往复压缩机性能综合测试实验指导书

实验一往复压缩机性能综合测试

一、实验目的

1.通过实验掌握压缩机压力、温度、功率、排气量，转速等有关性能参数的测

量方法。研究空气压缩机在转速一定时各状态参数之间的相互关系，并给出压缩机在不同压力比时，压缩机的容积系数，等温效率以及轴功率的变化曲线。

2.指示图的录取方法（即气缸内变化压力的测量方法），并对录取的指示图进

行分析研究，深入了解单级压缩机实际工作过程的物理本质。利用录取的指示图计算压缩机的指示功率，压缩机的容积系数和气阀功率损失。通过实验分析影响气量、功率的各个因素。

3.熟悉位移传感器的特性要求和使用方法，掌握气阀运动规律的测试方法；对

所录取的气阀阀运动规律进行分析研究并计算提前和延后关闭角。

二、实验原理

1.压缩机性能实验

依据GB/T 3853-1998的附录A《一般用容积式空气压缩机性能试验》（规范性附录）的要求进行。对于移动式小型空气压缩机，多为风冷、单级压缩，被测系统只有压缩机和储气罐，没有独立的冷却器（储气罐兼作后冷器）。性能试验应在规定的保证工况（规定的环境压力、温度）下进行，最终测定或计算出空压机的排气压力、排气温度、标准容积流量、转速、轴功率、比功率和效率等7个指标。为此需对整个空压机系统的多个热力学参数和机械参数进行测量。其中空压机热力学参数包括：吸气温度、排气温度、吸气压力、排气压力、储气罐压力和出口容积流量。有些参数需要多个测点。其中，压力测量仪表的误差应在±0.4%以内，大气压力在±0.15%以内；吸排气温度和冷却水温度测量的绝对误差应在±0.2℃以内，由于空压机最高排气温度不高于200℃，相当于±0.1%。2.排气量的测定

我国多采用喷咀截流法测量压缩机的排气量，其测试装置和喷咀均应符合国家标准GB15478-1995的规定。

压缩机将吸入气体经压缩升压后，排入储气罐稳压，经调节阀进入低压箱降压整流，再经节流喷咀喷出，喷咀前后形成压差，压差值由压力传感器检测，喷嘴前气体温度由2个温度传感器检测取平均值，如图1-1所示。3路信号均以4~20mA电流发送给数据采集卡，其检测数据在计算机控制界面上均有显示。据国标公式便可计算出该运转状态下的排气量。

图1-1 喷嘴流量计系统简图

3.转矩转速和轴功率测量

性能试验需要测量空压机的转速和轴功率，要求转速计的精度应优于±0.5%。通常对于旋转机械的轴功率，可采用三种方法测量：（1）直接测定空压机的转速和输入转矩，例如采用扭力计或直流测功机，仪器的相对误差应优于±1%；（2）通过校正过的直流电动机法测定电动机的输出功率，然后乘以传动效率；（3）传统上多采用用损耗分析法，即先测定电动机的输出功率，然后乘以传动效率，间接测得轴功率。

本实验台采用的是第一种，采用北京航宇华科的PTS881型光电式转矩转速仪。采用联轴器安装方式如图1-2所示。

动力轴联轴器转矩传感器联轴器负载轴

图1-2 转矩传感器及其联接方式

其检测原理如图1-3所示。在扭轴的两端同一条母线上喷涂（或粘贴）由反光材料组成的形状相同的2个反光条纹，在传感器外壳对应位置固定2个激光头，该激光头自带激光发射器和激光接收器，在扭轴转动时，激光头的光源照射到反光条纹被反射到接收器上，接收器产生电脉冲信号。扭轴空载时，这两组电脉冲信号之间的相位差与只与反光条纹的安装相对位置有关，该相位差一般称为初始相位差。在扭轴加上负荷后，扭轴产生扭转变形，使两组电脉冲信号之间的相位差发生变化，在弹性变形范围内，相位差变化的绝对值与转矩的大小成正比，从而可以用来测量转矩。

图1-3 转矩传感器检测原理

4.示功图的录取

往复压缩机实际工作循环的指示图（或称示功图），反映压缩机在一个工作循环中活塞在每一个位置时气缸气体压力变化的曲线，如图1-4所示。在录取指示图时，纵坐标表示气缸内的瞬时压力，而横坐标根据分析的需要可分别以气缸容积、活塞行程或曲柄转角来表示，因而实际的指示图曲线有以下几种：

（1）p-V图（压力—容积图），它反映气缸内压力和气缸容积间的关系；

（2）p-s图（压力—行程图），它反映气缸内压力和活塞行程间的关系；

（3）p-θ图（压力—转角图），它反映气缸内压力和曲轴转角间的关系；

这几种图线可以相互转换。其中p-θ图是开式指示图；p-V图和p-s图的形状相同，都是闭式指示图，即图线自动封闭。p-V图最具直观性和分析价值，但以p-θ图最易获得。通常是先录制p-θ图，然后转换成其它形式的图。

图1-4 往复压缩机的指示图

根据录取的指示图，人们可对压缩机的工作过程作一系列的分析计算。例如，根据指示图面积可算出气缸内平均指示压力、指示功率及气阀功率损失；根据吸入线长宽可算出容积系数Ev，根据最高排气压力和最低吸气压力，可求出气缸内实际压力比；根据气体压力所产生的作用力，可作为动力及强度复核计算的依据。此外，在指示图上还可以分析气阀、活塞环、填料等的泄漏情况，进排气过程的压力损失情况，压缩及膨胀过程的热交换情况等，进而分析、判断、消除压缩机运行故障。除了往复压缩机，在内燃机、油田抽油机等装置的测试中，指示图也有重要的分析价值和广泛的应用。

指示图的测录仪器称为指示器，在技术发展过程中曾先后出现机械式、气电式和电子式指示器，前两者结构复杂，操作不便，计算和分析依靠手工。电子式指示器采用非电量电测法获取各种信号，便于计算机处理，已逐渐取代机械式和气电式指示器成为技术主流。

电子式指示器通过曲轴转角传感器和止点信号发生器，获得曲轴的角坐标信息以及转速，这一方面内容参见前一节。外止点位置偏差1°,将造成指示图计算最大误差达5～10%，因此，指示图对止点信号准确性的要求更高。

电子式指示器利用压力传感器，检测曲轴转角对应的气缸内的瞬时压力。对压力传感器的要求是动态响应特性好，可供指示器利用的传感器类型，目前主要

有压电式、扩散硅压阻式和电阻应变式。后两种传感器的测试电路比较简单，除了可以测量压力的稳态值，也常用来测量压力脉动；但是用于测定气缸内压力时受温度的影响比较严重。压电式传感器的测试电路较复杂，但动态特性和稳定性更优良。这里重点介绍压电传感器的应用。

通过在压缩机气缸盖上安装的压力传感器将气缸内的压力转变为微弱的电压信号，经过调理模块处理信号之后，通过接线端子板及一根37pin 电缆连接线与数据采集板相连。环境温度等其他参数通过相应的传感器及变送器，以相同的连接方式进入数据采集板。皮带轮附近安装有霍尔接近开关，皮带轮与接近开关在压缩机曲轴每旋转一周开始的时候，产生一个脉冲开关信号，利用它作为开始采样的启动信号。对应任一压力值的气缸容积可以通过简单的数学计算得到。数学计算过程如下：

假定压缩机一个工作循环内取样次数为n （可由计算机来设定），则对应的第?个采样点活塞在气缸中的位移s 为

()???

????????? ??--+-=αα22sin )(11cos 1L r r L r s 式中

α ─ 曲轴（曲柄）的转角，n

i 360?=α（?＝0，1，2，…，n ）

r ─ 曲轴（曲柄）半径，本实验 r ＝57mm L ─ 连杆长度，本实验 L ＝250mm

则，气缸内气体容积为 V ＝A ·s （A 为气缸横截面积） 其中24

D A π

=

，D 为活塞直径，D =153mm

5. 活塞止点信号

由于往复压缩机正常运转时的转速波动不是很大，经常以活塞内外止点信号作为被测曲线分析计算的参考基准，中间的转角按时间等分内插。活塞止点信号的检测方法较多，压缩机技术中常用霍尔式和光电式传感器。传感器的发信端一般布置在飞轮上，其中霍尔式止点信号发生器可以将一个小磁钢嵌入飞轮轮缘的

内测，用霍尔元件检测；也可以仅仅嵌入一个凸起的小铁块，用电涡流型传感器探头检测。而光电式传感器一般采用反射式。传感器的探头安装位置需要精确定位，即转动飞轮使活塞分别处于内外止点，然后将探头对准发信点（磁钢、铁块或反光条）。

O

霍尔元件小磁钢

n

图1-5 霍尔止点信号发生器

活塞止点信号测录的正确性对测试曲线的分析计算精度有重大影响。除了信号本身特有的误差外，最主要的误差是传感器发送止点信号的时间与实际止点位置不一致。因而，精确调整止点位置十分重要。调整时一般采用百分表观察活塞是否在止点位置，并注意旋转方向以及消除轴承间隙。

6.阀片位移的检测

阀片的位移一般采用非电量电测技术完成，即先借助各种位移传感器将阀片的位移量变换成电学量、光学量等的变化，再进行测量。由于气阀的结构和安装空间非常紧凑，阀片位移的检测，难点在于传感器的设计和安装。常用的位移传感器主要有电容式、磁电式、电阻式和光电式等，有的传感器的输出信号与位移之间呈非线性关系，需要后续的电路进行非线性补偿。就传感器安装的位置而言，有侵入式和暗装式；就传感器的探头与阀片是否接触，亦有接触式和非接触式之分。接触式安装方式可广泛采用各种类型位移传感器，虽然传感器的精度可以选得很高，但是这种结构一般都由探头内部弹性回缩机构保持触舌与阀片的接触，这会向阀片施加额外的弹性力，改变阀片的受力状况，影响测量的真实性。侵入式安装要占用阀腔或阀孔的流通空间，增加了气流阻力，同时会改变阀片的受力状况。对于进气阀，探头多安装在阀座上，可以选则侵入式或暗装式；而对于排气阀，探头多安装在升程限制器上，但与阀孔相对的弹簧造成的检测障碍，多数

情况下采用暗装式。

对于阀片由导电材料制成的气阀，可采用电涡流式位移传感器测定气阀的运动规律，它是非接触式位移传感器。其基本原理是：对探头通以交流激励，探头的交变磁场在阀片上感生电涡流，该电涡流的次生磁场削弱了探头的自感。当气阀工作时，阀片的位移使电涡流及其次生磁场也发生变化，将阀片的位移转变为阻抗的变化。安装形式如图1-6所示，其中左侧为暗装形式，即在阀座（或升程限制器）上非气流通道处开孔安装；右侧安装方式简单，但占用了部分气流通道。

图1-6 电涡流传感器在环状阀或网状阀上的安装

三、实验装置和流程

1 实验装置

整个实验装置的流程图及数据采集系统结构图见图1-7和图1-8。

2 系统工作流程

系统运行后，主程序等待开始采集的命令（测试系统的计算机操作界面上设置有此按钮），当接受到这一指令后，扫描数据采集板的数字量输入通道，当检测到信号突变后，转入采样程序，按照要求的采样个数和延迟时间对模拟量输入通道进行采集和A/D转换，并将所得的结果存入采样数组；转换及存储完毕后，等待指令进行下一次操作。

图1-7 实验装置简图

大气温度、压力

排气压力

排气温度

吸气温度

PCI -1718数据

采集

卡

计算机

存储

键盘鼠标

显示打印

转矩、转速

压

缩

机

储气罐压力

缸内压力

止点信号发生器

图1-8 数据采集系统结构图

四、实验方法与步骤

1. 记录实验时间的大气压力和大气温度。打开计算机，进入系统操作界面。

2. 压缩机的启动准备。

（1）检查电源线、信号线缆是否完好、连接牢靠。 （2）检查油箱油线位置；

（3）检查压力表、安全阀等是否正常可靠；

（4）检查联轴器、皮带，手动盘车听压缩机内部声音； （5）接通控制柜电源，各仪表指示争取，确认准备工作完成。

3. 将出口调节阀全开后按动控制柜上的启动按钮(2个绿色按钮同时按下)，启动电机。

4. 稳定运行10-15分钟，记录储气罐内压力；

5. 记录下压缩机的转速、转矩、吸气温度、排气温度、排气压力、储气罐压力，喷咀前后的压差、喷咀前温度。

6. 点击操作界面上的采样按纽，开式示功图和阀片运动规律便显示在操作界面上，观察系统采集的图形，可将其数据保存成excel 文件。

7. 改变出口调节阀开度，使储气罐罐压力稳定在0.3MPa ，0.4MPa ，0.5MPa ，0.6MPa ，0.7MPa ，重复步骤4~6。

8. 按动控制柜上的停止按钮（红色），使电机停止运转，关闭冷却水，打开调压阀，将稳压罐内气体排空。

五、数据处理

1． 计算输气量和实测流量 计算输气量：

H V T P l th V n Q ?????=λλλλ

（1-1）

其中：λT =0.93，λP =0.96，λl =0.96，

)1(11

--=m

V εαλ，

s d P P =

ε，H

V V

0=α，s D V h ?=24π，（D ＝0.153m, S ＝0.114m ，V 0＝1.64310-4m 3） 实测流量由测得的喷嘴前温度和压力按下式计算：

)(82.182

b

z s m

P T p

T Cd Q ?= （1-2）

具体参数取值查GB15487-1995相关表格。

2. 轴功率计算：

226060

n P T T

T n ππ

ω=== （1-3）

计算中注意各变量采用的单位。

表1-1 数据记录与整理

测量 项目 单位

测量次数 1 2 3 4 5 6 储气罐 设定压力 MPa

全开:

储气罐 实测压力 MPa 吸气温度 ℃ 排气温度 ℃ 排气压力

MPa

喷咀前后压差 kPa

喷咀前温度

℃

转速 r/min 转矩 N 2m 轴功率 kW 指示功率 kW 机械效率

输气量 m 3/min 比功率

kJ/m 3

3. 指示图的分折计算

以p -V 指示图为基础进行计算。在p -V 指示图1-9上，A-B 为吸气过程，B-C 为压缩过程，C-D 为排气过程，D-A 为膨胀过程。主要的计算项目有：

图1-9 指示图的计算

（1) 求容积系数λv ：

B E

v B D V V V V λ-=

-

（1-4）

（2）求压力损失δs 和δd 、实际压比'ε及气阀功率损失c s 、c d ：

s

s s p p δ?= （1-5）

d

d d p p δ?=

（1-6）

1'(1)

1d d d d

d s s s s s

p p p p p p δεεδδδ+?+=

=≈++-?-

（1-7）

s ABEA

c pdV

=

?

（1-8）

d F C D F c p d V =?

（1-9）

（3）求指示功W i 和指示功率N i ：

i A B C D A W p d V =?

（1-10）

60i i W n N

（1-11）

4. 阀片运动规律的判别

如图1-10所示，阀片从全开位置降落到阀座上所需时间对应的曲轴转角θ1、阀片开始脱离升程限制器直到活塞到达止点所持续时间对应的曲轴转角θ2、阀片到达升程限制器直到活塞到达止点这段时间内所对应的曲轴转角θ3，检验下述指标：θ2/θ3<0.7和θ2/θ1>2时，表明该气阀有合理的运动规律。

图1-10 阀片的运动规律的判别

六、思考题

1. 结合示功图分析压缩比对排气量的影响？ 2．示功图的用途是什么?

3. 如何由压缩机转速确定活塞止点信号的采集频率？