过程流体机械 第三章 活塞式压缩机课件

1、第三章 往复活塞式压缩机3.1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3.4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3.6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压缩机容积式压缩机往复式压缩机回转式压缩机活塞式压缩机滑片式压缩机螺杆式压缩机涡旋式压缩机透平式压缩机离心式压缩机轴流式压缩机单螺杆双螺杆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性的变化来压缩气体，以达到提高气体压力的流体机械。改变工作腔容积的方式有两种：靠活塞的往复运动往复式压缩机靠“活塞”或叫“转子”的旋转运动回转式压缩机3.2活塞式压缩机的热

2、力学基础3.2.1基本热力状态参数（1）温度：绝对温度（k）（2）压力：绝对压力（Pa）（3）比体积：每单位质量气体所占的容积，以 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本身所占有的体积的气体。R气体常数V 质量为G的气体的体积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.工作腔部分：气缸、活塞、气阀。b.传动部分：连杆、曲轴、十字头。c.机身部分：用于支撑（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。活塞级：被压缩气体进入工作腔内完成一次气体压缩称为一级。一个工

3、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为理论循环。气缸内无余隙容积，腔内的气体在压缩终了时被全被排出；气体通过气阀时，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；3.2.3.2压缩机级的理论循环进气过程：4-1，是等压过程，因而过程线为一水平线（由外止点到内指点）压缩过程：1-2，从内止点开始，到达到排气压力时停止，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

4、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。那么指示图中4-1-2-3-4成为压缩机的理论循环。 3.2.3.4级的实际循环（1）气体不能完全排出工作腔，原因是任何的工作腔都有余隙容积，从图中体现的，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，所以指示图上有一个膨胀过程,cd气阀的影响使进排气过程有压力损失，而且压力有波动。过程指数m不是一个定值（气体与各接触壁面间始终有温差）气体有泄漏 （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压缩机的循环带有影响压缩机级的实际循环指示功由于气缸存在余隙容积，使气缸的

5、部分容积被膨胀气体占据，这样引入 表示气缸容积的利用率。注：由膨胀过程方程 即所以，气缸的实际吸气量引入：相对余隙容积 ： 名义压力比 ： 这样 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压力系数 ：由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 ： 与气体冷却及压力比有关 令吸气系数排气量的计算一般：排气量=吸气量-泄漏量泄漏系数影响排气量的因素：（1）进气压力：随着吸气压力提高而提高，降低而降低（2）进气温度：降低吸气温度可提高吸气量（3）转速的影响：提高转速可增加排气量（4）余隙容积的影响：减小余隙容积可增加排气量（5）泄漏的影响：减少泄漏

6、可增加排气量排气系数3.2.5压缩机的功率和效率3.5.2.1指示功率3.5.2.2效率（衡量压缩机的经济性）（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3.2.6多级压缩定义：将气体在压缩机的几个气缸中连续依次地进行压缩，并在进入下一级气缸之前，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（1）节省功率的消耗经一级压缩达到排气压力所需功耗为经二级压缩达到排气压力所需功耗为这样省功为之所以省功，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。 冷却后容积减少活塞力：活塞在止点所受的最大气体力 理论上讲，级

7、数越多越省功，但级数过多会造成压缩机结构复杂，同时机械摩擦损失。流动损失会增加，设备的整体尺寸、重量会增加，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：以最省功为原则（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轻重量。（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）化工用压缩机：与工艺流程密切相关，一般每级的压力比不宜超过4。3.2.6.2级数的选择 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着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

8、（3）中间抽气可由行程容积确定气缸的直径。第一级气缸的行程容积任意i级的工作容积:按照前一级排出的气体要被下一级吸进的原则。对于单作用气缸：对于双作用气缸：3.3活塞式压缩机动力学压缩机运转时，会产生各种作用力，由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，产生的作用力主要有三类：（1）惯性力（2）气体力（3）摩擦力3.3.1曲柄连杆机构的运动 惯性力：（1）产生原因：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 由旋转质量的转速运动引起的惯性力。（3）惯性力计算 b 惯性力大小

9、3.3.2各力和力矩作用分析3.3.3惯性力平衡IrIIIIIII”III”Ir”3.3.4飞轮矩的确定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中心线相对于地平线位置或其彼此关系分：立式：汽缸中心线与地平线垂直。角度式：汽缸中心线与地平线成一角度，又有L型、V型、W型、扇型、星型等多种。卧式：汽缸中心线与地平线平行，又有一般式、对动式和对置式三类。立式压缩机： 优点：占地面积小。活塞重量不支撑在汽缸上，没有因此而产生的磨损和摩擦。汽缸在中心线方向的变形不受附加约束，可以省去汽缸的辅助支撑装置，有利于改善汽缸的受力条件。往复惯性力垂直作用于基础，基础受力条件好，这样基础

10、小，机身主要受拉压载荷，受力情况好，机身重量轻。汽缸拆卸方便。汽缸直立，便于润滑油均匀分布，有利于润滑。缺点：大型时由于高度大需设置操作平台，操作不便，而且布管比较困难，所以现仅用于中小型及微型。多级时级间设备占地面积大，所以以级数少为宜。曲轴箱及转动机构位于机器下部，拆装修困难。适用范围：中、小、微型、级数少的压缩机。卧式压缩机对于卧式压缩机其优点与缺点与立式恰好相反，故一般、大型、中型、多级数时宜采用卧式结构。在卧式结构中以对动式的平衡性为最好，在大型压缩机中被广泛采用，而对置式结构以其切向力较均匀的广泛用于超高压的场合。角度式压缩机优点：结构紧凑、曲轴结构简单、长度较短，可以采用滚动轴承

11、。缺点：大型时不适用，因其高度太大。适用范围：中、小、微型，以L型、V型应用最多。3.4.2选型列数及级在列中的配置3.4.2.1列数为了获得较好的动平衡性能，无论是立式、卧式、角度式压缩机，均选择两列或两列以上的列数，但列数过多会使机器结构复杂。所以列数的选型需视机型系列化的情况、气量大小、压力高低而定。（通常按活塞力的大小选择）3.4.2.2级在列中的配置基本原则：（1）各列活塞力均衡； （2）力求减少气体泄漏量，应使相邻容积压力差较小；在曲轴侧配置压力较低级，以利于密封； （3）制造和安装方便；一般一列配置12级，个别达3级或更多。每列配置一个级的，一般无十字头的压缩机只能作成单作用式，

12、而十字头的压缩机中大都作成双作用式的，另外高压级一般也作成单作用式。活塞平均速度 3.4.2.3主要参数选择这个表达式说明，在容积流量和级数 确定的情况下，活塞的平均速度愈大，则压缩机的气缸直径愈小。因此，在保证压缩机运转可靠性、耐久性和合理的动力经济指标前提下，提高活塞的平均速度值对缩小压缩机的尺寸具有重要意义，这是设计人员努力追求的目的。但是，提高活塞的平均速度的值，压缩机的机械摩擦和零件的磨损均增加，机械效率和机器的寿命下降。活塞的平均速度也决定着工质在压缩机流通截面处的流动速度。活塞的平均速度大时，吸排气阀处的流动阻力损失增大，这样，降低了压力系数p ，增加了功率消耗。转速的选择在同样

13、生产能力的情况下，转速n越高，则机器外形尺寸越小，重量越轻，同功率电机的尺寸也小，价格便宜，并有可能与压缩机直联，占地面积小，总的经济性好。但转速高也有不利影响，因n越高，则惯性力越大，这样易损件寿命越短，阻力损失越大，机器的使用寿命会降低。因而在选择n时，不要是往复惯性力大于或等于气体力，否则运动机构的设计要以空车运行的最大往复惯性力为依据，使运动机构的强度在压缩机工作时不能得到充分利用，机器笨重，经济性差。一般压缩机转速为：微型：n=1000-3000r/min 小型：n=600-1000r/min中型：n=500-1000 r/min 大型：n=250-500r/min行程：压缩机的转速

14、，活塞平均速度确定后，行程即求出。在允许的活塞平均速度范围内，行程和缸径应保持适当的比例。 3.4.3往复压缩机型号编制及种类额定排气压力 105Pa额定排气量 m3/min特征代号微型压缩机所配电机功率结构代号列数或重数例：V2.2D-0.25/7表示2列V型压缩机，排气压力为（表压）0.7MPa，额定排气量为0.25 m3/min，（属于微型压缩机）其原配套电动机的额定功率为2.2KW，采用低噪声罩式。2VY-6/7表示2重，即双重型，移动式压缩机，额定排气量为6 m3/min，额定排气表压为0.7MPa。活塞压缩机的主要类型按排气压力分：低压(0.21MPa） 中压(1MPa-10MPa

15、) 高压(10MPa-100MPa) 超高压(100MPa)按容积流量(排气量)分微型(1m3/min） 小型(1m3/min-10 m3/min) 中型(10m3/min-100m3/min)大型(100m3/min)按达到排气压力所需要的级数分：单级、两级和多级按汽缸中心线相对于地平线位置或其彼此关系分：立式 角度式 卧式按气缸容积的利用方式分类单作用式、双作用式和级差式3.6活塞压缩机的运行 3.6.1气量调节 3.气量的调节方法 (5)改变操作台数调节3.6.2 压缩机的润滑3.6.2.1气缸和填料函的润滑（1）润滑油的选择：（2）润滑方式:压力润滑3.6.2.2传动机构的循环润滑系统

16、 压力循环润滑3.6.3压缩机的维护3.6.3.1.常见故障3.6.3.2.维护3.7活塞式压缩机的特点活塞式压缩机的特点机械适应性强并容易达到较高的压力。工作稳定性好，即压力与流量的关系不大。 由于运动机构的尺寸确定后，工作腔的容积变化规律也就确定了，因此工作转数的改变（流量变化）并不直接影响工作腔容积变化规律。机械的热效率比较高。由于惯性力的限制，转速不高，因此排气量小。气体吸入和排出是间歇的，容易引起气柱和管道的振动。机械结构复杂，易损件多。3.8活塞式压缩机主要零部件简介3.8.1 气缸3.8.2活塞组件筒形盘形级差式各种活塞3.8.3填料函用来密封活塞杆和气缸间的间隙，要求密封性能好

17、、耐磨。常用的有平面填料锥面填料塑料填料3.8.4气阀3.8.5曲轴3.9选型分析例：某工厂需要一台动力用空气压缩机，要求其排气量10 m3/min，绝对排气压力0.9 MPa，请选择合适的压缩机。(1)首先明确压缩介质的性质本例为空气，空气动力用压缩机已有产品标准，可查看已有的标准产品目录进行选择。(2)根据已给出的额定排气压力，排气量初步选择机型。(3)确定冷却及润滑方式(4)选择驱动方式(5)比较功率，综合价格因素确定最终机型本例中总压力比为9，故选择两级压缩，考虑到结构紧凑可以采用V型或L型，一般没有特殊要求的情况下，选择水冷有油润滑方式，并用电动机驱动。则该压缩机型号为VY-10/8或VD-10/8等。级次公称压力MPa压力损失实际压力MPa实际压力比0.10.270.050.080.0950.21963.070.270.80.0350.060.26060.8483.25内止点时：综合来看，活塞力比较均匀，所以选取的d和S是合理的，以上有关计算有效。作业1今有一台单级单作用的往复活塞压缩机，名义进气压力为0.1MPa，名义排气压力为0.4MPa，活塞行程为300mm，曲轴的转速为n=400r/min，相对余隙容积为0.15，容积流量为