第四章 压缩机.ppt

1、1,第四章 压缩机,空气压缩机是舰船安全航行、保持战斗力和争取生存力的重要设备,船用压缩机的工质主要是空气和制冷剂，特种船舶上还配有二 氧化碳压缩机。本章介绍空气压缩机,压缩空气 用途,启动作为舰船主机的柴油机,操纵大型柴油机的换向机构和轴系离合器,吹洗精密机件、管路、海底阀、锅炉烟道,报警系统、自动控制系统和风动工具的能源,充填压力水柜,舰艇上的火炮操纵和鱼雷发射,2,第一节 活塞式压缩机的特点和分类,活塞压缩 机优点：,压力范围广，从低压到超高压都适用。工业中使 用的最高压力已达350MPa，实验室中达1000MPa,效率高。绝热效率，大型的达8085%，小型的为 6570%,适应性强。排

2、气量调节时排气压力几乎不变，可在 较大范围内选择排气量，特别是排气量较小时，速 度型压缩机很困难，甚至是不可能,主要缺点是：体积大而且重，气流有脉动性，易损零件较多，流 量较小，单机排气量一般小于500m3/min,一、特点,3,二、分类,气缸 形式,立式L,卧式W,角度式V,级数,单级,多级,工质,空气（空压机）,制冷剂,其他气体,冷却 方式,水冷,风冷（空冷）,排气 压力,活塞压缩 机分类,低压：310bar,中压：10100bar,高压：100bar以上,排气量,微型：1m3/min,小型：110m3/min,中型：10100m3/min,大型：100m3/min,4,第二节 工作原理,

3、理论工作 循环假设,无余隙容积，无气体泄漏，气阀关闭及时,余隙容积：活塞上死点时活塞与缸盖间的空间,气体在进排气过程中状态不变，且没有摩擦损失,气体压缩时的指数不变,5,绝热12:气体与缸壁不存在热交换 多变12:缸壁有一定程度的冷却 等温12:缸内气体温度始终不变,等温压缩做功最小，多变压缩其次，绝热压缩最大,V,P,1,2,2,2,3,4,0,压缩,吸气41，活塞到达右止点,排气23，活塞到达左止点,每循环所消耗的功可用PV图上的面积4123表示,ps,pd,理论工作循环,6,二、实际工作循环,7,1余隙容积Vc的影响,排气结束，Vc中气体膨胀，当缸内压力低于吸入管中 压力ps一定值时(阻

4、力,吸气阀弹簧力)，气体吸入缸内。由34 表示。每转减小的排气体积按进口状态计算， 用V表示，Vp 气缸工作容积,Vc使排气量减少的程度用 容积系数v表示,相对余隙容积Vc/Vp。低压级:0.070.12， 中压级:0.090.14，高压级:0.110.16 Vc/Vp越大或压力比pd/ps越高，v越小。一般v=0.650.90,8,船用空压机气缸余隙的一般范围,保留余隙 容积原因,防止活塞与缸盖相碰,防止水击事故,减少阀片所受的冲击力,9,2 进排气阻力的影响,吸气时，气流要克服气阀的弹簧力以及流动阻力，实际 进气压力低于名义进气压力，进气阀在点4而不是在点4打开； 吸气终了压力p1要达到名

5、义吸气压力ps需要经过一段预压缩这 相当于有效行程容积缩小到V,阻力损失对吸气能力的影响用 压力系数p表示,影响p的主要因素是进气阀的弹簧力和进气管中的压力波动 过强的弹簧使气阀提前关闭，降低缸内气体压力p1 ，使p下降,10,进气管压力波动的影响取决于吸气终了时进入气缸的气流压力 波的相位和波幅,当吸气终了气流处于波峰时能起到增压作用，使吸气终了压力 p1 ps，使p 1 当吸气终了气流处于波谷时能起到减压作用，使吸气终了压力 p1 ps，使p 1,对空气压缩机p=0.950.98，较小的值适用于通道截面较小 或具有过强弹簧的气阀,同样排气过程中缸内压力高于排气管中的压力,进排气阻力损失增加

6、的循环功可以在P-V图上表示,11,3 热交换的影响,各阶段换 热情况,压缩开始：T壁T气 ,热量从缸壁传给气体,吸热压缩,压缩后期：T壁T气 ,热量从气体传给缸壁,放热压缩,排气过程：T壁T气 ,热量从气体传给缸壁,放热降温,余隙容积,初期：T壁T气 ,热量从气体传给缸壁,放 热膨胀,后期：T壁T气 ,热量从缸壁传给气体,吸 热膨胀,12,吸气过程中气体从缸壁吸热，温度高于进气管中的温度，比容较大，折算到名义吸气压力和吸气温度时，VsV使吸气能力下降。这种损失称为预热损失,用T表示,T取决于,缸壁和活塞传给气体的热量,余隙容积中气体膨胀终了时的温度,吸气过程中阻力损失(转化为热量),缸壁温度

7、的高低主要取决于压力比。,13,对于小型、气缸冷却不良、转速低、气阀通道阻力大、相对 余隙容积较大、气体导热系数高的压缩机，应取较小的T 反之取较大的T,温度系数T与压力比的关系,14,4 漏泄和压缩指数变化的影响,由于气阀、活塞环等密封不严而造成泄漏，使排气量损失,漏泄使压缩机排气量减少的程度可用气密系数l来衡量 一般l0.900.98,压缩过程和余隙容积气体的膨胀过程中，由于气体温度不断 变化，与缸壁热量交换的多少及热量的流向也在不断变化， 其过程指数不断改变。为了方便计算都以恒定的多变过程指 数来代替,输气系数：各种因素对输气量的影响,15,第三节 多级压缩和中间冷却,单级压缩 的极限,

8、Vc： 越高，v越小。排出压力pd越高，膨胀过程越长，有效S越小，当pd达到一定值后，有效行程为0,压缩终了温度： 越大，排气终了的温度越高。当其 达到一定值后，影响润滑系统的工作。（固定式低于 160C ，移动式低于180C）,降低冷却效果：压缩比越大，压缩过程越偏离等温 过程,例如：对于空气，T1= 27C， = 8，T2= 212C （70号机油的闪点温度为200C，会有爆炸的危险）,一、单级压缩的极限,16,二、多级压缩和中间冷却,活塞空压机压力比较大时都采用多级压缩，并设有级间冷却器 压缩级数越多，经中间冷却后的压缩过程越接近等温过程,多级压缩 比的确定,总消耗的功最小,各级压缩终了

9、的温度相同,各级压缩比相同时总消耗的功最小，即,17,如果以最省功作为选择的依据，每级的最佳一般为24 （使该级等温指示效率最高）,实际压缩过程后一级比前一级略小。（后一级吸气温度高 于前一级；后一级冷却不如前一级；后一级比前一级更偏离等 温过程）,商船的空压机额定排出压力多在3MPa左右，为使空压机的体 积、重量较小，装置不太复杂，一般不以省功原则为依据， 而是在排气温度允许范围内(冷却较好时压力比允许达67)， 尽量采用较少的级数，故一般为二级,18,二级压缩和中间冷却流程 吸气 压缩 冷却 吸气 压缩 冷却 排气,二级空压机流程示意图,二级压缩和中间冷却,19,单级和二级压缩在P-V图上

10、的理论工作循环,20,吸入压力ps， 排出压力pd,单级压缩机，理论工作循环如padfp所示,低压缸将空气由吸入压力ps压缩至级间 压力pm，其理论工作循环如oabno所示； 低压缸排气,定压冷却后温度降低，体积 由Vb减为Vc，然后压缩至排出压力pd，高 压级理论循环如cefmc所示,二级压 缩机,21,三、多级压缩和中间冷却特点,（1）降低排气温度： 单级压缩时压力比较大，压缩终点d的温度太高 温度太高会降低滑油粘度，使润滑和密封性能下降； 使滑油分解，在缸内及气阀上形成结碳，加剧磨损； 当温度超过滑油闪点时，会有爆炸危险 规定固定式压缩机排气温度不超过160，移动式压缩机不超 过180

11、二级压缩由于经过中间冷却，其压缩终点的温度比单级压缩终 点d的温度要低得多,22,(2)提高输气系数：单级压缩时，输气系数随压力比增加而 迅速下降 余隙容积等实际因素的影响使气缸有效吸气容积减少。二级压 缩时气缸有效吸气容积由pa增长至oa,23,（3）节省压缩功：二级压缩每工作循环理论上所节省压缩功为 面积cbdec与opmno之差,（4）减轻活塞上的作用力：单级压缩机要一次达到要求的排气 压力，活塞受力较大。而多级压缩只有高压级承受高压,（5）机构复杂，零部件增多，体积和重量增加，气流阻力增加， 机械效率降低,24,第三节 压缩机的热力性能,活塞式压缩机的热力性能包括排气压力、排气量与输气

12、系数、 排气温度、功率和效率等,压缩机的排气压力是指最终排出压缩机的气体压力， 多级压缩机末级以前的各级的排出压力称为该级的排气压力 或级间压力,排气压力 说明,排气压力并非恒定,铭牌上标出的排气压力是指额定排气压力,可在额定排气压力以下的任意压力下工作,强度和排气温度等允许，也可在超过额定 排气压力下工作,1.排气压力,25,压缩机排气压力的高低取决于 “背压” ，即排气系统内的 气体压力,排气系统进 出是否平衡,进出,系统稳定 于某压力,进出,进出,气体质量、压 力不断升高,压缩机稳定 于此压力,压缩机压力 不断升高,气体质量、压 力逐渐降低,压缩机压力也降 低，直到进出， 稳定在新压力,

13、26,多级压缩机的级间压力也服从上述规律,活塞式压缩机中，压力变化往往是气量供求变化的反映， 压力变化是现象，气量变化是本质,2.排气量和输气系数,理论排气量就是活塞行程容积：单位时间内活塞所扫过的容积,单作用气缸的压缩机：,D气缸直径，m；S活塞行程，m； n转速，rmin；z第一级气缸数目,27,由于余隙容积、吸气阻力、吸气预热和漏泄的影响，实际排 气量Q小于活塞行程容积Vt，Q/Vt称为输气系数，用表示,压缩机本身没有变化，增加，明显降低,余隙容积引起的损失增加,漏泄增加,气缸温度升高，预热损失增加,在0.65-0.80范围内,28,3.排气温度,排气温度是指最终排出压缩机的气体温度。排

14、气温度不同于 压缩终了温度，节流和热交换使压缩终了的温度降低,排气温度过高使滑油粘度过低，滑油中的轻质馏分挥发，导致 气体中含油增加，润滑性能恶化，甚至形成积炭，因此一般把 排气温度限制在160以内,用自润滑材料做密封元件，排气温度则取决于自润滑材料的性 能，如聚四氟乙烯做成的元件，排气温度限制在180以内,压缩特殊气体的压缩机，视气体性质而异，需把排气温度限制 在更低的范围内,29,排气温度是一个很重要的指标。有时甚至因为排气温度的限制 必须采用较多的级数，或者用进气冷却等措施来降低排气温度,4功率和效率,压缩机中直接消耗于压缩气体的功率称为指示功率，用Pi表示。 用示功图测量计算得到,按理

15、论循环计算所需功率称为理论功率。可以按等温理论循环 或绝热理论循环计算。分别称为等温理论功率(用PT表示)和绝 热理论功率(用PS表示）,比功率Nr：一定排气压力下，单位排气量所消耗的轴功率 NrP/Q,30,理论功率与指示功率之比称为指示效率，用i表示,指示效率反映了实际气体在工作过程中由吸、排气阻力及气体 的摩擦、旋涡等造成的总的能量损失的大小,等温指示效率还反映冷却达不到等温压缩而附加的能量损失， 比绝热指示效率更低,31,等温效率T：评价水冷压缩机的性能指标,绝热效率S：评价风冷压缩机的性能指标,机械效率m：评价压缩机运动机构完善程度指标,一般压缩机T约为0.600.75,S约为0.6

16、50.70(小型)、 0.700.80(中型)、0.800.85 (大型),32,第四节 活塞式压缩机的结构,结构影响因素,机器的形式,级数和列数,各级气缸在列中的排列 各列间曲柄夹角的排列,选择结构依据,用途,运转条件,排气量和排气压力,驱动方式,占地面积,33,一、气缸排列形式和特点,压缩机的结构特点体现在：气缸的排列形式（气缸中心线与水平面的相对位置）和运动机构的结构,气缸排 列形式,立式：气缸中心线与水平面垂直,角度式:气缸中心线与水平面成一角度,卧式。气缸相 对曲轴位置,一般卧式：气缸都在曲轴一侧,对置式：气缸在曲轴两侧，相邻 的两相对列曲柄夹角不等于180,对置平衡式：气缸在曲轴两

17、侧， 相对两列气缸的曲柄夹角为180,34,占地面积小,气缸和活塞的磨损比卧式的小而且均匀,无油润滑时对活塞环和填料有利,管道布置困难,大型压缩机采用立式时高度较大,立式空压 机特点,优点,缺点,35,气缸和活塞的磨损较大且不均匀,惯性力不能平衡，所以转速受到很大限制,惯性力完全平衡,转速提高，尺寸小、重量轻,相对的活塞受力互相抵消，改善主轴颈的受力 可采用较多的列数,普通卧式空 压机特点,占地面积小,小型空压机,对置平衡式 空压机特点,运动部件和填料数量较多,机身和曲轴的结构比较复杂,绝大部分大型空压机采用,36,各列惯性力可用平衡重块平衡，可取较高的转速,气缸错开，利于气阀的布置和安装，气

18、阀通流面积大,中间冷却器和级间管道可直接装在机器上，结构紧凑,角度式空 压机特点,曲轴的轴向长度较短,管道布置困难,高度较大,中、小型和微型空压机,37,二、空压机的基本结构,空压机的 基本结构,基本部分：机身、曲轴、连杆等，其作用是传递 动力，连接基础与气缸部分,气缸部分：气缸、气阀、活塞、填料和排气量调 节装置等，作用是形成压缩容积和防止气体泄漏,辅助部分：包括冷却器、缓冲器、气液分离器、 滤清器、安全阀、油泵、注油器及各种管路系统， 是保证压缩机正常运转所必需的部件,38,气缸的结构因压力、气量、气缸排列形式、冷却方式、气阀 配置形式、工质、气缸材料不同而不同 按压力高低气缸分别由铸铁、

19、铸钢和锻钢制成。因钢的耐磨 性较差，钢质气缸通常都设有铸铁气缸套 大多数气缸是水冷式 小型和微型压缩机的气缸一般做成单作用式，采用空冷,39,第五节 压缩机排气量的调节及自动控制,1.停转调节,一、排气量调节,停转调节是利用压力继电器之类的装置来控制原动机的停开， 使压缩机暂时停转，以实现排气量的间断调节,优点是压缩机与原动机同时停转，没有功率消耗 缺点是启、停频繁，零件磨损增加，一般只用于微型压缩机上,40,2.改变转速的调节,主要用在内燃机驱动的空气压缩机上，靠储气罐的压力控制 内燃机转速而实现。内燃机的转速可连续地改变，故可实现 排气量的连续调节 优点：气量变化连续，功率消耗较小； 因为转速降低时，气体流速降低，摩擦损失和压力损失都减小； 气体在循环时间加长，可得到较好的冷却 缺点：受原动机本身性能的限制，只能在60100%的额定转速 范围内变化，转速过低时经济性很差,41,3.控制吸入的调节,中型压缩机上应用较多，分为切断进气和节流进气,切断进气应用较广，是利用减荷阀关闭进气管路，使压缩机 空转而得到间断调节,切断进气同时