Reciprocating compressor lubrication

Figure 63: Flow chart describing model inputs usage 
The careful reader will note that we still have not addressed one variable: the lubricant film 
thickness. This is represented by the variable 
ℎ
and is by far the most important variable as 
every equation depends on it. This variable cannot be solved for analytically as it must be found 
by equilibrating the hydrodynamic force under the piston ring with the force on top of the piston 
ring as shown in Figure 64. The solution procedure to calculate the film thickness is shown in 
Figure 65. 

---

95 
Figure 64: Forces acting on the compressor piston ring 
Figure 65: Film thickness iterative solution procedure 

---

96 
Once the film thickness has been determined, it can be used with the compressor bore and 
Equation 36 and Equation 41 to determine the flowrate under the piston ring and the friction 
force as shown in Figure 66. 
Figure 66: Procedure to calculate the lubricant flow rate and friction force 
As noted in Figure 66, this procedure is done for each Crank-Angle-Degree (CAD) in the 
compressor’s stroke allowing for a determination of the film thickness, lubricant flow rate, and 
friction force along the entire stroke. The friction force is easily converted to a power loss by 
multiplying the friction force by the piston’s instantaneous speed.
5.3 
–
Results of Modeling work
The model contains many variables to account for different compressor sizes and operating 
conditions. However, the interest of this section was to determine the effects of just two 
variables: the lubricant viscosity and the amount of lubricant on the cylinder wall. Thus, it was 
necessary to hold all other variable constant and a system was modeled with a suction pressure 
of 49.3 bara (700 psig), a discharge pressure of 70 bara (1000 psig), a mean temperature of 
100°C (212°F) with the compressor dimensions mentioned previously operating at 1000 rpm. 
The viscosity of the lubricant and the volume of lubricant were then varied independently to 
determine how those two factors impacted the compressor’s lubrication.

---

97 
5.3.1 
–
 Lubricant Viscosity 
As discussed in section 2.3 - Lubrication Theory Applied to Reciprocating Compressors, 
increasing the lubricant’s viscosity increases the separation gap or lubricant film thickness 
between the moving parts. In relation to reciprocating compressors, the purpose of this film is to 
prevent asperity contact between the piston ring and the compressor cylinder wall. It is common 
to assume that a lubricant film that is three times thicker than the average roughness of the 
moving parts will provide proper, hydrodynamic lubrication. A contact familiar with the machining 
process at Ariel Inc. (C. Lingel, personal communication, 2020) indicated that the compressor 
cylinder bore has an average roughness of 0.813 microns (32 microinches). This implies that a 
lubricating film thickness of at least 2.44 microns (96 microinches) is required to properly 
prevent contact between the compressor cylinder wall and piston rings. 
To investigate how a 
lubricant’s viscosity affects the film thickness, lubricant flow rate
, and 
power loss, the viscosity was varied across a range of 
values. For the reader’s reference, 
liquid 
water at 100°C has a viscosity around 0.3 cP. Additionally, the data from Seeton (2019) 
measured the viscosity of Mobil Pegasus 805 Ultra to be 7.65 cP when diluted with pure 
methane at 70 bara (1000 psig) and 100°C (212°F) while PROGILINE® LPG-WS-150 from 
Shrieve Chemical had a viscosity of 20.86 cP at the same conditions. Viscosity values of 0.3, 
7.65, and 20.86 cP were chosen to show the effects of the lubricant
’s
viscosity with results 
shown in Figure 67, Figure 68, and Figure 69. 

---

98