a、如果被压缩气体中含有水蒸气，压缩完成后经冷却分离出来，这部分水分也应该换算成一级进口状态的水蒸
气容积计入排气量。

b、如果有一些组分气体在压缩到一定压力后被洗涤清除，这部分气体也应该包含在排气量中并换算到一级进口
状态。

c、对于实际气体，若是根据气体出口高压下测得的体积进行换算，应考虑气体的可压缩性的影响。

d、压缩机排气量是压缩机吸入量减去各级泄露的剩余气量，排气量可以变化，压缩机铭牌上标注的排气量指的是
额定工况下容积流量数值。

②供气量（标准容积流量）：指压缩机单位时间内排出的气体容积折算到标准状态下时的干气体容积值。

供气量换算时的几个注意事项：
a、级间如果有冷凝水析出，则被分离掉的冷凝水不计入供气量。

b、级间如果进行抽气洗涤净化，则被洗涤掉的组分不计入供气量。

c、级间如果被压缩介质在到达压缩机出口之前被抽走并用于工艺流程，则这部分被抽调的气体也应该换算成干气
体，计入供气量。

d、若中途加入其他气体并由机组出口排出，则这部分气体计入供气量。

③理论容积量：单位时间内所形成的压缩机工作容积之和，等于每转总工作容积或排量乘以转速。

（2）排气量的计算：
①根据实测值换算：
当实际测得末级排气量时，可按照下式求解压缩机的排气量：
容积流量随压缩机的进口状态而变，它不反映压缩机所排气体的物质数量。

②根据理论计算：
根据定义，排气量等于压缩机每一转吸进的气体扣除中途泄漏到机器外部的气体，再乘以转速，即：
（4）供气量与容积流量的关系：
四、压缩机热力分析和计算
（1）冷却析水问题
用于压缩湿气体的压缩机，中间各级或末级排气经冷却后，气体的含湿量会增加，如果水蒸气的分压达到相应温度下的饱和蒸汽压，就会有水分从气体中析出。

①任意压缩机的第一级的析水系数为1。

②多级压缩机任意第i级的析水系数为：
当压力较高时，可简化为：
（2）各级泄露问题
①直接泄入大气或第一级进气管道的气体，因是泄漏到压缩机之外，故称为外泄露。

如一级进气阀的泄漏，各工作腔填料的泄漏，活塞环向大气或向第一级进气系统的泄漏等。

②气体仅由高压级或高压区泄入低压区，但仍在压缩机之内，故称为内泄漏。

③外泄漏直接降低排气量并增加功率消耗，内泄露不直接影响排气量，但能影响级间压力分配，倘若泄漏影响到第一级排气压力，也能间接影响排气量。

④在第一级汽缸膨胀和进气过程中，若有气体泄入该缸容积，也属外漏。

⑤泄漏系数与汽缸的排列方式、汽缸与活塞杆的直径、曲轴转速、气体压力的高低一级气体性质有关。

⑥有油润滑压缩机一般取0.9-0.98，无油润滑压缩机一般取0.85-0.95。

（3）级间抽气问题
级间抽气：在压缩机进气口和排气口之间的某个部位，将压缩机系统中的气体抽走一部分，或额外补充进一部分气体，大致有如下三种情况。

①将压缩机至中间压力的气体全部进行洗涤净化，去除
其中工艺上不需要的少数成分后，剩余的有效成分再返回压
缩机继续压缩。

②将压缩机至中间压力的气体抽出一部分，直接用于工
艺流程中需求压力较低的工段，其余气体继续压缩至机组排
气压力。

③在压缩机进、出口之间的某一部位补充一些中压气
体，这部分补充气体与吸气口来的气体一道被后几级压缩并
送至压缩机出口。

（4）工作容积计算
照前一级排出的气体经级间冷却后，刚好要为下一级所吸进的原则，压缩机任意第i级工作容积可用下式计算：
五、功率和效率
（1）指示功率及其影响因素
①指示功
压缩机直接用于压缩气体所消耗的功。

整个压缩机的指示功为各级指示功之和，单位时间内消耗的指示功称为指示功率，即：
②排出的气体量
级单位体积排气量所消耗的指示功为：
由此可见，吸气预热、吸排气压力损失、泄漏的增加都会导致
单位排气量消耗的指示功增加。

（2）轴功率和机械效率
①摩擦功：压缩机用于克服摩擦所消耗的功。

表2-3 往复压缩机各部分摩擦功比例
部位名称百分比%部位名称百分比%活塞环（处于气体压力作用下）38-45 十字头销6-8
活塞环（仅本身初弹力）5-8 曲柄销15-20
填料2-10 主轴颈13-18
十字头滑道4-5
②轴功：压缩机的轴功包括指示功与摩擦功两部分。

③机械效率：指示功率与轴功率之比。

压缩机机械效率统计
（3）热效率
①等温指示效率
压缩机理论等温循环指示功与实际循环指示功之比。

因为理论等温循环指示功是压缩机所必需的最小功，反映实际消耗的指示功与最小功的接近程度，即经济性情况。

它反映了实际循环由于泄漏、热交换以及进、排气阻力而造成的损失。

②等温轴效率
理论等温指示功与轴功之比，即按第一级进口温度，等温压缩到排气压力时时的理论等温循环指示功率与实际循环的轴功率之比，现有压缩机一般为0.6-0.75。

③绝热指示效率
理论绝热循环指示功与实际循环指示功之比。

④绝热效率
即绝热轴效率，压缩机的理论绝热循环功率与实际循环轴功率之比。

实际压缩机级的压缩过程均趋于绝热，绝热效率能较好的反映级数相同时，气阀等流动部分的阴力损失情况。

在多级压缩时，它不能直接反映机器的效率消耗指标的先进与否。

（4）比功率
排气压力相同的机器，单位容积流量所消耗的功。

比功率常用于比较同一类型压缩机的经济性，它很直观，特别是空气动力用压缩机常采用比功率来作为经济性评价的指标。

在比较同一类型压缩机的比功率时，要注意除排气压力相同外，冷却水入口温度、水耗量也应相同。

2.2.2压缩机动力性能和计算
一、压缩机中的作用力
压缩机运行过程中产生的作用力有：
a、气体压力产生的作用力；
b、往复质量与不平衡旋转质量造成的惯性力；
c、接触面相对运动产生的摩擦力。

（1）机构运动学关系简化
如图所示：
活塞位移简化为：
将位移和速度对时间求导，得到其速度和加速度分别为：速度：
加速度：
（2）机构运动质量等效
如图所示简化过程，得到转化后的结构。

整个压缩机运动机构转化在往复运动部分的总质量为：
整个压缩机运动机构转化在旋转运动部分的总质量为：
其中：
（3）各种作用力的计算
①气体力
气缸内的气体压力随活塞运动，即随曲轴转角变化，变化规律可由压力指示图或过程方程得到。

几种典型汽缸的气体力计算如图。

②惯性力
产生原因：运动零件不等速运动或作旋转运动时会产生惯性力，其大小取决于运动件的质量和加速度。

往复惯性力:
方向：往复惯性力始终作用于该汽缸轴线方向，仅其大小随曲轴转换角度周期地变化。

一台往复压缩机的惯性力曲线如图所示。

旋转惯性力：
方向：沿曲柄半径方向向外，故其方向随曲轴旋转变化，大小不变。

③摩擦力
定义：作用于接触面间，大小取决于正压力及摩擦系数，方向始终与运动方向相反。

与惯性力、气体力等相比，摩擦力较小且计算较为复杂，在力的分析中一般不计入。

（4）综合活塞力
①侧向力和连杆力
如图（2-31）所示，曲柄处于任意转角θ时，设F g和往复惯性力F Is合成的活塞力F P，先作用于十字头销或活塞销上，然后沿连杆传递。

设连杆与气缸轴线夹角为β，则传到连杆上的连杆力F l为：
同时，在十字头上产生一个压向十字头滑道的分力F N，
称侧向力：
②阻力矩和倾覆力矩
阻力矩：连杆力沿连杆传至曲柄销中心点，作用在曲柄销上，对曲轴旋转中心构成的力矩，方向与曲轴旋转方向相反。

倾覆力矩：侧向力和主轴颈作用于轴承上的垂直分力大小相等，方向相反，在机器内部构成一个力矩。

在立式压缩
机中有使机器顺着旋转方面倾倒的趋势，习惯上称为倾覆力矩：
倾覆力矩与阻力矩大小相等，方向相反，但倾覆力矩作用在机身上，阻力矩作用在主轴上，因此两者在压缩机内部不能互相抵消，属自由力矩。

倾覆力矩周期变化会造成机器振动。

③切向力和法力
作用在曲柄上的连杆力可分解为垂直于曲柄方向的切向力F T及沿曲柄方向的法向力F R。

垂直于曲柄方向的切向力：
沿曲柄方向的法向力：
（5）各力对压缩机的作用
①气体力
a、气缸中的气体力一方面作用于活塞上，另一方面作用到气缸盖或气缸座上。

b、作用于气缸盖（座）上的F g通过气缸和机身传递到主轴承上，与经过运动机构传递到主轴承上的活塞力F P中的
气体力部分抵消。

在气缸轴线方向上，气体力不会传到机器外边来，它在机器内部相互平衡。

c、气体力F g只使气缸、中体和机身等有关部分以及它们之间的连接螺栓等承受拉伸或压缩，故称为内力。

②惯性力
a、作用在主轴承上的活塞力F p中，往复惯性力部分未被平衡，它能通过主轴承及机体传到机器外面来，因此惯性
力称为外力，或自由力。

b、往复惯性力I的方向与数值随曲柄转动周期改变，会引起机器的振动。

c、旋转惯性力F Ir作用在主轴承上，也会引起机器的振动。

③侧向力及倾覆力矩
a、侧向力F N和主轴颈作用于轴承上的垂直分力大小相等，方向相反，在机器内部构成一个力矩。

b、在立式压缩机中有使机器顺着旋转方面倾倒的趋势，习惯上称为倾覆力矩，周期变化会造成机器振动。

二、飞轮矩的确定
（1）安装飞轮的目的
机器总阻力矩随曲轴转角的变化而在其平均值上下波动，当原动机（如电机）的驱动力矩均不变时，在某些时刻驱动力矩和阻力矩就不能平衡，从而引起压缩机角速度不断变化，机器旋转不均匀，运转不稳定。

为了表征瞬时角速度变化的程度，引入旋转不均匀度δ：
δ过大会在运动部件上产生附加动载荷，使联轴器负荷加重，寿命降低，还会使电动机乃至工作的电流产生波动。

（2）飞轮矩的计算
通常用飞轮矩 GD2表示飞轮的转动惯量。

式中：G—飞轮轮缘部分的质量，kg；
D—飞轮轮缘截面质心所形成圆的直径，m；
n—压缩机转速，r/min；
L—压缩机一转中能量的变化值。

（3）压缩机结构方案对飞轮矩的影响
需要设置飞轮矩的根本原因是总切向力曲线不均匀，所以设法使FTZ曲线本身更均匀，减小飞轮矩，可采取如下措施：
a、采用双作用汽缸使向盖和向轴行程所消耗的功相近似时，切向力均匀；
b、曲柄错角或汽缸夹角的合理配置影响各列切向力叠加，进而影响总切向力的均匀性；
c、采用多列压缩机可使总切向力更均匀；
d、各列曲柄错角的超前或迟后也影响切向力的均匀性。

三、惯性力及其力矩的平衡
惯性力的平衡方法一般有两类：
①在曲柄销相反方向设置平衡重；
②使惯性力相互抵消。

（1）旋转惯性力的平衡
在曲柄的相反方向上装上一个平衡重。

质量为M0，到旋转中心的距离r0，需平衡重的质量取决于所需平衡力的大小，以及平衡重
质心到主轴的旋转中心的距离，确定方法如下：
（2）往复惯性力的平衡
①立式和一般卧式压缩机
特点：若干列汽缸都平行地排列在主轴一侧。

②对动式压缩机
图2-34为两列对动式压缩机，两列的往复运动对称。

当两列往复质量、旋转质量、曲柄半径均相等时，其一阶和二阶往复惯性力、旋转惯性力都相互抵消，仅剩下往复和旋转惯性力矩，可设置较小的平衡重平衡。

多列对动式压缩机可以选用每对动列与其他对动列之间合适的曲柄错角，使残余的力矩也完全平衡。

大型压缩机大多是多列对动式结构。

③V型压缩机。