用于飞机制造的螺杆空压机在不同外部条件下的排水量分析

袁开宇，陈 藜，吴 迪，田 斌

（航空工业洪都，江西 南昌，330095)

0 引言

空压机在飞机制造中具有重要作用，它所产出的压缩空气可用于驱动飞机制造中的装配工具、喷漆、退膜、吹沙、组合刀具以及安装铆钉、金属成形压机、锻锤等。 飞机制造业对于需要空压机作为动力的器械与工程的依赖程度也越来越大。随着行业不断革新与进步，现在螺杆式空压机多半采用两级压缩技术，其压缩过程为自然空气通过空气过滤器进入第一级压缩，在压缩腔与少量润滑油混合，同时将混合气体压缩到级间压力。压缩后的气体进入冷却通道，与大量油雾接触，从而大大降低了温度。降温后的压缩气体进入第二级转子，进行二级压缩，被压缩到最终排气压力[1]，最后通过排气阀排出压缩机，完成整个压缩过程。在此压缩过程中，由于螺杆空压机在工作运转时机器内部温度很高，而吸入的空气是有相对湿度的，即自然空气中的水分。含水分的空气会在空压机的运行过程中形成水蒸汽，通过冷却降温后，变成冷凝水。冷凝水会在油气分离器中凝结，而当油中含有过多的水分将会形成油的乳化，影响机器的平稳运行，甚至引起空压机零部件的腐蚀[2]。空压机第一级、第二级压缩空气中所产生冷凝水的合理排放对后续压缩空气的质量有较大影响。外界环境的温度和湿度则对冷凝水的排放量影响较大[3]。

本文利用湿空气饱和含水量计算公式、理想气体状态方程公式、饱和湿空气表、不同压力温度下饱和湿空气含水量表等相关表格和公式，对夏、冬两个季节不同湿度和温度条件下螺杆空压机第一级、第二级的排冷凝水量进行计算[4]。

1 空压机冷凝水排水工况的算法公式

根据含湿量的定义，空气饱和含湿量的计算公式为：

式中，p 为大气压强（Pa），φ 是空气的相对湿度，p0是 p 压力下饱和水蒸气压力（Pa）。

根据理想气体状态方程的理论，空气密度的计算公式为：

式中，M 为摩尔质量 （g/mol），T 是空气的开氏温度（K），p 是压强（Pa），R 为摩尔气体常数(J/（mol.K））。

根据饱和湿度的理论，通过空压机后的饱和含湿量的计算公式为：

根据冷凝器排水的规律，中间冷却器排出冷凝水量d 的计算公式为：

式中，G 为吸入空压机的空气重量流量 （kg/h），d1是通过一级压缩后饱和含湿量（g/kg），d0是吸入自然空气饱和含湿量（g/kg）。

根据冷凝器排水的规律，后冷却器排出冷凝水量d 的计算公式为：

式中，G 为吸入空压机的空气重量流量 （kg/h），d2是通过二级压缩后饱和含湿量 （g/kg），d1是通过一级压缩后饱和含湿量（g/kg）。

2 夏、冬季空压机冷凝器排水工况分析

在空压机实际运行过程中，我们发现相同机型与相同排气压力之下，夏季冷凝器排水比冬季要多。 针对此类现象建立模型，具体分析夏季与冬季的冷凝水排水量的区别。

在夏季，当空压机分别吸入大气温度为29℃、32℃、35℃、38℃的空气时，由于夏季相对湿度较高，根据以往气象条件取60%的空气相对湿度，经后冷却器冷却后，将0.8MPa 的压缩空气送出。大气压强取100000pa，重力加速度 G 取 10m/s2。

图1 气路系统流程图

根据空气饱和含湿量的计算公式（1）并查饱和湿空气表，得出夏季不同温度的空气饱和含湿量，见表1。

表1 夏季不同温度的空气饱和含湿量d0

根据某空压机的一般性能，产出的压缩空气（约178℃）经过一级不锈钢的弹性管进入中间冷却器，被冷却至比环境温度高 20°F （11℃）,且空气进入 1 级主机后被压缩至 2kg/cm2(取 G=10m/s2),即 0.2MPa，根据理想气体状态方程公式（2），饱和含湿量公式（3），冷却器排水公式（4），得出中间冷却器排水量，见表2。

表2 中间冷却器排水量（夏）

根据某空压机的一般性能，产出的压缩空气（约218℃）经过二级不锈钢的弹性管进入后冷却器，被冷却至比环境温度高 20°F （11℃），且空气进入 2 级主机并被压缩至 8kg/(取 G=10m/s2),即 0.8MPa；G 是单位时间内空气的吸入量（kg/h），某空压机容积流量为10L/min，根据理想气体状态方程公式（2），饱和含湿量公式（3），冷却器排水公式（5），得出后冷却器排水量，见表3。

表3 后冷却器排水量（夏）

在冬季，当空压机分别吸入大气温度为8℃、11℃、14℃、17℃的空气时，由于冬季相对湿度较高，根据以往气象条件取40%的空气相对湿度，经后冷却器冷却后，将0.8MPa 的压缩空气送出。大气压强取100000pa，重力加速度G 取10 m/s2。

根据空气饱和含湿量的计算公式（1）并查饱和湿空气表，得出冬季不同温度的空气饱和含湿量，见表4。

表4 冬季不同温度的空气饱和含湿量d0

根据某空压机的一般性能，产出的压缩空气（约178℃）经过一级不锈钢的弹性管进入中间冷却器，会被冷却至比环境温度高 20°F （11℃）,且空气进入 1级主机后被压缩至 2kg/cm2（取 G＝10m／s2）,即0.2MPa，根据理想气体状态方程公式（2），饱和含湿量公式（3），冷却器排水公式（4），得出中间冷却器排水量，见表5。

表5 中间冷却器排水量（冬）

根据某空压机的一般性能，产出的压缩空气（约218℃）经过二级不锈钢的弹性管进入后冷却器，被冷却至比环境温度高 20°F （11℃），且空气进入 2 级主机并被压缩至 8kg/cm2（取 G＝10m/s2），即 0.8MPa；G是单位时间内空气的吸入量（kg/h）。 某空压机容积流量为10L/min，根据理想气体状态方程公式（2），饱和含湿量公式（3），冷却器排水公式（5），得出后冷却器排水量，见表6。 夏、冬两季中间和后冷却器排冷凝水量分别见表7 与表8。 不同温度和湿度下冷凝水排水总量见表9。

表6 后冷却器排水量（冬）

表7 夏季中间和后冷却器排冷凝水量

表8 冬季中间和后冷却器排冷凝水量

表9 不同温度和湿度下冷凝水排水总量

掌握冷凝水的排放规律有利于空压机及附属设备的工作。空压机在使用过程中很容易因为排气温度低于大气空气温度或停机冷却温度而产生较多冷凝水，尤其是在天气潮湿或温度很高的地区。如不按时排放空压机中的冷凝水，会使润滑油的含水量过高，不利于设备的润滑效果，使润滑油的质量下降，影响机器的安全平稳运行[5]。同时，冷凝水容易腐蚀空压机配件，也会使油气分离芯效果变差，大量的冷凝水累积会造成零部件的生锈等不良后果。因此，在注意润滑油补充或更换的同时，也要注意冷凝水的排放。应根据当地条件下湿度和温度的状况来制定冷凝水排放时间间隔表。

3 结论

在飞机制造业中，空压机是必不可少的一种设备，通过对其自身性能的分析，掌握相应的规律，可以节约能源，提高生产效率。本文通过对比在不同湿度和温度条件下，中间冷却器和后冷却器冷凝水的排量得出以下结论：

1） 在同一地点，随着温度的升高，冷凝水的排放量会增大。 因此夏季应该做好排污阀的设置工作。

2） 相同机型和排气压力下，在冬天，后冷却器排水量比中间冷却器排水量多；在夏天，后冷却器排水量比中间冷却器排水量少。

3） 通过理论计算可以掌握在不同状态条件下冷凝水的排放量。 对于电动阀设置排放的间隔时间具有指导作用。