第二章容积式压缩机

1、第二章 往复式压缩机2.1 概述概述2.2 级的热力过程级的热力过程2.3 多级压缩多级压缩2.4 主要热力性能指标及结构参数主要热力性能指标及结构参数2.5 动力性能分析动力性能分析2.6 调节方式及控制调节方式及控制2.7 主要零部件主要零部件2.8 压缩机的选型压缩机的选型2.1 概概 述述工作腔部分: 气阀 气缸 活塞 传动部分: 连杆 曲柄 十字头 机身部分 辅助设备:润滑系统 冷却系统1-1-气缸盖气缸盖 2-2-排气阀排气阀 3-3-进气阀进气阀 4-4-气缸气缸 5-5-活塞活塞6-6-活塞环活塞环 7-7-冷却套冷却套 8-8-连杆连杆 9-9-曲轴曲轴1.工作的稳定性较好；

2、2.机器适用性强；3.机器的热效率较高；4.容积式机器结构较复杂，易损零件多；5.气体吸入和排出是间歇的，易引起气柱及管道的振动2.2 级的热力过程级的热力过程（1 1） 理论循环的特点理论循环的特点（2 2） 理论循环的过程理论循环的过程（3) 3) 理论循环的压缩功理论循环的压缩功（1 1）理论循环的特点）理论循环的特点气体通过进、排气阀式无压力损失，进、排气压力没有波动保持稳定；工作腔内无余隙容积，缸内的气体被全部排出；工作腔作为一个孤立体与外界无热交换；气体压缩过程指数为定值；气体无泄露。（2 2） 理论循环的过程理论循环的过程（3 3） 理论循环的压缩功理论循环的压缩功 对于压缩级来

3、说，一个理论循环中所进的气体量，为活塞面积与一个行程乘积，即 V1=ApS式中 Ap活塞面积，m； S 活塞行程，m。该容积习惯上称为行程容积Vh，即VhV1。（1 1） 实际循环的特点实际循环的特点（2 2） 实际循环的吸气量实际循环的吸气量（3 3） 各系数的物理意义各系数的物理意义（4 4） 级的循环指示功级的循环指示功（1 1） 实际循环的特点实际循环的特点任何工作腔都存在余隙容积。气体流经进气、排气阀和管道式必然油摩擦，由此产生压力损失。气体与各接触壁面间存在着温差，导致不断有热量吸入和放出。气缸容积不可能绝对密封。阀室容积不是无限大。（2 2）实际循环的吸气量）实际循环的吸气量由于

4、实际循环和理论循环存在差异，这将影响压缩机各方面的性能。例如实际循环中，活塞每个行程所吸入的气体若折合成原始的压力P1和温度T1，则比行程容积Vs小。实际循环的吸气量可表示为：0sVplsVsVVV （3 3） 各系数的物理意义各系数的物理意义 由于气缸存在余隙容积，使气缸容积部分容积被膨胀气体占据。11121111nsVsssVVVpVVVp 111n （4 4） 级的循环指示功级的循环指示功 实际循环指示功的近似计算是把进、排气过程的压力用平均压力来代替，压缩与膨胀过程指数用定值来代替，并且假设压缩过程指数与膨胀过程指数相等。110(1) (1)11mmisvhmWpVmJ2.3 多级压缩

5、多级压缩 所谓多级压缩是将气体的压缩过程分在若干级中进行，并在每级压缩之后将气体导入中间冷却器进行冷却。 节省压缩气体的指示功 降低排气温度 提高容积系数 降低活塞力 大、中型压缩机级数的选择，一般以最省功为原则。小型移动压缩机虽然液应注意节省功的消耗，但往往重量是主要矛盾。因此级数选择多取决于每级允许的排气温度。在排气温度的允许范围内，尽量采用较少的级数，以利于减轻机器的重量。对于一些特殊气体，其化学性质要求排气温度不超过某一温度，因此级数的选择也取决于每级允许达到的排气温度。下表是往复压缩机级数与终了压力的一般关系。 多级压缩过程中，常取各级压力比相等，这样各级消耗的功相等，而压缩机的总耗

6、能也最小。即各级压力比 为：式中，z压缩机级数。对于实际气体，考虑到气体可压缩性的影响，压力比的分配可根据功相的原理作适当的升降。idzispp压缩机第一及工作容积：按照前一级排出的气体要为下一级所吸进的原则，任意i级的工作容积为：1iVsqVVn111iiiiiiscsVssVsTZqpVn pTZ 析水系数的计算公式为：111isaiipppppp2.4 主要热力性能指标及结构参数主要热力性能指标及结构参数1.压缩机的吸气和排气压力分别指第一吸入管道处和末级排出接管处的气体压力。2.因为压缩机采取的是自动阀，气缸内压力取决于进、排气系统的压力，所以吸、排气压力是可以变更的。3.压缩机铭牌上

7、的吸、排气压力是指额定值，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。4.它们是可以在很大范围内变化的。 压缩机的容积流量，通常是指单位时间内压缩机最后一级排出的气体，换算到第一级进口状态的压力和温度时气体容积值，单位是m/h或m/min. 按照容积流量的定义，利用实际在测得的末级容积流量值，可按下式求取流量：111dcssdVvvVsddT Zpqqqqp T Z 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。化工工艺中适用的压缩机由于工艺计算的需要，需将流量折算到标准状态( )时的干气容积值，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15）

8、。 供气量与容积流量的关系为：11100()ssaVNvsppTqqp T3(/min)m51.013 10,0Pa压缩机的排气温度时指压缩机末级排出气体的温度，它应在末级气出气管处测得。多级压缩机末级之前各级的排气温度称为该级的排气未温度，在相应的排气接管处测得。1.指示功： 压缩机用于压缩气体所消耗的功；2.摩擦功： 压缩机用于克服机械摩擦所消耗的功；3.轴功：指示功与摩擦功之和，即主轴需要的总功；4.功率： 单位时间所消耗的功；5.比功率： 排气压力相同的机器，单位容积流量所消耗 的功对于理想气对于理想气体体1/01(1) (1)1601jjmmjijsjvjsj sjjjjmNnp V

9、m 对于实际气体对于实际气体1/01(1)(1)16012jjmmjsjdjijsjvjsjsjjjjsjmZZNnp VmZ压缩机的机械效率压缩机的机械效率 ： 等温指示效率等温指示效率 ：等温轴效率等温轴效率 ： 绝热效率绝热效率 ：1Zi adjjiszNN1Zi adjjadzNNmi isisad 活塞速度是随曲柄转角变化的，而实际应用中常采用活塞平均速度，即每转活塞所走距离与该时间之比，活塞平均速度对压缩机性能的影响：260/30mssnn1.对压缩机摩擦副耐久性的影响。2.对气阀的影响。 转速的选择不能只是着眼于压缩机的重量和尺寸，还必须考虑到机器的耐久性和经济性。转速可表示为：

10、311145mvvv iznq活塞行程:当活塞力大于 时，行程长度应取成中国的行程系列值，并反过来修正活塞平均速度，有时甚至修正转速。30mvsn42 10 N1.13siVDz s222siVdDz s单作用式气缸 D：双作用式气缸，因为具有活塞杆并设直径为 d：2.5 动力性能分析动力性能分析惯性力惯性力气动力气动力摩擦力摩擦力作用力分析作用力分析质量的求解质量的求解加速度的加速度的求解求解惯性力惯性力作用力的合成作用力的合成各力对压缩机的作用各力对压缩机的作用质量的求解质量的求解运动零件运动零件 连杆连杆 曲拐曲拐 一类是质量集中在活塞销或十字头中心点A处，且只作往复运动；另一类是质量集

11、中在曲柄销中心点B处，且只作绕曲柄中心O点的旋转运动。rslmmmsplmmm加速度的求解加速度的求解22(1cos)(11sin)xrldxdxdxddxvdtdddxd(sinsin2 )2r2(coscos2 )dvdvdrdtddt活塞位移：活塞位移：活塞速度：活塞速度：活塞加速度：活塞加速度：22(1cos)(11sin)xrldxdxdxddxvdtdddxd(sinsin2 )2r2(coscos2 )dvdvdrdtddt活塞位移：活塞位移：活塞速度：活塞速度：活塞加速度：活塞加速度：加速度的求解加速度的求解惯惯 性性 力力 由于曲柄连杆机构的运动部件质量已转化到图示的A点和B

12、点，可将惯性力分成往复惯性力I和旋转惯性力Ir。 往复惯性力I： 旋转惯性力Ir：2(coscos2 )ssImm r IIIII2rrIm r 气气 体体 力力 气缸内气体压力随着活塞的运动或曲轴转角而变化，其变化规律可由压力指示图获得。作用在活塞上的气体力，为活塞两侧各相应气体压力与各活塞有效面积乘积之差值。即 若活塞的一侧为大气，或为平衡腔，则大气压力或平衡腔中气体压力所产生的作用力也要考虑。但由于它们不是变值，处理比较方便。()gspFpp A接触面间产生的摩擦力，其值取决于彼此间的正压力及摩擦系数。作用运动件上的摩擦力其方向始终与运动方向相反摩擦力大小随曲轴而变化，且规律比较复杂。因

13、为摩擦力相对于惯性力和气体力要小得多，所以在下面的作用力分析中，暂不予考虑。摩摩 擦擦 力力作用力的合成作用力的合成连杆力：连杆力：侧向力：侧向力：22cos1sinpplFFF22sin1sinpNpFFF tg各力对压缩机的作用各力对压缩机的作用1.气体力只使气缸、中体和机身等有关部分，以及它们之间的连接螺栓等承受拉伸或压缩载荷，故称为内力。2.往复惯性力I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。旋转惯性力Ir作用在主轴承上，它也能引起机器的振动。3.侧向力及侧覆力矩4.阻力矩Mysin()cosNpMF rydMMJ 以下引用的是：课程设计第一章、基本方法1.3 动

14、力计算的基本方法1.3.3 惯性力及惯性力矩的平衡1.3.3.1 1.3.3.1 单列压缩机单列压缩机1.3.3.2 1.3.3.2 多列压缩机多列压缩机 为了表征瞬时角速度变化的程度，引入旋转不均匀度的概念。的定义如下： (max-min)/m 为了使机器的旋转不均匀度适当，除了合理配置多列压缩机各列的排列外，通常还利用增大机器转动惯量的方法予以解决。飞轮矩GD表示飞轮的转动惯量。 GD=3600E/(n)2.6 调节方式及控制调节方式及控制1.气量的调节方式气量的调节要求气量的调节原理气量调节的几种方式2.调节系统l 转速调节l 管路调节l 压开进其阀调节l 连通补助容积气量的调节要求气量

15、的调节要求 容积流量随时和耗气量相等，即所谓连续调节，当不能连续调节时可采用分级调节，最简单的情况下压缩机只有排气和不排气两种工况，称间断调节。 调节工况经济性好，即调节时单位容积流量功耗小； 调节系统结构简单，安全可靠，并且操作维修方便。气量调节原理气量调节原理 理论基础是容积流量公式： 只要改变式中任何一个量，容积流量即可改变。但是，气缸直径无法改变； 在曲柄连杆驱动的压缩机中，行程也不能变；所以，实际上只有各系数和转速可以改变，并且除温度系数因经济性差不采用外，其它都用来进行气量调节的。vspVtlqVn （1 1） 转速调节转速调节适用范围：内燃机、蒸气机以及可变转速电动机驱动的压缩机

16、，可比较方便地实现连续的气量调节。优点：气量连续；调节工况比功率消耗小，压缩机各级压力比保持不变；压缩机上不需设专门的调节机构等。缺点：源动机本身性能的限制，且低于额定转速时，经济性低。转速低时由于压缩机进气速度降低，压缩机气阀工作可能会出现不正常。（2 2） 管路调节管路调节进气节流：进气节流：在管路方面增加适当阻力使压力系数减少，由此使气量减少。切断进气：切断进气：这种调节利用阀门关闭进气管路，由此使容积流量为零。进、排气管连通：进、排气管连通：排气管经由旁通管路和旁通阀门与进气管相连接。调节时只要打开旁路阀，排出的气体便又会入进气管路中。（3 3） 压开进气阀调节压开进气阀调节利用一个压

17、开装置，把进气阀强制地压开，使进气阀全部地或部分地丧失正常工作能力，也即使压缩机吸进的气体，因进气阀片不能自动关闭而在压缩和排气行程仍回入进气管，借以达到调节气量的目的。全行程压开进气阀部分行程压开进气阀（4 4） 连通补助容积连通补助容积（a）固定补助容积调节结构；（b）可变补助容积调节结构；1-1-高压接头高压接头 2-2-高压腔高压腔3-3-螺栓螺栓 4-4-连接杆连接杆5-5-小活塞小活塞 6-6-阀心阀心7-7-螺母螺母 8-8-补助容积补助容积9-9-微调手轮微调手轮 10-10-调节手轮调节手轮11-11-丝杠丝杠 12-12-活塞活塞调节系统调节系统1-1-电机电机2-2-第一

18、级压缩第一级压缩3-3-隔膜伺服器隔膜伺服器4-4-调节器调节器5-5-氨气入口压力氨气入口压力6-6-安全阀安全阀7-7-储器罐储器罐8-8-排气管排气管9-9-过滤器过滤器10-10-排气排气11-11-压力控制器压力控制器12-12-第二级压缩第二级压缩2.7 主要零部件主要零部件1.1.对气缸的要求对气缸的要求2.2.气缸的结构型式气缸的结构型式3.3.气阀在气缸中的布置气阀在气缸中的布置4.4.气缸的工作表面、缸套气缸的工作表面、缸套1. 1. 对气缸的要求对气缸的要求l 应具有足够的强度与刚度；l 要求气缸内部工作面及尺寸应用必要的加工精度和表面粗糙度，有良好的耐腐蚀性。余隙容积尽

19、可能小些；l 应具有良好的冷却、润滑条件；l 气缸上的开孔和通道，在尺寸和形状等方面要尽可能有利于减少气体阻力损失；l 应有利于制造和便于检修，应符合系列化、通用化、标准化的“三化”要求，以便于互换。l 应力求结构简单，造价低。2. 2. 气缸的结构型式气缸的结构型式l按气缸容积的利用情况按气缸容积的利用情况l按气缸冷却方式的不同按气缸冷却方式的不同l按气缸制造方法的不同按气缸制造方法的不同单作用单作用双作用双作用级差式级差式风冷式风冷式水冷式水冷式铸造气缸铸造气缸锻造锻造气缸气缸3. 3. 气阀在气缸中的布置气阀在气缸中的布置气阀在气缸上配置三种方式：l气缸配置在气缸盖上；l气阀配置在气缸体

20、上；l气阀轴线与气缸轴线呈非正交混合配置方式。布置气阀的主要要求：l尽量使气阀通道面积大些，以减少气流阻力损失；l配置气阀力求气缸余隙要小；l气阀安装维修方便；l对于高压气缸，尽可能不要在气缸上开孔，以免消弱气缸或引起应力集中。4. 4. 气缸的工作表面、缸套气缸的工作表面、缸套工作表面（镜面）：与活塞外圆相配合的气缸（或缸套）的内壁表面。薄壁缸套：气缸的工作表面经过使用若干时间候，由于磨损的结果，常因间隙过大或表面粗糙等原因不能继续使用。因此，可将工作表面再次加工或压入一个圆桶型的薄壁缸套。缸套分类干式缸套：不直接与冷却水接触的缸套。湿式缸套：直接与冷却水接触的缸套。活塞组件包括活塞、活塞环

21、、活塞杆等。它们在气缸中作往复运动，与气缸一起构成压缩容积。1.1.活塞活塞2.2.活塞杆活塞杆3.3.活塞环活塞环活活 塞塞活活 塞塞 杆杆1.活塞杆的作用： 连接活塞和十字头，传递作用于活塞上的力并带动活塞运动。2.对活塞杆的主要要求：l 活塞杆要有足够的强度，刚度和稳定性。l 耐磨性好并有较高的加工精度和表面粗糙度要求。l 在结构上尽量减少应力集中的影响。l 保证连接可靠，防止松动。活塞杆的结构设计要便于活塞的拆装。活活 塞塞 环环活活 塞塞 环环气缸的作用时控制气缸中的气体吸入和排出。1.1.气阀的结构气阀的结构2.2.对气阀的要求对气阀的要求3.3.气阀的种类气阀的种类4.4.环状阀

22、的构造及工作过程环状阀的构造及工作过程5.5.气阀的材料气阀的材料6.6.气阀的制造工艺要求气阀的制造工艺要求对气阀的要求对气阀的要求 气阀的作用是控制气缸中的气体吸入和排气阀的作用是控制气缸中的气体吸入和排出。压缩机上的气阀都是自动气阀，即气阀的出。压缩机上的气阀都是自动气阀，即气阀的启闭不是用专门的控制机构而是靠气阀两侧的启闭不是用专门的控制机构而是靠气阀两侧的压力差来自动实现及时启闭的。压力差来自动实现及时启闭的。对气阀的主要要求是：对气阀的主要要求是：气阀开闭及时，关闭时严密不漏气；气阀开闭及时，关闭时严密不漏气；气流通过气阀时，阻力损失小；气流通过气阀时，阻力损失小；气阀使用寿命长；

23、气阀使用寿命长；气阀形成的余隙容积小；气阀形成的余隙容积小；结构简单，互换性好。结构简单，互换性好。气阀的种类气阀的种类环状阀的构造及工作过程环状阀的构造及工作过程环状阀的构造环状阀的构造化妆阀工作过程化妆阀工作过程气阀运动曲线及分析气阀运动曲线及分析环状阀的构造环状阀的构造1-1-阀座阀座 2-2-阀片阀片3-3-弹簧弹簧 4-4-升程限制器升程限制器气阀的材料气阀的材料阀座和升程限制器均受冲击载荷，阀座还承受阀两侧的气体压力差。要求材料耐冲击并有足够强度。阀座和升程限制器的材料可根据气体性质的不同和承受压力差的不同而选择相应的材料。阀片材料应具有强度高、耐性好、耐磨、耐腐蚀性能。气阀弹簧一

24、般采用碳素弹簧钢，合金弹簧钢及不锈钢等材料。气阀的制造工艺要求气阀的制造工艺要求 用灰铸铁或合金铸铁制造的低压阀阀座，密封表面应有特别细密的金相组织。用优质碳素钢或合金钢30CrMnSi制造的中压与高压阀座，密封表面要进行调质或表面硬化处理，硬度达HRC30-35。阀座密封面应进行研磨，表面粗糙度及Ra值不得高于0.4m。简简 介介平面填料平面填料填料密封整体结构填料密封整体结构密封室的结构密封室的结构填料密封材料填料密封材料密封组件简介密封组件简介为了密封活塞杆穿出气缸处的间隙，通常用一组密封填料来实现密封。填料是压缩机中易损件之一。压缩机中极少采用软质填料，常用的填料有金属或金属与硬质填充

25、塑料。对填料的要求是：密封性好，耐磨性好，使用寿命长结构简单，成本低，标准化，通用程度高。活塞杆与气缸间隙采用填料密封，其密封原理是靠气体压力使填料紧抱活塞杆，阻止气体泄漏。根据密封前后气体的压力差，常用的填料有适用于低压的平面而填料和适用于高压的锥形填料。填料密封整体结构填料密封整体结构1-1-密封盒密封盒2-2-闭锁环闭锁环3-3-密封圈密封圈4-4-镯形弹簧镯形弹簧填料密封整体结构填料密封整体结构1-1-密封盒密封盒2-2-闭锁环闭锁环3-3-密封圈密封圈4-4-镯形弹簧镯形弹簧填料密封整体结构填料密封整体结构1-1-密封盒密封盒2-2-闭锁环闭锁环3-3-密封圈密封圈4-4-镯形弹簧镯

26、形弹簧1-1-密封盒密封盒2-2-闭锁环闭锁环3-3-密封圈密封圈4-4-镯形弹簧镯形弹簧填料密封整体结构填料密封整体结构密封室的结构密封室的结构填料密封材料填料密封材料平面填料一般采用铸铁HT200，特殊情况用锡青AZQSn8-12，轴承合金ZChSnSb11-6以及高铅青铜等。在无油润滑压缩机中，密封圈可选用填充聚四氟乙烯，由于这种材料导热性差，并有冷流性，密封圈的端面及内圆面应有较高的表面粗糙度要求，端面应研磨，Ra值为0.2m。密封圈的两端面应平行平面度在100mm长度不得大于0.02mm，内孔圆度不大于直径公之半。 作用及组成作用及组成 曲柄曲柄 连杆连杆 十字头十字头（1 1） 作

27、用及组成作用及组成压缩机的曲柄连杆机构不仅要将驱动的回转运动转换为活塞的往复直线运动，而且是传递动力的机构。曲柄连杆机构包括曲轴、连杆、是字头等组件。要求它们应具有足够的强度、刚度、耐磨性号、结构简单、轻便、便于制造，拆装和维修。（2 2） 曲曲 柄柄压缩机中所用的曲柄有两种：曲柄轴和曲拐轴。曲轴主要包括主轴颈、曲柄和曲拐等部分。曲柄轴的结构特点是仅在曲拐销的一端有曲柄，曲拐销的另一端为开式，连杆的大头可从此端套入。因此，曲柄轴采用悬臂式支承。曲拐简称曲轴。其特点是：曲拐销的两端均有曲柄。曲轴一般用40或45优质碳素钢锻造或用稀土球墨铸铁锻造而成。常用的表面处理方法是：表面淬火和氮化。3. 3

28、. 连连 杆杆连杆是连接曲轴与十字头（或活塞）的部件。连杆包括连杆、大头和小头三部分。连杆按其大头的结构型式，可分为开式连杆和闭式连杆。开式连杆的大头为剖分式，通过连杆螺栓将连杆体与大头盖连接把紧，使大头孔与曲拐销配合。闭式两那的大头为整体结构，连杆大头瓦与曲拐销的配合是靠调整斜块来实现的。连杆材料一般采用35号。40号及45号优质碳素钢或球墨铸铁。高转速压缩机可采用40Cr，30CrMo等优质合金钢。4.4.十字头十字头十字头是连接连杆和活塞杆的部件，是将回转运动转化为往复直线运动的关节。对十字头的基本要求是：有足够的强度、刚度、耐磨损重量轻、工作可靠。十字头由十字头体、滑板、十字头销等组成

29、。按十字头体与滑板的连接方式，可分为整体式和可拆式两种。十字头与连杆小头的连接方式可分为开式和闭式两种。十字头与活塞杆的连接主要有螺纹连接、连接器连接以及法兰连接等。润滑系统润滑系统冷却系统冷却系统调节控制系统调节控制系统气路系统气路系统辅助系统是保证压缩机正常可靠运转所必不可少的部分，并且与压缩机的综合技术经济指标有密切关系。活塞式式压缩机的辅助系统包括：2.8 压缩机的选型压缩机的选型按徘气压力分按徘气压力分按容积流量分按容积流量分按达到徘气压力所需要的级数分按达到徘气压力所需要的级数分按气缸中心线相对地平线位置或其彼此间关系分按气缸中心线相对地平线位置或其彼此间关系分其他分类方式其他分类

30、方式立式压缩机一气缸中心线与地平面垂直；立式压缩机一气缸中心线与地平面垂直；卧式压缩机一气缸中心线与地平面平行，共中按气卧式压缩机一气缸中心线与地平面平行，共中按气缸相对于机身的位置又分为：一般卧式压缩机，对缸相对于机身的位置又分为：一般卧式压缩机，对动式和对置式压缩机；动式和对置式压缩机；角度式压缩机一气缸中心线与地平面成一角度，并角度式压缩机一气缸中心线与地平面成一角度，并按气缸排列所呈的形状又有：按气缸排列所呈的形状又有：L L型、型、w w型、型、V V型、扇型、扇型、星型等。型、星型等。立式压缩机：优点是主机直立，占地面积小；活塞重量不支承在气缸上缺点是大型时高度大，需设置操作平台，操作不方便；管道布置困难；多级时级问设备占地面积大卧式压缩机：大都制成气缸置