第三章活塞式压缩机.

1、第三章往复活塞式压缩机 3山概述3.2活塞式压缩机的热力学基础 3.3活塞式压缩机动力学 34活塞式压缩机的总体结构 3.5活塞式压缩机的主要零部件结构简介 36活塞式压缩机的运转3.1概述 3.1.1压缩机的应用与分类厂容积式压缩机压缩机往复式斥缩机活塞式斥缩机滑片式压缩机单螺杆 冋转式压缩机J螺杆式压缩机彳I涡旋式压缩机I双螺杆'离心式压缩机透平式压缩机VI轴流式压缩机r 3.1.1.1容积式压缩机容积式压缩机的定义：是指依靠气缸工作容积的周期件的变化來压缩气体，以达到提高气 体压力的流体机械。往复式压缩机改变I作腔容积的方式有两种：靠活塞的往复运动靠“活塞”或叫“转子”的 旋转运

2、动回转式用缩机r 3.1.1.2透平式压缩机定义靠机内做拓速旋转的叶轮将能量传给气体，使气体的压力和速度都有 所提筒，并通过扩压元件把气流的动能转换成所需的压力能的流体机 械。根据机内气流的方向不同，速度式压缩机分以下两种：气流肉心方向运动 > 离心式压缩机气流流动方向与主轴平行轴流式压缩机r 3.2活塞式压缩机的热力学基础 3.2.1基本热力状态参数 （1）温度：绝对温度（k） （2）压丿j：绝对压力（Pa） （3）比体积：每单位质量气体所占的容积，以u表示。3.2.2理想气体的状态方程式理想气体的定义：不考虑气体分子之间的作用力和分子木身所占右 的体积的气体。pu = RTR气体常数

3、pV = GRTV质量为G的气体的体积1 3.2.3压缩机的理论循环 3.2.3.1往复式压缩机的组成部分a匚作腔部分：气缸.活塞、气阀。 b传动部分：连杆、曲轴、I字头。c机身部分：用于支撐（或连接）气缸与传动部分和其他辅助部分。d.辅助设备：比如润滑系统（油泵.注油器）.冷却系统.控制检测系统。、活塞、活塞环、曲柄、连杆r 3.2.3.2压缩机级的理论循环级：被压缩气体进入工作腔内完成一次气体压缩称为级。 个工作循环：每个级完成进气.压缩.排气过程、称为一个工 作循环。如果一个工作循环，具备以下特征（5条）则称这样一个工作循环 九理论循环。气缸内无余隙容积，腔内的气体在爪缩终了时被全被气体

4、通过气阀时，无压力损失：在吸气和排气过程中，气缸内气体的温度不变：气体压缩过程指数为定值；气体无泄漏； 具备以上特征的往复压缩机级的理论循环指示图如下:图3-1进气过程：4-1,是等压过程，因而过程线为一水平线（由外正点到丙指点）斥缩过程；1-2,从内止点开始，到达到排气压力时停 Ik,过程指数为一个定值，即该曲线是一个等指数曲 线。排气过程：2-3,是等压过程，过程线为一水平线，从 排起点开始到外止点结束。止 点：极限位置称为止点，（靠近主轴侧为内止点） 回程：向内止点运动。去程：向外止点运动。行 程：外止点与内止点之间的距离。那么指示图1'4-1-2-3-4成为压缩机的理论循环。r

5、 3.2.3.3压缩机级的理论循环指示功从高等数学的知识可知，图3 1种封闭曲线4-1-2-3-4所包围 的而积即为完成该循环所需 的外功，我们把该外功成为 指示功。图2J可称为指示功 图。设进气压力为从，进气量为片（乂称行程容积匕，= v, = ApS , S为行程。 排气压力为匕。 活塞对气体作功为疋，气体对活塞作功为负，这样每一个过程的功为：进气过程：-p,v1；排气过程：p2v2压缩过程：（-旳）Ju代数和即为总的指示功：VV = n 十p2v2 + j p（dv） =vdp上式说明，对丁理想气体，叱在一定的进排气压力下，只9压缩过程有关。典型的理论压 缩循环仃三种，这样就仃三种压缩理

6、论循环指乐功。0 绝热压缩循环指示功绝热爪缩足折进行压缩时气休9外界无交换压缩产的热秋金祁川F气体提面温皮。有热力学的知识对知.绝热过程方程为山此町以将积分.衍出绝热压缩理论術环折示功.即pv4 = const = p# = p2v2叱=r（L）h/p= “宀 £【（厶拧-1呱 pk 一 p、b 等温压缩循环指示功：写温丿k.缩:UP/fJk缩过Fd中.气体温度保拎不变.7； =7；卑温过程方程为pv= const PjV） = p2v2那么Wf =广空!-亦=In厶5 PPig多变压缩循环指示功：笋变压缩術环：压缩过县!屮，气休仃温度变化，并且与外界仃外交换pvm = const

7、= p2v2M I比=JP（型一）肩厶）k_f P/fl Pg323.4级的实际循环（1）气体不能完全排出工作腔，原I人I足任 何的从图屮体现的,这样在排气终了时，缸内有高压气体， 并有活塞自外止点向内止点运动时，首先 膨胀，所以指示图I二有一个膨胀过程,cd（2）气1绚的彤响使进排气过程有压力损失, 而且压力有波动。过程指数m不足一个运值（气体与各接 触壁面间始终有温怎）气体仃泄淤i （由于气缸容积不可能绝 对密封） 实际气体理想气体的差别也给斥缩机的 循环带有影响压缩机级的实际循环指示功我们说示功图中曲线范围的而积即为指示功的*小，而实际循坏的示功图山其n身的 恃点造成与理论循坏有差异，这

8、样实际循坏指示功也与理论循环指示功不同。计算时，我们 做了一些假定：a.进、排气过程的压力用平均压力來代替实际的进气压力"严(1-厲也，厲一进气相对压力损失系数实际的排气压力几=(1+岛巾2,岛一排气相对压力损失系数1±2=1+久，厲一总的和对压力损失系数1-耳h.设压缩与膨胀过程指数为定值，并11假设两过程指数相等为g那么，实际循环的指示功可 以用以下的形式表示由膨胀过程方程曲=皿；叱=p” 弋（也）宁-n = （i-巾人岭 4（邑挣）却-1】m 一 1 /人m- J、I- Cnt-l=（1一$”虫匕斗£（1 + 心）一1m 上式中，只有兄、，和 £

9、两个符号我们尚不明确其含义注：人.称为容积系数气缸的实际吸气量山于气缸存在余隙容积，使气缸的部分容积被膨胀气体占据，这样引入人表示气缸容积的利用率。即 P2VJ = P4V； = P|(V0+Av|)n所以，儿(厶+-11P引入：相对余隙容积d名义压力比£：CX =()这样 人=1-皿訂-1)由于实际循环与理论循环的差异，造成实际循环的吸气量不等于行程容 积K = vh爪力系数召：山于进气阻力和阀腔中的压力脉动，使吸气点的压力低 于名义进气压力。温度系数 召：与气体冷却及压力比有关令吸气系数= 2rzzAy=yLyLyVh v； v；爭3.2.4压缩机的排气量(农征压缩机的人小) 黒

10、量:通常是指单位时间内压缩机最后一级排出的气体，换算到第i级 进口状态的压力和温度时的气体容积ffi.(mVmin,mVh)额定排气量:是指在进口状态为O.IMPa,气体温度为 20。G的排气量q、= q、d 厶- +q、s + %Ps Td Zd其中 q&-末级排出的气体的的容积流虽q、厂分离的水分换算到第级进I I状态的容积流量久一中间除掉的气体换算到第级进II状态的容积流此 若为中途加入的气体。以负值带入。.排气量的计算般：排气量=吸气量泄漏量Qo = Sln =匕几人凡772/ 汕漏系数排气系数兄H =兄热人九影响排气最的因素：（1）进气压力：随着吸气压力提高而提高，降低而降低

11、（2）进气温度：降低吸气温度可提高吸气量（3）转速的影响：提髙转速可增加排气量（4）余隙容积的影响：减小余隙容积可增加排气量3.2.5压缩机的功率和效率（5）泄漏的影响：减少泄漏可增加排气量 3.5.2.1指示功率w/n 1p< =- = £（1一6）门入叫-7£（1 + %）一16060m-1 3.5.2.2效率（衡量压缩机的经济性）P严 Pz+P<叽=P： 2 久=P：【P,（1）指示效率等温指示效率绝热指示效率（2）机械效率（3）传动效率小结压缩机的技术参数进气压力、排气压力吸气量、排气量吸气温度、排气温度压力比功率效率3.2.6多级压缩定义：将气体在压缩

12、机的几个气缸中连续依次地进行压缩，并在进 入下级气缸之前，将气体导入中间冷却器进行冷却。3.2.6.1采用多级压缩的理由经一级压缩达到排气压力所需功耗为SI2W经二级压缩达到排气压力所需功耗为j这样省功为S2332冷却后容积减少之所以省功，就是因为采用了中间冷却，若 冷却不完善无法将气体温度降至名义气体温 度，那么将比完全冷却的功耗大。可以降低排气温度m-l排气温度T, = T历（Td为排气温度，7；为进气温度）由上式可以看出，£越小，则J越小采用多级压缩降低了每级的压力比，进而降低了排气 温度为什么要降低排气温度呢？原因有： 排气温度过高，会导致性能恶化，粘度降低，或形成积炭现象。

13、 对某些特殊气体，因排气温度过高，还会产生腐蚀或爆炸。提高容积系数的利用率。降低活赛力活塞力P = PF由于采用多级压缩，每级容积因冷却而逐渐减少，在行程相同的情况卜°, 相当于活塞面积减少，即F诚少，因而活塞力减少。-活塞力：活塞在止点所受的最大气体力3262级数的选择理论上讲，级数越多越省功，但级数过多会造成爪缩机结构复杂，同 时机械摩擦损失。流动损失会增加，设备的整体尺寸、亟量会增加，维修 费用大，所以，应合理选择级数。级数的选择原则:（1）对于长期运转的大中型压缩机：以故省功为原则（2）对于间歇使用的小型压缩机及交通运输用的压缩机：在允许的排气 温度内，尽量采用较少的级数以减

14、轻重最。（3）对特殊气体为工质的压缩机：取决于每级允许达到的排气温度。（4）化T用压缩机：与匚艺流程密切相关，般每级的压力比不X超过4、326.3压力比分配最佳压力比：按最省功原则常取乞级压力比和等(Z为压缩机级数，6为仟总级的压力比实际压力比：为了平衡活塞力，往往破坏等压比分配原则。第级：压比略小，以提高气缸的容枳利用率6中间级：压力比和等末级：略小.以防止排气温度过高r 3.2.6.4各级工作容积的确定多级压缩机各级气缸的行程容积随肴压力的递增依次减小。(1) 经压缩后压力升高，体积减少(2) 水蒸汽的凝析(3) 中间抽气第一级工作容积：匕|=兄Mpi外i兄心i nn为压缩机转数r/min

15、町由行程容积确怎气缸的血径。3.3活塞式压缩机动力学斥缩机运转时，会产生各种作用力，山此就会形成各种力矩，因而就涉及到力和力矩的平衡问题。压缩机中的作用力和力矩压缩机在正常运转时，产生的作川力主要有三类:（1）惯性力（2）气体力（3）摩擦力甲3.3.1曲柄连杆机构的运动性力:(1) 产牛原因：各种运动零件作不等速运动或作旋转运动。(2) 分类：往复惯性力由往复质量的不等速运动引起的惯性力。旋转惯性力 山旋转质量的转速运动引起的惯性力。(3) 惯性力计算I maa质量的简化：习惯上把压缩机运动零件的质呆按它们的运动情况简化成质点。往复压缩机的常用运动机构为曲柄-连杆机构。把活塞、活塞杆、I字头、

16、连杆、曲柄。 叱耳塞、活塞杆、十字头做往复运动，将它们的质量认为集中J：十宁头销屮心点A处连杆做平而运动，将其分成两种质量-种是集中于A点的往复运动的质量= (0.3 0.4)也-种是集中丁 B点的旋转运动的质量切"=(0.7 0.6)“曲柄的质量认为集中于曲柄销中心B点这样总的往复运动质量加 =叫+ (0.3 0.4)“总的旋转运动质童mr = mt + mt £+(0.70.6”坷:/b惯性力大小往复惯性力/ =a的求解.可以根据图26求解设任意时间点A的位移为x则x = CA = CO AO = / + r (/cos/7 + r cos) = /(1 cos /7)

17、 + r( 1 cos) 令兄=.则x = rf丄(l-cos“) + (l cos0)|/L另外.曲儿何关系可知厶； =sin& sin (j所以cos/? = Jl - 才 sin0匕式为位移的粘确农达式.若将0项按二次足理展开为无穷级数则何因为/Ivl时，此级数快速收敛.这样略去以上的项cos/3 = Jl-/sin& = 1- sin- sin* -sin608h因为，2vl时.此级数快速收敛，这样略£才以上*项cos=1_£1z=1_£+£cos222441 A2 A2A这样 x = r| (1 1 hcos 2) + (1 c

18、os。) = r(1 cos2&) + (1 cos。)必一J = = xX = = V d2 444=必 in6>+-sin 2&) dO dt2= co2 r(cos0 + Acos2) dO dt所以，往复愤件力 / = 一4 = -m2r(cosO + Acos29)旋转惯性力Ir = -mrro）2c分析：人随的&变化而变化。但匚的方向只沿I字头滑道的轴线方向。称：Ix =msrco2 cose为一阶往复惯性力，周期为2n/, = A/nsrco2 cos2& 为二阶往复周期为tt匚的大小不变，方向始终沿看I出柄半径向外。2气体力：汽缸内气体作用

19、在沾基I的力称为该工作容积内的气体力。书上公式 耳=（卩一几）每何误，气体力公式应为F严pAp-pA。3.摩擦力：接触而相对疋产卞的摩擦力，分为旋转摩擦力和往复摩擦力。III J Jt大小变化规律复杂，且比惯性力和气体力小得多，所以暂K考虑。作用力分析:（自学）作用力的合成连杆力：3.3.2各力和力矩作用分析力:同时作用在活塞和气缸需上，它在机器内部"相平衞，是内力。惯性力：通过上轴承及机体传到机器外边來是外力，能弓起机器的振动.所以为了使 机器运行平稳，应尽可能地平衡掉惯性力。侧向力和侧覆力矩：侧向力：压向I字头滑道的正压力，它与上轴颈作用丁轴承上的莊直分力在机器内部构成 一个力矩

20、，称为侧覆力矩。侧覆力矩作用在机身上，仃使机器倾倒的趋势，而II大小不断变化，引起机器振动阻力矩：Mv = Fth（巧为连杆力）阻力矩是相对与曲轴中心构成的力矩，起看阻止曲轴旋转的作用的力矩。它的大小（见书2-42）式。周期性变化，用驱动机的驱动力矩无法平衡，而使主轴产生变 速。为了使£降低，则可以从增大J的角度出发.人为的用加飞轮的办法來增加J or 333惯性力平衡惯性力平衡的方法通常有两类：类是在曲柄销相反方向设置'卜衡：另 类是使惯性 力相互抵消。1旋转惯性力的平衡：在曲柄销相反方向上装上-个适当的平衡3L使两者造成的离心力相 互抵消即可。所装平衡亜的质星为加。=wr

21、-,心为平衡重质心到丄轴旋转屮心的距离。2.往复惯性力的平衡：对r单列往复活塞床缩机的往复惯性力不能用加平衡逍的方法來半衡掉，所以便有了多列 压缩机的发展。以两列立式压缩机为例，说明惯性力的相w抵消。如图:两列立式压缩机.曲柄错角180, x为系统的质心平而，若将两列的惯性力分别转/)=叫 加 cos。- mj rar cosO = 0 fft/u =/n, s：cos2& +加，ra): cos2 = 2mja)z coslOfB/, =mr ra)2 -mr ra): =0一阶往复價性力合矩M严/+匸争厠cose二阶往复惯性力合矩Afll = /llV/11*c = 0离心力合矩

22、Mr = ICc = amrra)2可见这种结构可以平衡推阶往复惯性力，症转愤性力，阶往复惯性丿怡矩.t若采用对动式结构即每队列的两组运动件对称与卞轴中心线运动，如图所示I I ir/)= 0 Zu = 0» /r = 0 ：999A/】 =/?+/ c = amra)2 cosOM = 2jLims ro)2 cos 20A/= amrr&)2但由于气缸位与主轴两侧.所以a町以比较小，这样各种惯性力矩的数值都不很人。 如果增加对动式压缩机的列数，如4列,6列，8列,迭择合适的曲柄错角宪全可以做到 力和力矩的全部平衡。另外V型L空以及其它角度式压缩机.如杲各列夹角和往复质呈符

23、合定的要求，那么它 的h和h町以用加平衡匝的方法平衡掉。3.3.4飞轮矩的确定在以询的了习屮，我们知道般驱动力矩足个定值，而阻力矩人小呈周期性变化，这便形 成机器的变角速度运动.为r使机器的角速度变动不人，即旋转不均匀度适当，必须在机 器设计时采用相应的措施。除利用名列压缩机族列的合理排列外，通常还用增大机器转动惯 暈的方法予以解决，这个装宜就是飞轮。习惯上将e轮的轮缘部分的质址与轮缘截而质心所形成园的直径平方的乘积称为e轮矩。GD2 =36AE/tt2h2SE为曲轴在旋转一周的过程中动能的变化最大值5为旋转不均匀度。s =空匸竺巴+6y_)按照联轴器和电机的1作条件耍求，5通常限制在一定的范围内，那么我们可以由5的范 国确定飞轮矩的大小3.4活塞式压缩机的总体结构 3-4.1活塞式压缩机的结构形式按气缸屮心线相对于地平线位置或其彼此关系分:立式：汽缸屮心线与地平线垂直C角度式：汽缸中心线与地平线成一角度，又有L型、 V