实验二 压气机的性能
压气机性能实验报告
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）压气机性能实验主考院校:专业名称：专业代码：学生姓名：准考证号：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。
压气机的原理和特性
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主要气动参数
进出气角β1和β2 进口冲角
进出气角：气流进、出口相对流速与叶栅前、 进口冲角：叶栅的入口安装角与气流进气 后额线的夹角。 角之差。
i =β1j-β1
出口落后角 δ=β1j-β1 气流转折角 Δβ=β2-β1
气流转折角：气流出气角与进气角之差。
出口落后角：叶栅的出口安装角与气流出气角之差。
压气机的流量特性线：
通过实验测定并作出的压气机流量特性曲线。
压气机的特性线组：
不同转速下的压气机特性线绘在一起，所得到的曲线 组，称为压气机的特性线组。
2.单级轴流式压气机的特性线
25
特点
①每一转速下的压比均有一最大值 （最大压比点：左、右两支）； ②压气机的喘振 ——转速不变，流量降低到一定值 后，压气机内的气流轴向脉动引起 的整台机器的剧烈振动。 喘振边界点：压比不稳定无法 绘出时对应的流量点。 喘振边界线：各转速下喘振工 况点的连线。
入口安装角和出口安装角 ：叶型中弧线在前缘点和后 14 缘点的切线与叶栅前、后额线的夹角。
叶栅的几何参数
叶栅前后额线
叶型安装角γp 栅距t 入口安装角β1j 出口安装角β2j
叶栅前后额线：叶型前、后缘点的连线。
栅距t ：两个相邻叶型上同位点在圆周方向上的距离。 叶型安装角γp ：外弦线与圆周方向的夹角。
2.压气机的喘振
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压气机喘振的特征
压气机的流量时增时减； 压力忽高忽低； 整个机组剧烈振动并伴随特有轰鸣声。
压气机喘振的原因
内因（根本原因和必要条件）—— 压气机失速； 外因—— 压气机下游存在容积较大的管网部件。
压气机的性能
压气机的性能压气机在工程上应用广泛，种类繁多但其工作原理都是消耗机械能（或电能）而获得压缩气体，压气机的压缩指数和容积效率等是衡量其性能优劣的重要参数，本实验是利用微机对压气机的有关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，从而获得其平均压缩指数n、容积效率，指示功、指示功率P等性能参数。
一、实验目的1．掌握用微机检测指示功，指示功率，压缩指数和容积效率等基本操作测试方法；2．掌握用面积仪测量不同示功图的面积，并计算指示功，指示功率，压缩指数和容积效率。
3．对微机采集数据和数据处理的全过程和方法有所了解。
二、实验装置及测量系统本实验装置主要由压气机和与其配套的电动机以及测试系统所组成，测试系统包括压力传感器，动态应变仪，放大器，A/D板，微机，绘图仪及打印机，详见图2-1所示。
压气机的型号：Z——0.03/7气缸直径：D=50mm，活塞行程：L=20mm连杆长度：H=70mm，转速：n=1400转/分为获得反映压气机性能的示功图，在压气机气缸上安装了一个应变式压力传感器，供实验时输出气缸内的瞬态压力信号，该信号经桥式整流以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，以达到压力和曲柄转角信号的同步，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，然后送到计算机，经计算机处理便得到了压气机工作过程中的有关数据及展开示功图和封闭的示功图，详见图2-2和图2-3。
三、实验原理1．指示功和指示功率指示功——压气机进行一个工作过程、压气机所消耗的功，显然其值就是P—V图上工作过程线cdijc 所包围的面积，即式中S——测面仪测定的P—V图上工作过程线所围的面积（mm2）K1——单位长度代表的容积（mm3/mm）；即L——活塞行程（mm）；——活塞行程的线段长度（mm）；——单位长度代表的压力（at/mm）；——压气机排气工作时的表压力（at）；——表压力在纵坐标上对应的高度（mm）；P——指示功率，即：单位时间内压气机所消耗的功，可用下式表示：式中N——转速（转/分）。
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）压气机性能实验主考院校:专业名称：专业代码：学生姓名：准考证号：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。
压气机的原理和特性
第二十页，共62页。
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➢ 影响压气机级的增压能力的因素（限制条件）
➢ 叶片材料许用应力（强度）的限制 圆周速度u不能过大
➢ 叶栅气动性能的限制
气流转折角Δβ不宜过大
压气机的原理和特性
第一页，共62页。
主要内容 2
压气机的类型及特点 压气机级的工作原理 压气机的特性 压气机的不稳定工况 压气机的结构
第二页，共62页。
（一）压气机的类型及特点
3
1.压气机的作用
——向燃气轮机的燃烧室连续不断地供应高压空气。
2.压气机的类型
轴流式：Axial-flow Type Air Compressor
压气机（>400 kPa)
第六页，共62页。
轴流式压气机和离心式压气机性能比较 7
比较项 气流总体流向
优点
缺点 应用率高 （80%－92%）
级的增压能力低 （单级压缩比1.15－
1.35）
大中型燃气轮机
径向
级的增压能力高 （单级压缩比高达4－
4.5）
流量小、效率低 （75%－85%）
压 气 机 工 作 范 围 (qVm axqVm in)/qVm in 式 中 ： qVm ax— — 某 转 速 下 压 气 机 进 口 的 最 大 空 气 流 量 ；
qVm in?— 同 转 速 下 压 气 机 进 口 的 最 小 空 气 流 量 。
第二十八页，共62页。
4.压气机的通用特性线
23
c22
c32 2
q2
第十九页，共62页。
航空发动机原理与构造实验报告
航空发动机原理与构造实验报告实验名称：小型轴流式压气机实验授课班级：100146C授课教师：姓名：学号：一、实验目的：1、加强对压气机流量特性的理解。
2、进一步提高动手能力。
二、实验内容：包括压气机相关参数的测量、计算以及流量特性曲线的绘制。
三、基本概念：压气机特性：压气机的性能参数增压比和效率随工作参数流量；转速；进入压气机空气的总温；总压的变化规律称为压气机特性。
压气机的流量特性：在进入压气机空气的总温和总压保持不变的情况下，压气机的增压比和效率随进入压气机空气的流量和压气机转速的变化规律称为压气机的流量特性。
四、试验台部件：1、进口导流盆。
2、可调进口导流叶片。
3、转子叶轮。
4、出口导流叶片。
5、动力系统。
、6、进口整流罩和出口整流锥。
7、出口节流阀。
8、试验台支架。
五、实验原理：压气机在任何转速下工作，在一定的流量范围内，随着流量下降，增压比上升；随着流量继续下降，增压比开始下降。
当减小到一定程度时，压气机进入不稳定工作。
这是由于气流量减小，气流轴后速度减小，气流的正攻角增大。
气流在叶背的分离将更严重，压气机的效率降低，增压比下降。
六、数据处理：数据如下表：Pt0（Pa）Tt0（K）P1（Pa）Pt4（Pa）P4（Pa）Mass（K/S）（度）20 99864 300.32 99828 99953 99917.13 1.78630 99876 300.33 99846 99992 99968.54 1.66540 99889 300.36 99867 100058 100035.13 1.39445 99895 300.37 99876 100083 100066.35 1.29050 99898 300.38 99886 100046 100044.24 1.048七、特性曲线绘制：通过得到静压升作为纵坐标。
把流量作为横坐标可得到流量特性图。
流量特性图八、实验总结：由流量特性图可以看出：初始阶段，随流量下降，增压比上升；达到峰值以后，随流量继续下降，增压比开始下降。
压气机特性(精)
qma A1V1a 1 f ( qv )
* k f1 ( qv , n) * k f 2 ( qv , n)
整理测取数据（P75）
– 容积流量 – 增压比 – 效率
一定进气条件的特性
– 等转速线 – 等效率线 – 稳定边界线
3、通用特性线
相似理论
相似准则
– 几何相似 – 运动相似
对应点速度方向相同，大小成比例
– 动力相似
轴向Ma相等 切向Mu相等
k f1 ( M a , M u )
*
k f 2 ( M a , M u )
*
由：
qma p1 n
T1*
*
KA1q (1 ) f1 ( M a )
n f 2 (M u , M a ) * k 1 T1 2 T1 (1 Ma ) 2 u Dn n Mu C a 6 0 kRT T1 1
所以：
k f1 (
*
qma p1 qma p1
* T 1 *
,
n
* T 1
)
k f 2 (
*
* T 1 *
,
n T 1
*
)
通用特性
通用特性图
相似流量为横坐标 增压比为纵坐标 相似转速为参变量 三种线
– 等相似转速线 – 等效率线 – 不稳定边界线
稳定工作范围 高效率区
四、压气机特性
1、特性的意义
– 压气机在设计状态下具有符合设计要求的增 压比和较高的效率。一台设计完成的压气机 不可能总在某一特定条件（设计状态）下工 作。 – 当工作条件偏离设计状态时，压气机的增压 比、效率会发生变化。 – 在非设计条件下工作时压气机性能参数（增 压比、效率）的变化为特性。
航空发动机设计手册第8册—压气机
航空发动机设计手册第8册—压气机航空发动机作为飞机的心脏，其设计和性能直接影响飞机的安全和效率。
在航空发动机设计手册的第8册中，压气机是其中一个关键的部分，其设计和性能对发动机整体性能起着至关重要的作用。
在本文中，我们将深入探讨压气机的设计原理、工作特性以及对整体发动机性能的影响。
1. 压气机的基本原理压气机是航空发动机中的一个关键部件，其主要作用是将气体压缩，提高进气气流的压力和温度。
压气机通常由多级叶片和转子组成，通过叶轮的旋转将气体压缩，使其达到所需的进气压力。
压气机的设计需要考虑叶轮的叶片角度、叶片数目、叶片材料等因素，以实现高效、稳定的压缩过程。
2. 压气机的工作特性压气机在工作过程中会产生压力脉动和振动问题，这对发动机的可靠性和性能造成一定的影响。
在设计压气机时，需要考虑叶轮和转子的结构强度、动力平衡等问题，以减小振动和噪音，提高压气机的工作稳定性和可靠性。
压气机的流场特性对压气机的压缩效率和性能影响巨大，需要通过流场仿真和试验验证来优化设计。
3. 压气机对整体发动机性能的影响压气机的设计和性能直接影响整体发动机的性能和效率。
压气机的压缩效率、气动性能和工作稳定性会影响发动机的燃烧过程、推力输出和燃油消耗，直接关系到飞机的飞行性能和经济性。
在设计压气机时，需要综合考虑压气机与其他部件的协调配合，以实现最佳的整体性能和效率。
总结回顾通过对航空发动机设计手册第8册—压气机的深入探讨，我们对压气机的设计原理、工作特性以及对整体发动机性能的影响有了更深入的了解。
压气机作为航空发动机中的关键部件，在提高发动机性能和效率方面发挥着重要作用。
在今后的发动机设计和优化过程中，需要继续关注压气机的设计和性能问题，以实现更高水平的发动机性能和效率。
个人观点和理解作为发动机设计师，我深知压气机在航空发动机中的重要性。
压气机的设计和性能直接关系到整体发动机的性能和效率，对整个飞机的飞行性能和经济性影响巨大。
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实验二压气机的性能
压气机在工程上应用广泛，种类繁多但其工作原理都是消耗机械能（或电能）而获得压缩气体，压气机的压缩指数和容积效率等是衡量其性能优劣的重要参数，本实验是利用微机对压气机的有关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，从而获得其平均压缩指数n、容积效率η
，指示功W c、指示功率P等性能参数。
v
一、实验目的
1．掌握用微机检测指示功，指示功率，压缩指数和容积效率等基本操作测试方法；
2．掌握用面积仪测量不同示功图的面积，并计算指示功，指示功率，压缩指数和容积效率。
3．对微机采集数据和数据处理的全过程和方法有所了解。
二、实验装置及测量系统
本实验装置主要由压气机和与其配套的电动机以及测试系统所组成，测试系统包括压力传感器，动态应变仪，放大器，A/D板，微机，绘图仪及打印机，详见图2-1所示。
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压气机的型号：Z——0.03/7
气缸直径：D=50mm，活塞行程：L=20mm
连杆长度：H=70mm，转速：n=1400转/分
为获得反映压气机性能的示功图，在压气机气缸上安装了一个应变式压力传感器，供实验时输出气缸内的瞬态压力信号，该信号经桥式整流以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，以达到压力和曲柄转角信号的同步，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，然后送到计算机，经计算机处理便得到了压气机工作过程中的有关数据及展开示功图和封闭的示功图，详见图2-2和图2-3。
三、实验原理
1．指示功和指示功率
指示功——压气机进行一个工作过程、压气机所消耗的功W c，显然其值就是P—V图上工作过程线cdijc所包围的面积，即
W W=W∙W1∙W2×10−5（kgf—m）
式中S——测面仪测定的P—V图上工作过程线所围的面积（mm2）
K1——单位长度代表的容积（mm3/mm）；即
W1=WWW2 4WW
1
L——活塞行程（mm）；
g̅b——活塞行程的线段长度（mm）；
K2——单位长度代表的压力（at/mm）；
W2=W2 WW ̅̅̅̅
P2——压气机排气工作时的表压力（at）；
fe̅——表压力在纵坐标上对应的高度（mm）；
P——指示功率，即：单位时间内压气机所消耗的功，可用下式表示：
W=W∙W W/102×60（KW）
式中N——转速（转/分）。
2．平均多变压缩指数
压气机的实际压缩过程介于定温压缩与定熵压缩之间，即多变指数n的范围为1<W<W，因为多变过程的技术功是过程功的n倍，所以n等于P—V图上压缩过程线与坐标轴围成的面积同压缩过程线与横坐标轴围成的面积之比，即：
W=由cdefc围成的面积由cdabc围成的面积
3．容积效率（η
c
）由容积效率的定义得：
W W=有效吸气容积活塞位移容积
在（P—V）示功图上，有效吸气过程线段长度与活塞行程线段长度之比等于容积效率即：
W W W̅W WW̅
四、实验步骤
1．微机检测操作
按图2-1连接所用测试仪器设备及电源。
1
（1）接通计算机电源，把软件插入计算机。
（2）在键盘上输入压气机软件名，并按回车键。
（3）根据计算机显示进行人机对话操作。
（4）将指示功，指示功率，多变指数，容积效率等参数记下。
（5）用打印机打出示功图供人工计算。
2．人工手算操作（参看面积仪的使用）
（1）用测面仪测定示功图的面积cdijc和线段gb与fe的长度。
人功计算指示功、指示功率。
（2）分别测量压缩过程线与坐标轴包围的面积cdabc及压缩过程线与纵坐标轴包围的面积cdefc求出多变指数n。
（3）用尺子量出反映有效吸气线段hb的长度和反映活塞行程线段gb的长度，求出容积效率。
五、实验报告内容
1、测量并计算出指示功和指示功率。
2、求出平均多变压缩指数。
3、求出容积效率。
4、分析压气机增压比的改变对容积效率有何影响。
六、思考题
1、活塞式压气机工作时，其压缩指数变化范围是多少？什么情况下耗功最省？
2、试由所测示功图分析该压气机工作是否正常？
面积仪的使用
面积仪是一种测量平面封闭图形面积的工具，我们根据经过计算机处理得到的活塞式压气机的封闭示功图，再利用面积仪计算压气机的指示功，平均压缩指数和平均膨胀指数。
极式面积仪的结构如附图2-3所示。
它由描臂、极臂2和滑架3等部件组成。
极臂一
1。