进气温度对罗茨空压机质量流量的影响及修正方法*

2020-08-05喻久哲张兴慧

机械研究与应用 2020年3期

喻久哲，张兴慧

(1.上海重塑能源科技有限公司，上海 201803； 2.陕西省工业自动化重点实验室，陕西汉中 723001)

0 引言

一般情况，罗茨空压机的性能参数均指设计工况下的数据，但在实际应用中，因使用地点和时间的不同，其进气温度、进气压力会与设计工况存在较大偏差，这些偏差会影响空压机的流量、功率等特性[1-2]。对用户而言，一旦罗茨空压机流量、功率等关键性能发生偏差，则会造成气量不够、耗电过多等问题。所以，当环境工况变化时，对空压机性能进行预测和修正能够提前识别偏差量，有利于用户提前应对。笔者就进气温度的变化对罗茨空压机质量流量的影响进行讨论，并形成一套有效的修正方法。为罗茨空压机的开发提供理论公式，减小进气温度变化对设计偏差的影响。

1 进气温度对罗茨空压机流量的影响

1.1 空压机质量流量

罗茨空压机属于容积式空压机，其由一对相互啮合的叶轮进行方向相反的旋转，将工作缸体内的气体由进气口推送到排气口，通过排气管道内的气体压力将推送而来的气体进行压缩，达到输送压缩气体的目的。实际上，两个叶轮和叶轮与壳体之间并不接触，彼此具有微小的工作间隙。所以罗茨空压机工作过程中，会造成气体内泄漏[3]。实际质量流量可由式(1)得出：

Qv=qt-ql

(1)

式中：Qv为实际质量流量，g/s;qt为理论质量流量，g/s;ql为泄漏质量流量，g/s。

下面分别就进气温度的变化对qt、ql的影响进行讨论。

1.2 进气温度对理论质量流量的影响

对于罗茨空压机，其理论质量流量由式(2)计算：

qt=2zBlnρ

(2)

式中：z为单个叶轮齿数，个；B为叶轮与壳体所泛成的最大容积时的断面投影，m2;l为叶轮有效轴向长度，m;n为叶轮转速，r/s;ρ为进气口处气体密度，g/m3。

由上式可知，z、B、l、n等参数均不会因气体温度变化而变化，但在不同进气温度工况下，进气状态的气体密度会发生变化[4]，其变化关系如下：

ρ=PsMmol/RTs

(3)

式中：Ps为进气状态的气体压力，Pa;Mmol为气体摩尔质量，mol;R为气体常数，其值为8.314 J/(mol·K)；Ts为进气状态下的气体温度，K。

将式(3)代入式(2)中，可得：

Qt=2zBlnPsMmol/RTs

(4)

1.3 进气温度对泄漏质量流量的影响

泄漏质量流量由式(5)计算：

(5)

对于罗茨空压机，排气温度与进气温度的计算关系如下：

(6)

将式(6)带入式(5)中，可得：

(7)

1.4 质量流量与进气温度的关系

将式(4)、(7)带入式(1)中，可得：

(8)

式中：qt≥ql。对于同一罗茨空压机。若忽略进气温度对μ、f的影响，假如进气压力和排气压力相同，若进气温度上升，则qt、ql同时减小，但qt的减小值要大于ql，所以质量流量会下降。反之，进气温度下降，则质量流量会上升。

2 不同进气温度的质量流量修正方法

利用相似原理讨论工质的可压缩性影响[5]，对于同一罗茨空压机，只有进气温度变化时，当转速一致时，Ma、k值相等，则有：

(9)

由于罗茨空压机实际工作中的进气温度范围为-30～45 ℃，此温度范围，对空气k值影响较小，基本可认为相等，故上式适用于该温度范围的流量修正。

但罗茨空压机除了工质的可压缩性变化外，其泄漏量也受到进气温度的影响。泄漏量的可按下面公式进行修正。

(10)

将式(9)、(10)代入式(1)中，可得不同进气温度对罗茨空压机质量流量的修正公式：

(11)

3 实验结果与分析

实验中样机为4叶罗茨空压机，将样机和空压机性能台架放置在环境箱内，采集各个转速下的各个参数。为确保仅有进气温度是实验变量，通过环境箱，设定环境压力为100 kPa，湿度为40%。通过环境箱控制进气温度为-30 ℃、20 ℃、45 ℃，分别测试在150 kPa和170 kPa排气压力下空压机各转速的流量，空压机转速设置分别为4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min、7 000 r/min。

通过测试和记录，150 kPa和170 kPa排气压力下，空压机流量转速图如图1、2所示。通过图中所示，不同进气温度下，空压机同一转速的流量是不同的，并且质量流量随着温度升高而降低。