С целью выяснения влияния внешних условий в конструктивных особенностей ступени выполнены экспериментальные и расчетно-теоретические (путем математического моделирования) исследования рабочих процессов, происходящих в ней. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных позволило оценить адекватность математической модели реальным процессам. При математическом моделировании можно не учитывать ряд сопровождающих реальный процесс явлений и выделить интересующие. Кроме того, исследование процессов математического моделирования быстрее и дешевле, чем проведение экспериментов. Рассмотрим влияние различных факторов на рабочий процесс.
Влияние конвективного теплообмена в цилиндре на рабочий процесс ступени. С помощью математической модели были рассмотрены, процессы в теплоизолированной ступени и в ступени при наличии конвективного теплообмена с температурами стенок и интенсивностью теплообмена, соответствующими реальным. Для того чтобы исключить влияние перетечек, ступень приняли абсолютно герметичной, т. е. с перетечками и утечками, равными кулю. Экспериментально это выполнить невозможно. Индикаторные диаграммы ступеней, полученные в результате расчета с конвективным теплообменом и без него, почти совпадают.
На температурных диаграммах ясно видно, что в конце процесса всасывания при наличии теплообмена температура газа выше, так как холодный всасываемый газ подогревается от стенок, поршня и крышек цилиндра. Вследствие повышения температуры газа в конце всасывания уменьшается массовая производительность компрессора и растет удельная индикаторная работа, а индикаторный изотермичский коэффициент полезного действия соответственно снижается.
Охлаждение стенок камер всасывания и нагнетания и его влияние на рабочий процесс. С целью определения влияния температуры стенок полости всасывания на рабочий процесс ступени производилось расчетное исследование с изменением температуры стенок в диапазоне от 37 до 97°С. Температуры стенок остальных поверхностей проточной части компрессора принимались неизменными, как в расчетном режиме. При увеличении температуры стенок полости всасывания возрастает температура газа во всей проточной части ступени, что вызывает снижение массовой производительности и увеличение удельной работы ступени.
В компрессорах небольшой производительности камеры всасывания и нагнетания выполнены в одном блоке и разделены металлической иеохлаждаемой перегородкой. Температура газа в полости нагнетания внше, чем в полости всасывания, и через перегородку идет поток теплоты от газа камеры нагнетания к газу камеры всасывания, увеличивая его подогрев. С целью уменьшения подогрева было произведено охлаждение перегородки водой. Это резко уменьшило подогрев газа в полости сасывания, увеличило производительность ступени иа 5—6% и снизило удельную индикаторную работу. При конструировании блока, закрывающего торец цилиндра, необходимо организовывать охлаждение перегородки между камерами водой. Есликомпрессоры имеют воздушное охлаждение, то камеры нагнетания и всасывания не должны разделяться общей металлической стенкой. Между стенками камер должен быть слой воздуха, который резко уменьшит тепловой поток между камерами.
Охлаждение полости всасывания оказывает доминирующее влияние на производительность и удельную мощность. Водяное охлаждение производится холодной водой, а воздушное — потоком вентилируемого воздуха, который должен быть направлен на головки цилиндров. Рациональное охлаждение ступени компрессора позволяет уменьшить удельное количество охлаждающей воды до 1—2 л/м3 газа. Влияние массообменных потерь в ступени на рабочий процесс. Влияние внешних утечек газа через уплотнения поршня или сальника. Внешние утечки газауменьшают производительность ступени и в процессе сжатия снижают давление в цилиндре, отклоняя линию сжатия внутрь диаграммы, уменьшая ее площадь. Утечки в процессе нагнетания практически не изменяют вида диаграммы, так как безразлично, куда вытесняется газ: через клапаны в полость нагнетания или через уплотнения в атмосферу.
Утечки тоже уменьшают массу газа, расширяющегося из мертвого пространства, но отклоняют линию расширения в сторону меньших объемов цилиндра. Площадь индикаторной диаграммы при этом увеличивается. Утечки из ступени в период всасывания не оказывают влияния на форму индикаторной диаграммы. Наибольшие утечки газа происходят в период нагнетания, когда велика разность давлений в цилиндре и картере, не изменяя при этом форму диаграммы.
Индикаторная диаграмма от внешних утечек деформируется, ко площадь ее остается практически постоянной. Внешние утечки изменяют производительность ступени и удельную индикаторную работу. Влияние перетечек на рабочий процесс. Негерметачность клапанов линий всасывания приводит к поступлению горячих газов из цилиндра в полость всасывания и подогреву его новой порции, поступающей в цилиндр. Вместе с этой новой порцией, всасывается и газ перетечек, который уменьшает поступление свежего газа. Негерметичность нагнетательные клапанов приводит к поступлению в рабочую камеру (цилиндр) горячего газа из полости нагнетания за время расширения, всасывания и сжатия. В процессе нагнетания газ перетечек вытесняется из цилиндра обратно в полость нагнетания.