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。
压气机气动力学
压气机气动力学压气机气动力学是研究压气机内部气流运动和压气机性能的学科。
它在航空航天、能源等领域具有重要的应用价值。
本文将从压气机气动力学的基本原理、气流运动分析、压气机性能评估和应用前景等方面进行介绍。
一、压气机气动力学的基本原理压气机是将气体通过旋转叶片等方式提高压力的机械设备。
其基本原理是利用叶轮的旋转运动将气体带入压气机内部，通过叶片的加速和扩张来增加气体的动能和压力。
在压气机内部，气体经过多级叶片的作用，逐渐增加压力，并最终排出。
压气机的性能主要取决于气流的流动特性和叶轮的几何形状。
二、气流运动分析压气机内部气流的运动是压气机气动力学的重要研究内容。
在压气机中，气体在叶轮的作用下发生加速和扩张，并在不同叶片间形成旋涡。
这些旋涡对气流的传输和能量转换起着关键作用。
研究气流的运动规律可以帮助我们深入了解压气机内部的气体流动过程，从而优化叶轮的设计和改进压气机的性能。
三、压气机性能评估压气机的性能评估是压气机气动力学研究的重要内容。
性能评估主要包括压气机的压力比、效率和流量等指标。
压力比是指压气机出口气体压力与进口气体压力的比值，是衡量压气机增压能力的重要指标。
效率是指压气机的能量转化效率，即输入功率与输出功率之比。
流量是指单位时间内通过压气机的气体质量或体积。
通过对这些指标的评估，可以判断压气机的性能优劣，为压气机的设计和应用提供参考。
压气机气动力学的研究不仅在航空航天领域有着广泛应用，也在能源领域具有重要作用。
在航空航天领域，压气机被广泛应用于飞机发动机和航空发动机。
不仅可以提供足够的推力，还可以改善发动机的燃烧效率和热效率。
在能源领域，压气机被广泛应用于燃气轮机和蒸汽轮机等发电设备中，可以提高能源利用效率，减少能源消耗和环境污染。
压气机气动力学是研究压气机内部气流运动和压气机性能的重要学科。
通过对气流运动规律的分析和压气机性能的评估，可以优化压气机的设计和改进压气机的性能。
压气机气动力学的研究在航空航天、能源等领域具有广泛的应用前景，对于提高能源利用效率、减少能源消耗和环境污染具有重要意义。
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
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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。
涡轮增压器压气机性能分析
也就无法具体地分析 流道 内部 的缺陷。但是采用 计算 流体力 学 （ Ｆ 就 能 避 免 以 上 缺 点 ， 而 为 Ｃ Ｄ） 从 性能优化提供指导。 本文采用计算流体力学方法 （ Ｆ ） Ｃ Ｄ 对某一款 涡轮增压器的压气机 叶轮及蜗壳进行联合性能计 算， 这样能更加准确地反映 出压气机 叶轮 和蜗壳
位 。可 以推 测 ， 向二 次 流 动 是 由于 动 叶 顶 部 间 周
一
隙流驱动的， 且随着压比升高 ， 动叶顶部间隙内的 顶部间隙流强度增强 ， 驱动力加 大； 而且 ，０ ９ ％叶 高处二次流动强度达到一定 值时 ， 导致其它 叶高
处分 离 区产 生 ， 随 着 二 次 流 强 度 的增 强 分 离 区 并 也 随之加 大 ， 终导 致 压气 机 进入 失 速 区 ， 而发 最 进
速 （ ３ ７ ／ ｉ） 的 ３个 不 同工 况 点 进 行 研 １ ０２ ４ ｒｍ ｎ 下
从 图 ３可 以看 出 ， 图上 半 部 分 为 流 量 － 率 该 效 曲线 ， 半部 分 为流量 ． 比曲线 。低 转速 时 ， 比 下 压 压
究， 其中这 ３个工况点分别代表 了压气机 叶轮在 堵 塞工 况点 、 效率最 高 工 况 点和 喘 振工 况 点 ， 图 如
【 关键词 】 涡轮增压器 压气机 计算流体力学 １０ ． ５ ． ０ １ １ ．４ ｏ：０ ３ ６ ／ ．ｓ ．０ ７４ ４ ２ １ ． １ ０ ｓ ５
０ 引言
随着 我 国排 放 法 规 要 求 越 来 越 严 格 ， 气 涡 废 轮增压 器 由于在 节 能 、 高 功 率 以及 环 保 等 方 面 提 的优势 ， 发动 机上 的运 用 越来 越 广 泛 ， 且发 展 在 并 速度 也越来 越快 。然 而 一 台 涡轮 增压 器 性 能 的好
压气机性能试验报告_第9组
北京航空航天大学能源与动力工程学院专业综合实验报告班级学号姓名评分实验名称压气机性能实验实验日期一、实验目的1)掌握轴流压气机内流动、加功增压原理和特性；2)熟悉压气机气动参数测量和计算方法。
二、实验内容1、性能测试中的气动参数测量与速度三角形一台压气机在设计完成后，组装到核心机之前一定要经过部件试验的验证。
达到设计指标的才能进行组装。
这部分试验内容称之为压气机的性能测试。
其中最主要的性能参数集中反映在流量、压比和效率这几个参数上。
为了能够绘制速度三角形，本次试验要求在设计和近失速这两个特征状态下，测量如下气动参数：流量管静压、转子进出口外壁静压、静子出口外壁静压、转子进出口和静子出口平均半径处的总压、转子出口平均半径处的气流偏角以及其它必要的辅助参数。
2、额定折合转速下压气机特性曲线压气机的性能用特性曲线来表示。
对于高速压气机，通常的特性曲线图为流量－总压比图和流量－效率图。
但对于低速压气机，其横坐标则常用流量系数来表示，而压比可用压升或压升系数来表示。
试验时首先要在流量全开的情况下将转速开至待测转速。
待转速稳定后逐渐减小排气阀关度，通过减小排气面积来提高反压，从而得到同一转速下不同流量点的特性。
当流量减小到一定值时就会发生失速或喘振，此时应退出失速或喘振状态。
将同一转速下的这些测点连接起来就成为一条特性线。
如需完整的特性图，还应返回大流量状态，然后开至其它转速，重复这个过程。
图2.1为某低速压气机额定转速下的特性曲线示意图。
0.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.70∆p/.5ρum2ca/um0.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.701.0101.0121.0141.016πca/um0.750.800.850.90η图 2.1 压气机特性曲线三、实验装置如图2.2所示，实验台为一排动叶和一排静叶组成的单级轴流压气机，可增加叶片排数，扩展为双级相同级或三级相同级。
轴流式压气机性能预测方法的研究
轴流式压气机性能预测方法的研究轴流式压气机是现代航空发动机中最重要的组成部分之一，因为它的性能直接关系到整个发动机的效率和可靠性。
因此，如何预测轴流式压气机的性能成为了研究的重点问题之一。
一、轴流式压气机的原理和工作过程轴流式压气机的作用是将空气压缩并向后送到燃烧室中与燃料混合，在燃料燃烧后，把燃烧产生的高温高压气体排出，推动涡轮转子运转，从而推动飞机或直升机等航空器飞行。
轴流式压气机由多级叶片和转子组成，每级叶片和转子的形状和角度都不同。
空气经一级叶片进入转子，转子带动空气向前流动，并在转子的弯曲处受到离心力的作用而产生压力，压缩后的高压空气再经过下一级叶片和转子组成的高压气室进行二次压缩，最终向燃烧室中送入。
二、轴流式压气机性能预测的方法1.理论分析法理论分析法是最基本、最简便、准确度最高的轴流式压气机性能预测方法之一，它可以根据轴流式压气机的物理和气体动力学原理，通过计算机数学模型分析轴流式压气机的流动状态和性能参数。
其中包括轴流式压气机的空气动力设计、气动布局和气动特性的计算等。
2.实验测试法实验测试法是通过设计实验设备和测试方法来获取轴流式压气机性能参数的方法。
例如，使用实验台对轴流式压气机进行动态测试，在测试中通过操纵转子转速，通过测量进出口气压、温度、流速以及转速、功率等参数来获取轴流式压气机的性能数据。
虽然实验测试法在实际操作中较为复杂，对于模拟轴流式压气机的实际工作状态和获取真实数据具有不可替代的作用。
同时，数值仿真模拟经常需要简化或者把参数视为平均数，无法考虑部分离散变化，实验测试方法能够真实地反映压气机实际工作过程中的参数变化，能更准确的模拟实际情况。
3.数值模拟法数值模拟法是使用计算机软件模拟轴流式压气机流动状态、压力等参数的变化。
数值模拟法可以提供轴流式压气机流动状态的详细信息，例如流场状态、叶片间间隔、叶片载荷等。
相对于实验测试法而言，数值模拟法具有计算成本低、模拟速度快、数据采集不受时间、环境等因素影响等优点。
压气机级的基本参数沿
压气机级的基本参数沿用途及原理压气机是一种将气体压缩的机械设备，广泛应用于工业、航空、航天等领域。
它的基本原理是通过旋转的叶轮将气体加速，并在静止的固体叶片上产生压力，从而实现气体的压缩。
在压缩过程中，气体温度会升高，因此需要冷却系统来保持温度稳定。
压气机级的基本参数1. 压比（Pressure Ratio）压比是指出口静态压力与入口静态压力之比。
它是衡量单级压缩能力的重要参数，通常用来描述整个压缩系统的性能。
在设计和选择压气机时，需要考虑所需的最终输出压力和入口条件。
2. 流量（Flow Rate）流量是指单位时间内通过一个给定面积的气体质量或体积。
在设计和选择压气机时，需要考虑所需流量和入口条件。
3. 效率（Efficiency）效率是指输出功率与输入功率之比。
对于一个给定的流量和压比，效率越高意味着更少的能量浪费和更低的运行成本。
因此，在设计和选择压气机时，需要考虑效率和所需输出功率。
4. 转速（Rotational Speed）转速是指压气机旋转的速度。
它是衡量压气机性能的重要参数之一，通常用来描述单级压缩能力。
在设计和选择压气机时，需要考虑所需流量、压比和效率，并根据这些要求来确定适当的转速。
5. 噪声（Noise）噪声是指由于空气动力学效应、振动和流体噪声等因素产生的声音。
在选择和使用压气机时，需要考虑噪声水平，并采取相应的措施来减少噪声对环境和工作人员造成的影响。
6. 重量（Weight）重量是指整个压气机系统的重量。
在设计和选择压气机时，需要考虑所需流量、压比、效率以及其他因素，并根据这些要求来确定适当的重量。
7. 尺寸（Size）尺寸是指整个压气机系统的大小。
在设计和选择压气机时，需要考虑所需流量、压比、效率以及其他因素，并根据这些要求来确定适当的尺寸。
8. 可靠性（Reliability）可靠性是指压气机系统的稳定性和可靠性。
在选择和使用压气机时，需要考虑其可靠性，并采取相应的措施来确保系统的稳定性和可靠性。
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。
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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）。
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，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：
3．容积效率（）
由容积效率的定义得：
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：
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）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。
极臂一端有重块4，下部有极针5（用于固定测面仪的位置），另一端用活动铰支点6与滑架连接。
描臂的一端有描针7。
测量示功图面积时，描针要沿示功图曲线顺时针方向移动。
滑架可在描臂上移动，用于调节描臂长度，使其与待测面积的比例尺相适应。
滑架上有测轮8，记录轮9和游标10。
测轮和记录轮之间用蜗轮蜗杆传动。
当描针沿被测面积的边线移动时，测轮随之滚动的弧长和被测面积的大小成正比。
因此，当描针沿被测面积移动一圈后，就可以直接从测轮的计量机构上读出所测面积的数值。
面积仪读数：测轮转一周记录轮转一格。
测轮分为10大格，每大格又分为10小格。
游标上亦有10格，这10格的总长度与测轮的9小格长度相等。
利用这套计量机构可读出四位数字。
三者的读数关系如下：
游标上一格相当于10mm2
测轮上一小格相当于100mm2
测轮上一大格相当于1000mm2
记录轮上一大格相当于10000mm2
面积仪的使用方法
1.将待测示功图用胶纸固定在平整的绘图板上。
2.根据图形大小，移动滑架调节描臂长度，以选取适当的比例（对示功图通常取1：1，此时描臂长34cm）。
3.把极针固定在适当位置，装好面积仪。
先用描针粗略地沿所测面积的边缘移动一周，以检查比例是否合适，测轮转动是否灵活。
4.在所测示功图边缘上任选一点作为起点，将描针移至起点，将面积仪上的游标、测轮、记录轮都调整至“0”处，再将描针准确地按图形边缘顺时针方向移动一周，回到起点，此时面积仪上显示的读数乘上面积常数；（我们一般取的比例为1：1，此时面积常数为1）就可得到示功图的面积。
为了使读数准确，通常应测2~3次，取其平均值。
5.面积仪是比较精密的仪器，使用时应轻拿轻放、切不可碰撞。