第三章 过程流体机械活塞式压缩机

第三章往复活塞式压缩机

压缩空气的基础知识空气是气态的，包裹着整个地球，对任何东西都存在着压力。实际的空气压力与我们所处的海拔位置有关系。压缩空气的基础知识压缩:将空气汇聚在一起或强迫空气进入一个小的空间内。空气：无色无味的气体混合物。其中氮气占78%,氧气占21％。当压缩后的空气被人为控制时，它就能被用来进行做功。压缩空气的基础知识压缩空气是一种储存的能源...储存在左侧图中的气球内的压缩空气的能量等于使气球膨胀所需要的能量如果一定量的空气所在的空间体积变小的话，空气的压力就会增加。对于容积式空气压缩机，压缩空气是这样得到的：迫使空气进入一个更小体积的空间内，从而提升压力得到压缩空气。把气球一放飞，气球就开始慢慢释放能量了，一点一点，直到所有的气都放掉。这个能量等于使它膨胀的能量。压缩空气的基础知识为什么工厂需要压缩空气?动力能源用气:压缩空气是个非常好的媒体，能够储存和传输能量，从而驱动很多的生产工具做功！生产过程用气：压缩空气被作为一种生产过程的重要组成部分(比如.化工，医药，发酵等.)压缩空气的基础知识动力能源用气压缩空气的能量被用来驱动气动的生产设备！(比如.—空气马达,气动阀门，气枪，气锤.等）在铸造生产中用来冷却产品或零部件。吹扫废渣，废料，清洗零件。压缩空气的基础知识生产过程用气压缩空气是完整的生产过程中的一部分，是会接触到产品的！.化工医药食品和饮料通风和搅拌半导体&电子医疗用气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螺杆压缩机双螺杆单螺杆滑片式压缩机涡旋式压缩机3.1.1.2透平式压缩机定义靠机内做高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高，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：气流离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离心压缩机轴流压缩机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。活塞活塞环、曲柄、连杆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一级。一个工作循环：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为理论循环。⑴气缸内无余隙容积，腔内的气体在压缩终了时被全被排出；⑵气体通过气阀时，无压力损失；⑶在吸气和排气过程中，气缸内气体的温度不变；⑷气体压缩过程指数为定值；⑸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（由外止点到内止点）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。那么指示图中4-1-2-3-4成为压缩机的理论循环。几个概念：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。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所包围的面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2-1可称为指示功图。

3.2.4级的实际循环（1）余隙容积的影响：从图中体现的指示图上有一个膨胀过程,c—d⑵气阀的影响：使进排气过程有压力损失，而且压力有波动。⑶热交换的影响：过程指数m不是一个定值⑷气体泄漏的影响：压缩过程线更平⑸实际气体的影响：实际气体与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那么实际过程循环指示功就可以看作是两个理论循环指示功的差：气缸理论的循环吸气量行程容积膨胀容积容积系数余隙容积其中：由膨胀过程方程即：得到：所以：令：称作相对余隙容积这样：定义：名义压力比

推导分析容积系数的影响因素相对余隙容积的影响

越小越有利压力比的影响

越小越有利:一般单级压比小于4膨胀指数的影响

越大越有利

3.2.5气缸实际的吸气量温度系数压力系数容积系数理论循环的吸气量=行程容积实际循环的吸气量≠行程容积气缸实际的吸气量m3/min,m3/h3.2.6压缩机的排气量（表征压缩机的大小）排气量：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的气体容积值.(m3/min,m3/h)排气量的计算一般：排气量=吸气量-泄漏量泄漏系数排气系数压缩机中的泄漏内泄漏：由高压级向低压级：或者高压区向低压区外泄漏：气体直接漏入大气或者第一级进气管道额定排气量：是指在进口状态为0.1MPa，气体温度为，的排气量当被压缩气体中含有水蒸气时，或者压缩循环过程中有除去和加入的气体时，应进行折算（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：减少泄漏可增加排气量影响排气量的因素：3.2.7压缩机的功率和效率3.2.7.1指示功率:单位时间内活塞对气体所做的功。3.2.7.2效率（衡量压缩机的经济性）（1）指示效率:l理论循环指示功率与实际循环指示功率之比等温指示效率绝热指示效率（2）机械效率：指示功率与轴功率之比（3）传动效率：轴功率与电机的输出功率之比小结——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3.2.8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等压冷却。3.2.8.1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：活塞在止点时所受的最大气体力⑵可以降低排气温度由上式可以看出，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们要控制排气温度呢？对于有油润滑的压缩机：排气温度过高，会导致润滑油性能恶化，粘度降低，或形成积炭现象，甚至爆炸。对某些特殊气体，因排气温度过高，还会产生腐蚀或爆炸。对于无油润滑的压缩机：用于密封的自润滑材料的最适宜工作温度也有限制。⑶提高容积系数：提高气缸容积的利用率。⑷降低活塞力0.90.10.90.10.30.3由于两图中的吸气量相同、活塞的行程相同，所以第一级与第二级吸气温度相同，所以吸气终了时：结论

理论上讲，级数越多越省功，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。3.2.8.2级数的选择和压力比分配

压力比分配

最佳压力比：按最省功原则，常取各级压力比相等各组压力比的分配，要考虑级间的压力损失3.2.8.3各级行程容积及缸径的确定

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（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

设任意时间点A的位移为x则旋转运动中心往复直线运动中心C3.3.2曲柄连杆机构运动惯性力的分析3.3.2.1质量的换算质量的简化：习惯上把压缩机运动零件的质量按它们的运动情况简化成质点。

做往复运动的零件：活塞、活塞杆、十字头

做单纯旋转运动的零件：曲轴、飞轮等

做复杂运动的零件：连杆集中在十字头销中心集中在曲柄销中心集中在曲柄销中心集中在十字头销中心连杆大头连杆小头简化结果往复运动的质量旋转运动的质量

惯性力：产生原因：各种运动零件作不等速运动或作旋转运动。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。3.3.2.2惯性力的计算

（1）往复惯性力（2）旋转惯性力分析

惯性力的大小与转速的平方成正比。3.3.3气体力定义：气缸内气体压力形成的作用力特点：同时作用于气缸盖和活塞端面，大小相等，方向相反。3.3.4摩擦力接触面相对一定产生的摩擦力，分为旋转摩擦力和往复摩擦力。由于其大小变化规律复杂，且比惯性力和气体力小得多，所以可视为常数；方向与运动方向相反。总活塞力=气体力+往复惯性力+往复摩擦力3.3.5主要零部件受力分析①活塞：

综合活塞力②十字头：-β③连杆：

二力杆

ωω④曲柄轴：

3.3.6机身和基础受力及力矩情况分析(1)气体力：作用在气缸盖上；它与运动构件受到的往复摩擦力构成作用力与反作用力，不传递给基础。机身所受到的力有：与轴承支反力的法向分量大小相等，方向相反。但两者不作用在同一条自线上，形成倾覆力矩。它与活塞端面受到的气体力构成作用力与反作用力，不传递给基础。(2)摩擦力：在气缸镜面、十字头滑道、填料函处受到运动构件的往复摩擦力。(3)侧向力：由十字头垂直压向滑道；(4)主轴承座受到的主轴传来的力一个和连杆力相等，另一个与旋转惯性力相同。总的作用效果：将轴承座处的力分解沿气缸中心线方向垂直气缸中心线方向对于机身来说：沿气缸中心线方向:只有往复惯性力作用于基础。垂直气缸中心线方向：形成倾覆力矩,与阻力矩相等，但方向相反。还作用着方向时刻变化的旋转惯性力对于基础：（1）机器重量（2）惯性力（3）倾覆力矩和摩擦力矩（4）原动机产生的驱动力矩的反力矩引起机器的震动和摇摆3.3.7惯性力平衡

惯性力平衡的方法通常有两类：一类是在曲柄销相反方向设置平衡；另一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一个适当的平衡重，使两者造成的离心力相互抵消即可。

所装平衡重的质量为00rrmmr=，0r为平衡重质心到主轴旋转中心的距离。

2.往复惯性力的平衡：

对于单列往复活塞压缩机的往复惯性力不能用加平衡重的方法来平衡掉，所以便有了多列压缩机的发展。

以两列立式压缩机为例，说明惯性力的相互抵消。

Ir’II’III’II”III”Ir”2023/2/1第2章66

第1列第2列合力曲轴转角

一阶往复惯性力二阶往复惯性力旋转惯性力一阶往复惯性力力矩二阶往复惯性力力矩旋转惯性力力矩2023/2/1第2章67II’III’Ir’II”III”Ir”2023/2/1第2章68

第1列第2列合力曲轴转角

一阶往复惯性力二阶往复惯性力旋转惯性力一阶往复惯性力力矩二阶往复惯性力力矩旋转惯性力力矩V型：第1列为基准列，则第2列曲柄转角为：III’II’II”

第1列第2列合力曲轴转角

一阶往复惯性力二阶往复惯性力旋转惯性力结论：在曲柄对面加平衡重,可以平衡。无法平衡。也可以加平衡重平衡。3.3.8飞轮矩的确定联轴器和电动机的工作条件旋转不均匀度皮带传动弹性联轴器传动刚性联轴器,异步电动机刚性联轴器,同步电动机无锡南洋汽车工程系曲轴飞轮组的组成起动爪正时齿轮主轴瓦皮带轮扭转减振器飞轮曲轴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：如图⑴立式：汽缸中心线与地平线垂直。⑵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。⑶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。每一类又可以分成有十字头和无十字头两类如图a.往返均吸气、均压缩；泄漏少；Fp不均衡。b.往返有吸气、有压气；泄漏多；Fp不均衡；低压级润滑困难。c.Ⅰ、Ⅱ级同前一种，Ⅲ级单作用，往返Fp不均衡。3.4.1.1立式压缩机：

优点：①占地面积小。②活塞重量不支撑在汽缸上，没有因此而产生的磨损和摩擦。③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。④往复惯性力垂直作用于基础，基础受力条件好，这样基础小，机身主要受拉压载荷，受力情况好，机身重量轻。⑤汽缸拆卸方便。⑥汽缸直立，便于润滑油均匀分布，有利于润滑。缺点：①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。②多级时级间设备占地面积大，所以以级数少为宜。③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。ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ2级，4缸，4列，框架式对置压缩机ⅠⅡ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。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1—2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，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。3.4.3.1活塞平均速度3.4.3主要参数选择活塞速度变值活塞平均速度定值对压缩机性能的影响:①对摩擦副耐久性的影响：s－活塞、活塞环、活塞杆、十字头滑板n－镜面、填料、十字头导轨、轴颈、轴承②对气阀的影响：见表压缩机类型环、网状阀压缩机3.5-4.5直通阀压缩机5-6微型压缩机1.0-2.5迷宫式压缩机≥3-5聚四氟乙烯密封压缩机≤3.5超高压压缩机≤2.5乙烯压缩机≈1摩托压缩机=73.4.3.2转速的选择在同样生产能力的情况下，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=500-1000r/min大型：n=250-500r/min行程：压缩机的转速，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。3.4.3.3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：①V2.2D-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0.25m3/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。②2VY-6/7表示2重，即双重型，移动式压缩机，额定排气量为6m3/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(0.2——1MPa）中压(1MPa---10MPa)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---10m3/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：⑴立式⑵角度式⑶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3.5活塞式压缩机主要零部件简介3.5.1气缸3.5.2活塞组件筒形盘形级差式各种活塞3.5.3填料函用来密封活塞杆和气缸间的间隙，要求密封性能好、耐磨。常用的有平面填料锥面填料塑料填料3.5.4气阀一、气阀的结构气阀的组成阀座阀片弹簧减少阀片与限制器撞击，帮助阀片关闭升程限制器限制阀片高度、支撑弹簧、导向阀片阀片的动作由压差、弹簧力决定。进气阀、排气阀均属自动阀。阀的分类（按阀片的形状分）对气阀的基本要求：（1）关闭时应严密不漏：（2）阀片寿命长：（3）阻力损失小气阀材料：阀座和升程限制器：灰铸铁HT250、HT350；30、40、45优质碳素钢；阀片：强度高、韧性好、耐磨、耐腐蚀。3.5.5曲轴曲轴是压缩机中最重要的、工作负荷很大的运动零件。曲轴形式曲柄曲拐为常用形式材料：40、45优质碳素钢3.6活塞压缩机的运行

3.6.1气量调节耗气量变化，容积流量也要变化，需要调节。1．调节的方式有：连续式容积流量＝耗气量；分级式20，40，60，80％；间断式开、关。２．调节结构的要求：容积流量＝耗气量；比功率消耗少（比功率＝消耗的功／qV）；易操作，安全可靠，结构简单，维修方便。

３．气量调节方法气量调节方法的理论根据是容积流量公式：可调节的参数有:

①转速调节-n蒸汽机、内燃机、可调速电机。优点：l气量连续、间歇；l比功率消耗少；l各级压比不变；l不需要专门设调节机构。

缺点：l转速有限制；l转速太低时，进气速度降低，进气阀会工作失常。②管路调节-λpａ．进气节流：见图

优点：

l进气压力连续变化；

l耗功多；l结构简单。ｂ．切断进气：见图

优点：

l结构简单；l空运转，消耗少。缺点：

l末级压比突然偏高，使Td↑；l进气压力降低，Δp↑，形成转矩高峰，启动困难ｃ．旁路调节

：见图

C③压开进气阀-λlａ．全程压开：见图

ｂ．部分行程压开伺服器：见图

l压叉—活塞式伺服器压开叉l顶杆—隔膜式伺服器压开叉优点：功耗小，连续调节，应用广泛。缺点：降低阀片寿命。④连通补助容积（增加余隙法）-λv：见图

l固定补助容积l可变补助容积优点：分级、连续调节，不消耗功率（膨胀式气体对活塞做功）。缺点：工况变化（压比变化）。§3.6.2压缩机的润滑润滑润滑剂——液体，常用润滑脂液体润滑剂的作用润滑摩擦表面，减少摩擦和磨损；改善汽缸密封；带走摩擦热，使摩擦表面温度低；带走磨屑，使摩擦表面清洁。①气缸润滑：②填料润滑：③运动润滑：润滑的方式：

润滑油到达工作表面的方式。见表润滑方式特点适合的场合飞溅润滑见图结构简单，耗油不稳定且供油量难以控制。适合小型单作用压缩机喷雾润滑结构简单，部分润滑油与气体共同排出，无法利用。适合特殊场合压力润滑见图注油器适合大型压缩机润滑方式特点适合的场合飞溅润滑见图结构简单，耗油不稳定且供油量难以控制。适合小型单作用压缩机喷雾润滑结构简单，部分润滑油与气体共同排出，无法利用。适合特殊场合压力润滑见图注油器适合大型压缩机2.润滑剂的选择要考虑结构参数、性能、被压缩气体的性质。举例①空压机必要的粘度；易积炭的场合用环烷基矿物油，加抗积炭添加剂；防止气路锈蚀，加抗氧、抗锈剂；气缸壁易凝结水，用乳化油较好；高压压缩机，为形成油膜、防止泄漏，用高粘度石蜡基油。②冷冻机氨工质——13号冷冻机油氟里昂工质——18、25号冷冻机油③>35MPa空压机、石油气压缩机（易溶解润滑油）合成润滑剂——硅酮油；特点：不溶于气体、油类，化学惰性、低挥发性、高闪点、低温流动性好。3.6.3压缩机的维护3.6.3.1.常见故障排气量达不到设计要求；功率消耗超过设计规定；级间压力超过或低于正常压力；排气温度或气缸温度过高；填料函漏气；油泵的油压不够或无油压；气缸内或运动部件放生异常声音；气缸和机体部分及管道内发生不正常的震动；……3.6.3.2.维护定期维护、检修。小修中修大修不定期运转3000——6000小时后要注意定期更换润滑油，定期清洗滤油器。冬季停车必须将管道中的水全部放净；停用时段应定期盘车。3.7活塞式压缩机的特点活塞式压缩机的特点①机械适应性强并容易达到较高的压力。②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。③机械的热效率比较高。④由于惯性力的限制，转