第二节压缩机性能解析

1、第二单元第二单元 压缩机的热力和动力性能压缩机的热力和动力性能2.1 压缩机的热力性能压缩机的热力性能 吸、排气压力吸、排气压力 容积流量容积流量 排气温度排气温度 功率和效率功率和效率2.2 压缩机的动力性能压缩机的动力性能 飞轮矩飞轮矩 惯性力惯性力(矩矩)平衡平衡2.3 压缩机的结构参数压缩机的结构参数2.1 压缩机的热力性能压缩机的热力性能2.1.1 排气压力分析排气压力分析1. 吸、排气压力的定义 压缩机的排气压力压缩机的排气压力o压缩机排气压力是指最终排出压缩机的气体压力。它应在末级工作腔排气法兰接管处测得,单位为MPa,o在某些场合,排气压力称为“背压力”。 级的排气压力级的排气

2、压力o多级压缩机中,每一级工作腔排出气体的压力称为该级排气压力或级间压力。吸气和排气压力吸气和排气压力o分别指第一级吸入管道处和末级排出接管处的分别指第一级吸入管道处和末级排出接管处的气体压力。气体压力。o因为压缩机采用的是自动阀因为压缩机采用的是自动阀,气缸内压力取决于气缸内压力取决于进、排气系统中的压力进、排气系统中的压力,所以吸、排气压力是可所以吸、排气压力是可以变更的。以变更的。o压缩机铭牌上的吸、排气压力是指额定值压缩机铭牌上的吸、排气压力是指额定值,通常通常为允许的最大排气压力为允许的最大排气压力,实际上只要机器强度、实际上只要机器强度、排气温度、原动机功率及气阀工作许可排气温度、

3、原动机功率及气阀工作许可,它们是它们是可以在很大范围内变化的。可以在很大范围内变化的。 2.1 压缩机的热力性能压缩机的热力性能2.1.1 排气压力分析排气压力分析2. 排气压力的建立其管网中的压力仅取决于其管网中的压力仅取决于压缩机在该压力下排入管压缩机在该压力下排入管网的气量与用户所耗的气网的气量与用户所耗的气且是否平衡且是否平衡,若两者平衡则若两者平衡则压力稳定压力稳定,若两者不平衡则若两者不平衡则压力改变。当排人量大于压力改变。当排人量大于消耗量时消耗量时,管网中压力上升管网中压力上升,并在达到新的平衡后并在达到新的平衡后,即在即在此高压下稳定此高压下稳定;当排人量小当排人量小于耗气量

4、时于耗气量时,则管网中压力则管网中压力下降下降,并达到新的平衡后并达到新的平衡后,在此低压下稳定。在此低压下稳定。因此因此,压缩机排气压力也非压缩机排气压力也非定值定值,但它可用人为的办法但它可用人为的办法控制排入量或消耗量来维控制排入量或消耗量来维持某个持某个排气压力。排气压力。排气压力0.11.0,1.1pMPapMPapMPa弹簧排气管气缸如果，则0.13.0,3.1pMPapMPapMPa弹簧排气管气缸如果，则2.1 压缩机的热力性能压缩机的热力性能2.1.1 排气压力分析排气压力分析3. 级间压力的建立2.1 压缩机的热力性能压缩机的热力性能2.1.1 排气压力分析排气压力分析4.

5、压缩机的进排气系统进气系统有气体连续、稳定地产生进气系统有气体连续、稳定地产生,或从大气中吸进空气或从大气中吸进空气,因此进气压力因此进气压力近似地保持恒定近似地保持恒定,同时从排气系统中同时从排气系统中也连续、稳定地消耗气体也连续、稳定地消耗气体,因此排气因此排气压力近似地保持恒定压力近似地保持恒定;压缩机则持续压缩机则持续进行工作。进行工作。进气压力为定值进气压力为定值;排气系统则为有限容积。排气系统则为有限容积。例如例如,气体充瓶气体充瓶,排气压力由低至高逐渐增排气压力由低至高逐渐增加加,一旦压力达额定值、压缩机即停止工一旦压力达额定值、压缩机即停止工作。作。2.1 压缩机的热力性能压缩

6、机的热力性能2.1.1 排气压力分析排气压力分析4. 压缩机的进排气系统进气系统为有限容积进气系统为有限容积,随着压缩随着压缩机运行机运行,进气压力将逐渐降低进气压力将逐渐降低:排排气系统压力恒定气系统压力恒定;当进气系统巾当进气系统巾压力低于某一恒定值压缩机便压力低于某一恒定值压缩机便停止工作。如果进气系统为了获停止工作。如果进气系统为了获得低于大气压力的真空状态得低于大气压力的真空状态,这这种压缩机特称为真它泵种压缩机特称为真它泵“进、排气系统均为有限容积当压缩机工作进、排气系统均为有限容积当压缩机工作后后,进气系统压力不断降低进气系统压力不断降低;排气系统压力不排气系统压力不断升高断升高

7、,直到进气系统压力低于某一值或排直到进气系统压力低于某一值或排气系统中压力高达某一值气系统中压力高达某一值,压缩机停止工作。压缩机停止工作。2.1 压缩机的热力性能压缩机的热力性能2.1.2 排气量（容积流量）、供气量排气量（容积流量）、供气量1. 排气量定义o容积流量容积流量 压缩机的容积流量压缩机的容积流量,通常是指单位时通常是指单位时间内实际压缩机最后一级排出的气体间内实际压缩机最后一级排出的气体,换算到第换算到第一级进口状态的压力和温度时的气体容积值一级进口状态的压力和温度时的气体容积值,单单位是位是m3/min或或m3/h。 o压缩机的额定容积流量压缩机的额定容积流量,即压缩机铭牌上

8、标注的即压缩机铭牌上标注的容积流量是指特定的进口状态（例如进气压力容积流量是指特定的进口状态（例如进气压力0.1MPa,温度温度20 C）时的容积流量。）时的容积流量。注意o若被压缩的气体含有水蒸气若被压缩的气体含有水蒸气,随着气体压力的提高水蒸随着气体压力的提高水蒸气的分压力也提高气的分压力也提高,若经过冷却器后若经过冷却器后,其分压力大于冷却其分压力大于冷却后气体温度所对应的饱和蒸汽压后气体温度所对应的饱和蒸汽压,便有水蒸气从气体中便有水蒸气从气体中凝析出来。凝析出来。o此外此外,化工厂中被压缩的多组分气体化工厂中被压缩的多组分气体,有些气体不是化工有些气体不是化工工艺所需要的工艺所需要的

9、,因此压缩到一定的压力后要进行洗涤、因此压缩到一定的压力后要进行洗涤、净化净化,以便把它们消除掉。以便把它们消除掉。o计算容积流量时计算容积流量时,也要将这些中途分离出去的水分和气也要将这些中途分离出去的水分和气体体,一起换算到进口状态的容积加进去。反之一起换算到进口状态的容积加进去。反之,若中途有若中途有气体添加进来气体添加进来,计算容积流量时要扣除加进来的气体容计算容积流量时要扣除加进来的气体容积。积。 供气量o容积流量随压缩机的进口状态而变,它不反映压缩机所排气体的物质数量。化工工艺中使用的压缩机,由于工艺计算的需要,需将容积流量折算到标准状态（1.013105Pa,0）时的干气容干气容

10、积积值（不计入级间分离掉的水分及抽气量）。此值称为供气量或称标准容积流量（在空气动力计算中标准温度为15C）。 2.1 压缩机的热力性能压缩机的热力性能2.1.2 排气量、供气量排气量、供气量排气量计算 析水系数 抽气系数 排气量的理论计算 2.1 压缩机的热力性能压缩机的热力性能2.1 压缩机的热力性能压缩机的热力性能2.1.3 排气温度、压缩终温排气温度、压缩终温1. 排气温度和压缩终温 排气温度 压缩终了温度2. 关于排气温度的限制 润滑油影响 气体性质影响 无油润滑材料的影响1nndSTT100(1)nndSSdTT排气温度排气温度o压缩机的排气温度是指压缩机末级排出气体的温度,它应在

11、末级气缸排气管处测得。多级压缩机末级之前各级的排气温度称为该级的排气温度,在相应级的排气接管处测得。2.1 压缩机的热力性能压缩机的热力性能2.1.4 功率和效率功率和效率(1)指示劝指示劝 工作腔内直接用于压送气体所消耗的功称工作腔内直接用于压送气体所消耗的功称为指示功。为指示功。(2)轴功轴功 压缩机主轴上要求输入的功压缩机主轴上要求输入的功,其值为指示功与其值为指示功与各摩擦部分消耗功之和。各摩擦部分消耗功之和。 相应地压缩机功率也有指示功率与轴功率。一般压缩机铭牌上历标的功率均指轴功率,是指额定工况下所需的功率。实际运行中轴功率会随工况的改变而改变。2.1 压缩机的热力性能压缩机的热力

12、性能2.1.4 功率和效率功率和效率2.1 压缩机的热力性能压缩机的热力性能2.1.4 功率和效率功率和效率1. 指示功率及其影响因素 计算 影响因素 1）任意级的进气温度 2）析水系数 3）吸气压力损失 4）压缩过程的泄漏 5) 膨胀指数和余隙容积101101(1)60(1)11jjijsjpjtjljnnjjpTNQTnn 2.1 压缩机的热力性能压缩机的热力性能2.1.4 功率和效率功率和效率指示功率及其影响因素 2.1 压缩机的热力性能压缩机的热力性能2.1.4 功率和效率功率和效率比功率 同类机器 相同工况 相同工作条件2.1 压缩机的热力性能压缩机的热力性能2.1.4 功率和效率功

13、率和效率1. 机械效率和热效率 机械效率的定义 机械损失的构成 等温效率 绝热效率 4.功率和效率功率和效率绝热指示效率绝热指示效率等温指示效率等温指示效率机械效率机械效率总效率总效率（绝热、等温）（绝热、等温）PPPPPPimiTiTisismiTTTmiSSSPPPP效率o压缩机的机械效率是指示功率与轴功率之比压缩机的机械效率是指示功率与轴功率之比 o实际影响压缩机机械效率的因素很多实际影响压缩机机械效率的因素很多,通常中、大型压缩通常中、大型压缩机机 0.90.96 ;小型压缩机小型压缩机0.850.92 ;微型压缩机微型压缩机0.820.90 。o压缩机等温效率压缩机等温效率 0.65

14、0.75o压缩机的绝热效率压缩机的绝热效率o大型压缩机大型压缩机0.80.85,中型压缩机中型压缩机0.70.8,小型压缩机小型压缩机 0.650.7 。 压缩机等温效率o压缩机等温效率在一些书籍或资料中,称为“压缩机装置等温效率”,它反映了压缩机中各种损失的总量其中包括:气阀损失、级间冷却不完善损失、泄漏损失、摩擦损失等。因为等温效率容易求取,只要计算理论等温指示功率与测得轴功率,便可得知,此外,它反映的损失包最全面。一般资料中所提供的等温效率均为此值。注意o绝热效率反映了压缩机进、排气过程的压力损失,多变压缩过程与绝热压缩过程的差别,摩擦功耗等的影响,但未考虑级间冷却不完善的因索。因此单级

15、压缩机或无级间冷却的多级离心压缩机用绝热效率来考核其经济性比较合适而多级容积压缩机用绝热效率,则可能带来错误的评价。影响排气量的因素o1.进气压力o2.进气温度o3.转速o4.余隙容积o5.泄漏2.2 压缩机的动力性能压缩机的动力性能2.2.1 压缩机中的主要作用力压缩机中的主要作用力1. 作用力分析各力对压缩机的作用气体力气体力Fg o在气缸轴线方向上,气体力是不会传递到机器外边来的,它在机器内部互相平衡了惯性力惯性力 I往复惯性力部分未被平衡,它能通过主轴承及机体传到机器外面来,故惯性力称为外力,或称为自由力。 往复惯性力Is由于它的方向和数值随曲轴转角周期地改变,因而能引起机器的振动。此

16、外,旋转惯性力Ir也作用在主轴承上,它也是自由力,也能引起机器的振动。 为了使机器达到平稳运行,应尽可能在机器内部把惯性力平衡掉.侧向力及侧覆力矩 o侧覆力矩的数值周期地变化,它又无法在机器内部获得平衡,所以属于自由力矩,要造成机器振动。但是,当压缩机和驱动机构成一个整体或者处在同一基础上时,驱动机作用给机体或基础的反力矩使侧覆力矩要平衡掉一部分,故基础作用于土壤上的力矩为两者之差。 阻力矩Myo压缩机的阻力矩随转角周期性地变化压缩机的阻力矩随转角周期性地变化,而驱动机的驱动力矩而驱动机的驱动力矩Md一般是个恒定的数值。虽然在机器一转中阻力矩所消耗一般是个恒定的数值。虽然在机器一转中阻力矩所消

17、耗的功与驱动力矩所供给的功保持相等的功与驱动力矩所供给的功保持相等,由此维持压缩机的每由此维持压缩机的每分钟转速不变分钟转速不变,但每一转中的每一瞬时但每一转中的每一瞬时,两者在数值上是不相两者在数值上是不相等的等的,因此要使主轴产生短暂的加速或减速现象因此要使主轴产生短暂的加速或减速现象 o不希望一转中机器的角速度有很大变化不希望一转中机器的角速度有很大变化,可以人为地用加可以人为地用加飞飞轮轮的办法来增大的办法来增大J,以降低角加速度以降低角加速度。 某些立式或角度式压缩机在空载荷时机器运转非常平稳,但当进入正常运转机器便明显晃动起来为什么?o此外此外,可以看到某些立式或角度式压缩机可以看

18、到某些立式或角度式压缩机,当刚性较差时当刚性较差时,侧覆力矩往往使机身产生比较明显的、在力矩平面内侧覆力矩往往使机身产生比较明显的、在力矩平面内的振动。特别是当这些压缩机的惯性力平衡得相当好的振动。特别是当这些压缩机的惯性力平衡得相当好时时,我们便会看到我们便会看到,在空载荷时机器运转非常平稳在空载荷时机器运转非常平稳,但当但当进入正常运转进入正常运转,气体压力增加时气体压力增加时,机器便明显晃动起来。机器便明显晃动起来。原因就在于空载时侧覆力矩值很小原因就在于空载时侧覆力矩值很小,而满载时有了气体而满载时有了气体力从而使此力矩增大的缘故。力从而使此力矩增大的缘故。2.2 压缩机的动力性能压缩

19、机的动力性能2.2.1 压缩机中的主要作用力压缩机中的主要作用力2. 作用力计算 气体力（方向） 惯性力（往复、旋转） 摩擦力（方向） 综合活塞力（代数和）2(coscos2 )sssImam r2IcosssIm r2IIcos2ssIm r2rrIm r2.2 压缩机的动力性能压缩机的动力性能2.2.2 飞轮矩的分析和计算飞轮矩的分析和计算1. 总切向力曲线2. 能量平衡曲线3. 旋转不均匀度2.2 压缩机的动力性能压缩机的动力性能2.2.2 飞轮矩的分析和计算飞轮矩的分析和计算2.2 压缩机的动力性能压缩机的动力性能2.2.2 飞轮矩的分析和计算飞轮矩的分析和计算2.2 压缩机的动力性能

20、压缩机的动力性能2.2.3 惯性力和惯性力矩的平衡惯性力和惯性力矩的平衡回转惯性力 平衡重平衡往复惯性力 单列:平衡很复杂 两列或多列: 相互抵消 用平衡重 未平衡惯性力 基础与隔震垫（无基础设计）旋转惯性力的平衡o不平衡旋转质量所造成的离心力平衡比较方便,在曲柄的相反方向装上一个适当的平衡重,如图 所示,使两者所造成的离心力相互抵消即可。几种典型结构往复惯性力的平衡几种典型结构往复惯性力的平衡:单列压缩机往复质量惯性力用平衡重不能平衡多列的对动式压缩机,还可以选用各对动列间合适的曲柄错角,使得力矩也完全平衡,例如四列、六列、八列的对动压缩机都可做到这一点。V 型结构左列的往复运动质量和右列相

21、等。当两列夹角为90,两级往复质量相等,一阶惯性力的合力I为定值,且始终处于曲柄方向,因此可以在曲柄相反方向用装平衡重的方法予以平衡。对动式压缩机其特征是每一相对列的两组运动件作对称于主轴中心线相向对动式压缩机其特征是每一相对列的两组运动件作对称于主轴中心线相向运动运动,如图如图 所示。当相对列的往复质量相等所示。当相对列的往复质量相等,曲拐半径相等时曲拐半径相等时,其相对列的加其相对列的加速度数值相等方向相反速度数值相等方向相反,故一阶、二阶往复惯性力和离心力都互相抵消故一阶、二阶往复惯性力和离心力都互相抵消,而仅而仅剩余未平衡的惯性力矩。由于对动式压缩机气缸处于机身两侧剩余未平衡的惯性力矩

22、。由于对动式压缩机气缸处于机身两侧,列间矩列间矩a 可可以做得远比立式压缩机小以做得远比立式压缩机小,故此力矩的数值是不大的。故此力矩的数值是不大的。两列立式压缩机o两列曲柄错角=180。将两列的惯性力分别转化到系统的质心平面s-s 上,则得合力和合力矩如下:o若两列的往复质量和旋转不平衡质量均相等,并且b=c=a/2,则得: I = 0 ;Ir=0;M=0。几种典型结构往复惯性力的平衡几种典型结构往复惯性力的平衡:o1.两列立式压缩机 o2.对动式压缩机 o3.V型压缩机 1 立式压缩机特点o活塞工作表面不承受活塞重量,因而气缸和活塞的磨损比卧式的小而且均匀,活塞环的工作条件有所改善,能延长

23、机器的使用寿命。无油润滑压缩机多采用立式结构。o占地面积小o因为裁荷使机身主要产生拉伸和压缩应力,所以机身的形状简单、重量轻。o往复运动部件的惯性力垂直作用在基础上,而基础抗垂直振动的能力较强,o它的尺寸较小方便。o气阀和管道布置比较困难,较大的立式压缩机操作,维修不便o立式压缩机对中、小型空气压缩机均适用。卧式压缩机o卧式压缩机大都制成气缸置于机身两侧的结构,其优缺点恰好和立式压缩机相反;卧式压缩机的级间设备甚至可配置在压缩机的上方或下方,中、大型压缩机宜采用卧式结构。o在卧式压缩机中, 相对列活塞相向运动的对动式压缩机,其动力平衡性能特别好,并因为相对列的作用力能全部或部分地相互抵消,使主

24、轴承仅受相对列力矩转化的力,故轴承受力情况改善,且不论奇数列还是偶数列都可做成对动式结构,所以现在应用最普遍。当然对动式压缩机也有缺点:o首先,两相对列中,总有一列十字头上作用的侧向力向上,而在两止点位置侧向力小时,其重力又向下,因此造成十字头在运动中有敲击,并导致活塞杆随之摆动,从而影响填料的密封性及耐久性;其次,仅两列的对动式压缩机,其总切向力曲线很不均匀,由此使飞轮矩要比角度式结构大。V型压缩机型压缩机2.3压缩机的结构参数压缩机的结构参数o活塞平均速度活塞平均速度o对压缩机摩擦副耐久性的影响对压缩机摩擦副耐久性的影响 当作用的压力一定时当作用的压力一定时,一些零件取决于活塞平均速度一些

25、零件取决于活塞平均速度vm,它们有活塞、活塞它们有活塞、活塞环、填料、十字头滑板环、填料、十字头滑板,当活塞平均速度高时当活塞平均速度高时,这些零件这些零件单位时间内受摩擦的距离便长单位时间内受摩擦的距离便长,故磨损也大故磨损也大;另一些取决另一些取决于转速于转速n,它们是气缸镜面、活塞杆、十字头导轨以及它们是气缸镜面、活塞杆、十字头导轨以及各轴颈和轴承各轴颈和轴承,这些零件转速高时单位时间内摩擦的次这些零件转速高时单位时间内摩擦的次数增加数增加,故磨损增大。故磨损增大。 o 对气阀的影响对气阀的影响 活塞平均速度对气阀的影响不是直接活塞平均速度对气阀的影响不是直接的的,只是只是vm大时使低压级气阀布置较困难。大时使低压级气阀布置较困难。 o一般一般,采用环状阀及网状阀的中