流体机械课程设计--校核计算4L-715型石油气压缩机

校核计算 4L-7/15 型 石油气 压缩机 学 生 姓 名 专 业 过程装备与控制工程 学 号 110331123 指 导 教 师 学 院 机电工程学院 二一四年十二月 课程设计任务书 1、题目 内容 校核计算 4L-7/15 型 石油气 压缩机。 2、已知数据 a. 型式 L 型双缸二级 双 作用水冷式 石油气空 气压缩机。 b. 工艺参数 级名义吸气压力： P1I =0.1MPa（绝压），吸气温度 T1I =35 级名义排气压力： P2II =1.6MPa（绝压），吸入温度 T2II =40 排气量（ 一 级吸入状态） : Vd=7m/min 排气温度 T2II130 相对湿度 : =1.0 c. 结构参数 活塞行程： S=2r=2120=240mm； 电机转速： n=422r/min； 活塞杆直径： d=45mm 连杆长度： l=600mm 气缸直径： 级， DI =280mm 级， DII =160m 相对余隙容积： I=0.1， II=0.15 电动机： JB0355S1-14 型隔爆电动机， 75 KW 联接： 电动机转子直接装在曲轴端（电动机转子兼作飞轮） 各运动部件质量如下表 1 所示： 表 1 运动部件质量 名称 级 级 连杆质量（ kg） 45.2945 45.2945 活塞及十字头组件质量 (kg) 119.5215 62.2086 表 2 石油气的主要成份及体积百分含量 石油气成份 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 N2 CO2 体积 %（ rI） 0.8512 0.0535 0.0556 0.0187 0.0159 0.0051 I 目录 第 1 章 绪论 . - 1 - 1.1 压缩机的用途 . - 1 - 1.2 压缩机的工作原理 . - 1 - 1.3 压缩机的基本结构 . - 1 - 1.4 活塞式压缩机的分类 . - 2 - 1.5 活塞式压缩机的应用 . - 2 - 1.6 设计活塞式压缩机应符合以下基本原则 . - 2 - 1.7 活塞式压缩机校核内容及要求 . - 3 - 1.7.1 工艺 要求 . - 3 - 1.7.2 结构 要求 . - 3 - 第 2 章 压缩机的热力计算 . - 4 - 2.1 初 步确定压力比及各级名义压力 . - 4 - 2.1.1 等压力比分配原则确定各级压力比 . - 4 - 2.1.2 各级名义进、排气压力如下 . - 4 - 2.2 初步计算各级排气温度 . - 4 - 2.3 计 算各级排气系数 . - 5 - 2.3.1 计算容积系数 . - 5 - 2.3.2 压力系数的选择 . - 6 - 2.3.3 温度系数的选取 . - 6 - 2.3.4 泄漏系数的计算 . - 6 - 2.3.5 各级排气系数计算结果 . - 7 - 2.4 计 算各级凝析系数及抽加气系数 . - 7 - 2.4.1 凝析系数 . - 7 - 2.4.2 抽加气系数 . - 8 - 2.5 初步计算各级气缸行程容积 . - 8 - 2.6 确定活塞杆直径 . - 9 - 2.6.1 计算任一级活塞总的工作面积 . - 9 - 2.6.2 暂选活塞杆直径 . - 9 - 2.6.3 非贯穿活塞杆双作用活塞面积的计算 . - 9 - 2.6.4 计算活塞上所受气体力 . - 10 - 2.7 计算各级汽缸直径 . - 11 - 2.7.1 计算非贯穿活塞杆双作用气缸直径 . - 11 - 2.7.2 确定各级气缸直径 . - 11 - 2.8 计算气缸直径圆整后实际行程容积、各级名义压力及压力比 . - 11 - II 2.8.1 计算各级实际行程容积 . - 11 - 2.8.2 各级名义压力及压力比 . - 11 - 2.9 按修正后的名义压力考虑压力损失后计算缸内实际压力 . - 12 - 2.10 根据实际压力比，计算各级实际排气温度 . - 14 - 2.11 计算缸内最大实际气体力并核算活塞杆直径 . - 14 - 2.11.1 第 I 列（第 I 级） . - 14 - 2.11.2 第 II 列（第 II 级） . - 15 - 2.12 复算排气量 . - 15 - 2.13 计算功率并选取电机 . - 16 - 2.13.1 计算各级指示功率 . - 16 - 2.13.2 整机总指示功率 . - 16 - 2.13.3 计算 轴功率 . - 17 - 2.13.4 计算 电机功率 . - 17 - 2.14 热力计算结果数据 . - 17 - 2.14.1 各级名义、实际压力及压力比 . - 17 - 2.14.2 各级 计算结果 . - 17 - 第 3 章 压缩机的动力计算 . - 18 - 3.1 运动计算 . - 19 - 3.1.1 速度 . - 19 - 3.1.2 位移 . - 20 - 3.2 气体力计算 . - 20 - 3.2.1 各过程压力 . - 20 - 3.2.2 气体力 . - 20 - 3.2.3 将计算结果 . - 20 - 3.3 往复惯性力计算 . - 21 - 3.3.1 往复运动质量的计算 . - 21 - 3.3.2 活塞加速度 . - 21 - 3.3.3 计算各级往复惯性力 . - 21 - 3.4 摩擦力的计算 . - 21 - 3.4.1 往复摩擦力的计算 . - 21 - 3.4.2 旋转摩擦力的计算 . - 22 - 3.5 综合活塞力计算及综合活塞力图的绘制 . - 23 - 3.5.1 将气体力、往复惯性力及往复摩擦力合成得到综合活塞力 . - 23 - 3.5.2 列的综合活塞力图的绘制 . - 23 - 3.6 切向力的计算及切向力图的绘制 . - 23 - III 3.6.1 切向力的计算 . - 23 - 3.6.2 作切向力图 . - 24 - 3.6.3 平均切向力的计算 . - 24 - 3.7 作 列中各相关力图 . - 25 - 3.8 作幅度面积向量图 . - 25 - 3.8.1 求曲线包围面积 . - 25 - 3.8.2 作幅度面积向量图 . - 25 - 3.9 飞轮矩的计算 . - 26 - 3.9.1 压缩机一转中的能量最大变化量 . - 26 - 3.9.2 旋转不均匀度的选取 . - 26 - 3.9.3 飞轮矩的计算 . - 26 - 3.10 分析本压缩机动力平衡性能 . - 26 - 第四章 Matlab演算程序 . - 28 - 参考文献 . - 31 - 附录 . - 32 - 长春理工大学过程流体机械课程设计 - 1 - 第 1 章 绪论 容积式流体机械 （ Positive displacement fluid machinery） ：靠工作腔容积的变化来吸入与排出介质，来转换能量的为容积式流体机械。主要有：容积式压缩机、容积泵。 1.1 压缩机的用途 压缩机是一种压缩气体提高气体压力或输送气体的机器，应用极为广泛。在采矿业、冶金业、机械制造业、土木工程、石油化学工业、制冷与气体分离工程以及国防工业中，压缩机是必不可少的关键设备之一。此外，医疗、纺织、食品、农业、交通等部门的需求也与日俱增。压缩机因其用途广泛被称为 “通用机械 ”。 目前，石油化学工业中，其原料气 石油裂解气的分离，是先经压缩，然后采用不同的冷却温度，将各组份分别的分离出来。 压缩气体用于合成及聚合 在化学工业中，气体压缩至高压，常有利于合成和聚合。例如氮和氢合成氨、氢与二氧化碳合成甲醇，二氧化碳与氨合成尿素等。又如在化学工业中，聚乙烯工业发展很快，所用聚合压力范围很广，有些甚至达到 3200公斤 /平方厘米。 压缩气体用于油的加氢精制 石油工业中，用人工办法把氢加热加压后与油反应，能使碳氢化合物的重组份裂化成碳氢化合物的轻组份，如重油的轻化、润滑油加氢精制等。 气体输送 用与管道输送气体的压缩机，加压后便于气体输送。 1.2 压缩机的工作原理 压缩机的工作原理是压缩气体的体积 ， 使单位体积内气体分子的密度增加以提高压缩空气的压力；速度型压缩机的工作原理是提高气体分子的运动速度 ， 使气体分子具有的动能转化为气体的压力能 ， 从而提高压缩空气的压力。 1.3 压缩机的基本结构 其组成大致可以分为三个部分： (1)基本部分：包括机身、中体、曲轴、连杆、十字头组成，其作用是传递动力、连接基础和气缸部分。 (2)气缸部分：包括气缸、气阀、活塞、填料以及安置在气缸上的排气量调节装置等部 分，其作用是形成压缩容积和防止气体泄漏。 (3)辅助部分：包括冷凝器、缓冲器、液体分离器、滤清器、安全阀、油泵、注长春理工大学过程流体机械课程设计 - 2 - 油器及各种管路系统，这些部件是保证压缩机正常运转。 (4)或非相向运动的结构称对置型；气缸中心线之间有某一夹角称 为 角度式压缩机 。 1.4 活塞式压缩机的分类 活塞式压缩机可根据它的主要技术特性及结构特性进行分类。按生产能力分为：微型、小型、中型、大型压缩机；按排气压力分为：低压、中压、高压、超高压压缩机；按气缸中心线布置分为：立式、卧式、角式、对称平衡式、对置式压缩机；按级数分为：单级、双 级、多级压缩机；按气缸工作容积情况分为：单作用、双作用、级差式压缩机。此外，还可以按压缩机的列数（即连杆数）分为单列、双列和多列压缩机；按冷却方式的不同分为风冷式和水冷式压缩机；按所处理介质的不同分为空气压缩机、氮氢气压缩机、二氧化碳压缩机等。 1.5 活塞式压缩机的应用 空气具有可压缩性，经空气压缩机做机械运动使本身体积缩小，压力提高后的空气称为压缩空气。它是一种重要的动力源，有着无污染，清晰透明，输送方便，无害，易燃性小，不怕起负荷等显著的特点。 空气压缩机作为一种重要的能源产生形式，被广泛应用于生活生产的各个环节。尤其是双螺杆式的空气压缩机被广泛应用机械，冶金，电子电力，医药，包装，化工，食品，采矿，纺织，交通等众多工业领域，成为压缩空气的主流产品空压机，就是把一个标准大气压的空气通过能量转化的方式输出来满足用户需求的空气的设备，能量转化一般都是可理解为机械能转为动能。 在化工生产中，往复式压缩机已成为关键设备，压缩机应用有以下几个方面： (1)气体输送应用； (2)化工及石油化工工艺应用； (3)制冷工程和气体分离应用； (4)传统的空气动力：风动工具，凿岩机、风镐、气动扳手，气动喷砂 ； (5)仪表控制及自动化装置，如加工中心的刀具更换等 ； (6)车辆制动，门窗启闭 ； (7)喷气织机中用压缩空气吹送纬纱以代替梭子 。 1.6 设计活塞式压缩机应符合以下基本原则 (1)满足用户提出的排气量、排气压力以及有关使用条件的要求； (2)有足够长的使用寿命 （ 应理解为压缩机需要大修时间的间隔长短 ） ； 长春理工大学过程流体机械课程设计 - 3 - (3)足够高的使用可靠性 （ 应理解为压缩机被迫停车的次数）； (4)有较好的运转经济性； (5)有良好的动力平衡性； (6)维护检修方便； (7)尽可能采用新结构、新技术、新材料； (8)制造工艺性良好； 在选择压缩机级数时要使机器消耗的功最小、排气温度应在条件许可的范围内。机器质量轻、造价低，要使机器具有较高的热效率，则级数越多越好，然而级数增多，则阻力损失增加，机器总效率反而降低，结构也更加复杂，造价更大上升。 在无油润滑压缩机中，密封元件采用自润滑材料，有些自润滑材料的最适宜的工作温度也有限制，在确定级数和各级压力比时应考虑这一点。因此必须根据压缩机的额容量和工作特点，恰当的选择级数和压 力比。综合各因素考虑，选择二级压缩。 1.7 活塞式压缩机校核内容及要求 1.7.1 工艺 要求 级名义吸气压力： P1I =0.1MPa（绝压），吸气温度 T1I =35 级名义排气压力： P2II =1.6MPa（绝压），吸入温度 T2II =40 排气量（ 级吸入状态） ： Vd=7m/min 排气温度： T2II130 相对湿度 ： =1.0 1.7.2 结构 要求 活塞行程： S=2r=2120=240mm； 电机转速： n=422r/min； 活塞杆直径： d=45mm 连杆长度： l=600mm 相对余隙容积： I=0.1， II=0.15 电动机： JB0355S1-14 型隔爆电动机， 75 KW 联接： 电动机转子直接装在曲轴端（电动机转子兼做飞轮） 各运动部件质量如下表 1-2： 表 1-2 运动部件质量 名称 级 级 连杆质量（ kg） 45.2945 45.2945 活塞及十字头组件质量 (kg) 119.5215 62.2086 长春理工大学过程流体机械课程设计 - 4 - 第 2 章 压缩机的热力计算 2.1 初 步确定压力比及各级名义压力 2.1.1 等压力比分配原则确定各级压力比 zz IIk pp 12(2-1) 两级压缩总压力比161.0 6.1pp12 取 416 2.1.2 各级名义进、排气压力如下 kkk pp 12，kk pp 2)1(1 (2-2) 表 2-1 各级名义进、排气压力（ MPa） 2.2 初 步计算各级排气温度 按绝热过程考虑，各级排气温度可用下式求解： kkTT 112 （ 2-3） 已知石油气成分、体积及等熵指数如下： 石油气成分 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 N2 CO2 体积i 0.8512 0.0535 0.0556 0.0187 0.0159 0.0051 等熵指数ik1.29 1.19 1.22 1.10 1.40 1.30 根据公式 111 i ikk 可得石油气的等熵指数 k=1.27。 计算结果如表 2-2 示。 级数 名义吸气压力 P1 （MPa ） 名义排气压力 P2 （ MPa ） 压力比 0.1 0.4 4 0.4 1.6 4 长春理工大学过程流体机械课程设计 - 5 - 表 2-2 各级名义排气温度 级次 名义吸气温度 计算参数 名义排气温度 C K K kk1 C K 35 308 4 1.27 1.343 140.644 413.644 40 313 4 1.27 1.343 147.319 420.359 2.3 计 算各级排气系数 因为压缩机工作压力不高，介质为石油气，全部计算可按理想气体处理。由排气系数计算公式： lTpv （ 2-4） 分别求各级的排气系数。 2.3.1 计算容积系数 )1(1 1 mV （ 2-5） 其中，多变膨胀指数 m 的计算按表 2-3 得： 表 2-3 按等熵指数确定气缸膨胀过程等端点指数 进气压力 105Pa 任意 k 值时 K=1.27 时 1.5 m=1+0.5(k 1) 1.135 1.5 4.0 m=1+0.62(k 1) 1.167 4.0 10 m=1+0.75(k 1) 1.203 10 30 m=1+0.88(k 1) 1.238 30 m=k 1.27 I 级多变膨胀指数 m =1.135； II级多变膨胀指数 m =1.167； 则各级容积系数为： =1-（ m1 -1）其中： =0.1， =0.15。将下相关数据带入上式得： v =0.761， v =658。 长春理工大学过程流体机械课程设计 - 6 - 2.3.2 压力系数的选择 考虑到用环状阀，气阀弹簧力中等，吸气管中压力波动不大，两级压力差也不大，可选取 p=0.97, p=0.99（选择范围：级 0.95 0.98；多级 0.98 1.0） 2.3.3 温度系数的选取 考虑到压缩比不大，气缸有较好的水冷却，气缸尺寸及转速中等，从 教材 图 2-12 查得 T在 0.935 0.975范围内，可选取 T =T =0.96。 2.3.4 泄漏系数的计算 v il 1 1(2-6) 由于无油润滑压缩机的取值范围在 0.85-0.95，且介质为二氧化碳粘度低易泄漏以下相对泄漏值 vi取上限，用相对漏损法计算 l： (1)考虑气阀成批生产，质量可靠，阀弹簧力中等，选取气阀相对泄04.0 （气阀不严密或延迟关闭的泄漏 04.001.0 ）。 （ 2）活塞均为双作用，无油润滑，缸径中等，压力不高。选活塞环相对泄漏值 . 014.0vr, 015.0vr（双作用气缸活塞环的泄漏 015.0003.0 r）。 （ 3）因无油润滑，压力不高，选取填料相对泄漏值 Vp =0.0016， Vp =0.0024（经验范围 0 01 0.00 00 5.0p ）。 由于填料为外泄漏，需要在第 I级内补足，所以第级相对泄漏中也包含第级填料的外泄漏量在内，泄漏系数的计算列入表 2-4。 表 2-4 泄漏系数的计算 泄漏部位 相对泄露值 级 级 气阀 0.04 0.04 活塞环 vrvr 0.014 0.015 填料 pp 0.0016 0.0024 总相对泄露 0.058 0.0574 长春理工大学过程流体机械课程设计 - 7 - 续表 2-4 泄露系数 v il 11 0.945 0.946 2.3.5 各级排气系数计算结果 各级排气系数计算结果列入 表 2-5 表 2-5 各级排气系数计算结果 级数 VpTllTpv 0.761 0.97 0.96 0.945 0.6700 0.658 0.99 0.96 0.946 0.5916 2.4 计 算各级凝析系数及抽加气系数 2.4.1 凝析系数 （ 1） 冷却判断其中有无冷凝水析出 查 表 2-6得水在 35 和 40 时的饱和蒸汽压 Pb =5.622（ 35 ）， Pb =7.375（ 40 ） 表 2-6 水的饱和蒸汽压和密度 温度 t 饱和蒸汽压bPkPa 密度stkg/m3 温度 t 饱和蒸汽压bPkPa 密度stkg/m3 0 0.611 0.00485 31 4.491 0.03205 1 0.656 0.00519 32 4.753 0.03381 2 0.705 0.00556 33 5.029 0.03565 3 0.757 0.00595 34 5.318 0.03758 4 0.813 0.00636 35 5.622 0.03960 5 0.872 0.00680 36 5.940 0.04172 6 0.935 0.00726 37 6.274 0.04393 7 1.000 0.00775 38 6.624 0.04623 8 1.069 0.00827 39 6.991 0.04864 9 1.147 0.00882 40 7.375 0.05115 10 1.227 0.00940 41 7.777 0.05376 11 1.312 0.01001 42 8.198 0.05649 12 1.401 0.01066 43 8.638 0.05935 13 1.497 0.01134 44 9.100 0.06234 14 1.598 0.01206 45 9.582 0.06545 15 1.704 0.01282 46 10.085 0.06868 16 1.817 0.01363 47 10.612 0.07205 17 1.937 0.01447 48 11.162 0.07557 18 2.062 0.01536 49 11.736 0.07923 19 2.196 0.01630 50 12.335 0.08300 20 2.337 0.01729 51 12.961 0.08696 长春理工大学过程流体机械课程设计 - 8 - 续表 2-6 21 2.485 0.01833 52 13.613 0.09107 22 2.642 0.01942 53 14.293 0.09535 23 2.808 0.02057 54 15.002 0.09980 24 2.982 0.02177 55 15.741 0.1044 25 3.167 0.02304 56 16.510 0.1092 26 3.360 0.02437 57 17.312 0.1142 27 3.564 0.02576 58 18.146 0.1193 28 3.779 0.02722 59 19.021 0.1247 29 4.004 0.02875 60 19.917 0.1302 30 4.241 0.03036 而 级进气的相对湿度由已知可得 则 375.7488.224622.50.11 bI IbI Pk P ap kPa 所以在级间冷却器中必然有水分凝析出来，这时 0.11 。 (2)计算各级凝析系数 1 1111 11 - pppp ppbb (2-7) 111111 - pppp ppbb 1.0 4.00 7 3 75.01-4 0 5 6 62.01-1 =0.96 2.4.2 抽加气系数 因级间无抽气，无加气，故 100 2.5 初步计算各级气缸行程容积 nVV dohI (2-8) 42 2767 00.0 11 hIV =0.0248m3 nVTTppV dh 11110 (2-9)nVTTppV dh 11110 42273083134.0 1.05916.0 196.0 长春理工大学过程流体机械课程设计 - 9 - =0.0067m32.6 确定活塞杆直径 为了计算双作用气缸缸径，必须首先确定活塞杆直径，但活塞杆直径要根据最大气体力来确定，而气体力又需根据活塞面积（气缸直径）来计算，他们是互相制约的。因此需先估算压缩机中可能出现的最大气体力，按附表 2 中的数据初步确定活塞杆的直径。再根据相关公式确定气缸直径和最大气体力，然后校核活塞杆直径是否满足要求。 2.6.1 计算任一级活塞总的工作面积 ZSVF hkk ，（ Z 同一级汽缸数） （ 2-10） 有： ZSVF hI =124.0 0248.0 =0.10333m2=1033.cm2 ZSVF h =124.0 0067.0 =0.02791m2=279.1cm2 2.6.2 暂选活塞杆直径 根据双作用活塞面积和两侧压差估算出该空气压缩机的最大气体力约为 21 吨左右，由过程流体机械课程设计指导书附表 2，暂选活塞杆直径 d=45mm。 活塞杆面积 d =4d 2 =4 4.52=15.90cm2 2.6.3 非贯穿活塞杆双作用活塞面积的计算 盖侧活塞工作面积 )(21 fFF dkg （ 2-11） 轴侧活塞工作面积 )(21 fFF dkz （ 2-12） 级： F g =21(F +d )=21（ 1033.3+15.90） =524.6cm2 长春理工大学过程流体机械课程设计 - 10 - F Z =21(F -d)=21（ 1020.8-15.90） =508.7cm2 级： Fg =21(F +d )=21（ 279.1+15.90） =147.5cm2 F Z =21(F -d)=21（ 279.1-15.90） =131.6cm2 2.6.4 计算活塞上所受气体力 （ 1）第一列（第级） 外止点： FpFpp g2z1 - 外 （ 2-13） FpFpp g2z1 - 外 =0.1106508.710-4-0.41065 24.610-4 =-15847N 内止点： FpFpp g1z2 - 内 （ 2-14） FpFpp g1z2 - 内 =0.4106508.710-4-0.11065 24.610-4 =15102N （ 2）第二列（第级） 外止点： FpFpp g2z1 - 外 （ 2-15） FpFpp g2z1 - 外 =0.4106131.610-4-1.6106147.510-4 =-18336N 内止点： FpFpp g1z2 - 内 （ 2-16） FpFpp g1z2 - 内 =1.6106131.610-4-0.4106147.510-4 =15156N 由以上计算可知，第二列的气体力最大，为 -18336N约合 1.9吨。由过程流体机械课程设计指导书附表 2 可知，选取活塞杆直径 d=45mm。 长春理工大学过程流体机械课程设计 - 11 - 2.7 计算各级汽缸直径 2.7.1 计算非贯穿活塞杆双作用气缸直径 根据 DK = 2VhkSZ + d22 (2-17) 有： DI = 2VhlSZ + d22 = 2045.0124.014.3 0248.02 2 =0.259m DII= 2VhIISZ + d22 = 2045.0124.014.3