ZW天然氣壓縮機

1、課程設(shè)計說明書題目:ZW-5/1-15天然氣壓縮機設(shè)計院（部）：機械工程學(xué)院專業(yè)班級：學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2012 年 6 月 7 日安徽理工大學(xué)課程設(shè)計（論文）任務(wù)書 機械工程學(xué) 院（部） 過控 教研室學(xué)號2010305734學(xué)生姓名專業(yè)（班級）題目ZW-5/1-15天然氣壓縮機設(shè)計設(shè)計技術(shù)參數(shù)V型，無油潤滑式，額定排氣量2.5m3/min，額定吸氣壓力.02MPa，額定排氣壓力4MPa,天然氣壓縮機。 第一級進氣溫度：20，第二級進氣溫度：25 ，吸入氣體的相對濕度：。設(shè)計要求1熱力計算：結(jié)構(gòu)方案選擇，壓力比非配，活塞力的計算，選擇電機。2動力計算：綜合活塞力圖。3曲軸與連桿

2、的計算4圖紙：曲軸與連桿零件圖各一張工作量 要求課程設(shè)計說明書頁數(shù)不少于20頁，并附有曲軸與連桿零件圖各一張。工作計劃5.28-5.30進行熱力計算，5.31-6.4進行動力計算，6.4-6.7進行曲軸與連桿的計算，5.8-5.10畫出曲軸與連桿的零件圖參考資料Paul C. Hanlon. 壓縮機手冊M. 郝點, 譯. 北京: 中國石化出版社, 2003.高慎琴. 化工機器M. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1992. 李云，姜培正過程流體機械M北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008 郁永章，陳洪俊.容積式壓縮機技術(shù)手冊M.北京：機械工業(yè)出版社，2000.指導(dǎo)教師簽字教研室主任簽字目錄第一章 概述41.

3、1壓縮機的分類及命名41.2壓縮機的基本結(jié)構(gòu)51.3活塞壓縮機的優(yōu)點51.4活塞壓縮機的缺點51.5活塞式壓縮機的工作原理6第二章 總體設(shè)計62.1 設(shè)計活塞式壓縮機應(yīng)符合以下基本原則62.2壓縮機的驅(qū)動62.3壓縮機的轉(zhuǎn)速和行程的確定62.4 壓縮機的設(shè)計條件及要求7第三章 熱力計算83.1結(jié)構(gòu)形式與方案選擇83.1.1計算總壓力比83.1.2選擇級數(shù)83.1.3壓力比分配83.2確定汽缸直徑83.2.1計算容積系數(shù)83.2.2確定壓力系數(shù)93.2.3確定溫度系數(shù)93.2.4確定泄露系數(shù)93.2.5確定容積效率93.2.6確定析水系數(shù)103.2.7確定各級行程容積103.2.8確定各級汽缸直

4、徑，行程和實際行程容積103.3計算活塞力113.3.1修正各級公差壓力113.3.2修正后各級排氣溫度123.3.3計算汽缸實際吸排氣壓力123.3.4活塞力的計算133.3.5計算軸功率并選配電機13第四章 動力計算144.1計算第一列的慣性力154.2計算各列摩擦力164.2.1往復(fù)摩擦力164.2.2旋轉(zhuǎn)摩擦力164.3計算第I列氣體力174.3.1第I級蓋側(cè)的氣體力174.3.2一級軸側(cè)的氣體力194.3.3計算第I列綜合活塞力及切向力20第五章 曲軸與連桿的計算235.1 I級活塞銷尺寸235.2曲軸結(jié)構(gòu)尺寸的確定245.3連桿尺寸的確定25參考文獻27安徽理工大學(xué)課程設(shè)計（論文）

5、成績評定表28 第一章 概述壓縮機是一種用于壓縮氣體，借以提高氣體的機械。它的種類很多，用途廣泛，壓縮機已成為國民經(jīng)濟各個部門中的重要通用機械。在化工生產(chǎn)中，往復(fù)式壓縮機已成為關(guān)鍵設(shè)備，根據(jù)壓縮機的原理，壓縮機可分為“容積式”和“動力式”兩大類。壓縮機的種類和形式很多，不同壓縮機的結(jié)構(gòu)和特點差別很大，因而其適用的場合、性能、造價、尺寸重量等指標也相差甚遠。1.1壓縮機的分類及命名按工作原理按工作腔中運動件或氣流工作特征按工作中運動件結(jié)構(gòu)特征 容積式 往復(fù)式 活塞式 柱塞式 隔膜式 回轉(zhuǎn)式 雙螺桿式 單螺桿式 渦旋式 羅茨式 滑片式 滾動活塞式 螺旋葉片式 單齒轉(zhuǎn)子式 液環(huán)式 三角轉(zhuǎn)子式 動力式

6、 離心式 葉輪式 軸流式 旋渦式 噴射式 噴射式1.2壓縮機的基本結(jié)構(gòu) 其組成可以分為三個部分 基本部分：包括機身、中體、曲軸、連桿、十字頭組成，其作用是傳遞動力。連接基礎(chǔ)和氣缸部分。 氣缸部分：包括氣缸、氣閥、活塞、填料以及安置在氣缸上的排氣量調(diào)節(jié)裝置等部分，其作用是形成壓縮容積和組織氣體泄漏。 輔助部分：包括冷凝器、緩沖器、液體分離器、濾清器、安全閥、油泵、注油器及各種管路系統(tǒng)，這些部件是保證壓縮機正常運轉(zhuǎn)。1.3活塞壓縮機的優(yōu)點1、活塞壓縮機的適用壓力范圍廣，流量大小，均能達到所需壓力；2、活塞壓縮機的熱效率高，單位耗電量少；3、適應(yīng)性強，即排氣范圍較廣，且不受壓力高低影響，能適應(yīng)較廣闊

7、壓力范圍和制冷量要求；4、活塞壓縮機的可維修性強；5、活塞壓縮機對材料要求低，多用普通鋼鐵材料，加工較容易，造價也較低廉；6、活塞壓縮機技術(shù)上較為成熟，生產(chǎn)使用上積累了豐富的經(jīng)驗；7 、活塞壓縮機的裝置系統(tǒng)比較簡單。1.4活塞壓縮機的缺點1、轉(zhuǎn)速不高，機器大而重；2、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損件多，維修量大；3、排氣不連續(xù)，造成氣流脈動；4、運轉(zhuǎn)時有較大震動?；钊綁嚎s機在各種場合，特別是在中小制冷范圍內(nèi)，成為應(yīng)用最廣、生產(chǎn)批量最大的一種機型。1.5活塞式壓縮機的工作原理 壓縮過程 活塞從下止點向上運動，吸、排汽閥處于關(guān)閉狀態(tài)，氣體在密閉的氣缸中被壓縮，由于氣缸容積逐漸縮小，則壓力、溫度逐漸升高直至氣缸內(nèi)

8、氣體壓力與排氣壓力相等。壓縮過程一般被看作是等熵過程。 排氣過程 活塞繼續(xù)向上移動，致使氣缸內(nèi)的氣體壓力大于排氣壓力，則排氣閥開啟，氣缸內(nèi)的氣體在活塞的推動下等壓排出氣缸進入排氣管道，直至活塞運動到上止點。此時由于排氣閥彈簧力和閥片本身重力的作用，排氣閥關(guān)閉排氣結(jié)束。 至此，壓縮機完成了一個由吸氣、壓縮和排氣三個過程組成的工作循環(huán)。此后，活塞又向下運動，重復(fù)上述三個過程，如此周而復(fù)始地進行循環(huán)。這就是活塞式制冷壓縮機的理想工作過程與原理。 第二章 總體設(shè)計 2.1 設(shè)計活塞式壓縮機應(yīng)符合以下基本原則（1） 滿足用戶提出的排氣量、排氣壓力以及有關(guān)使用條件的要求；（2） 有足夠長的使用壽命（應(yīng)理解

9、為壓縮機需要大修被迫停車的次數(shù)）；（3） 有良好的運轉(zhuǎn)經(jīng)濟性；（4） 有良好的動力平衡性；（5） 維護檢修方便；（6） 盡可能采用新結(jié)構(gòu)；（7） 制造工藝性良好；（8） 機器尺寸小。 2.2壓縮機的驅(qū)動 活塞式壓縮機的驅(qū)動包括驅(qū)動機和傳動裝置，本設(shè)計中擬采用電動機驅(qū)動，這是綜合考慮使用部門的動力裝置，壓縮機的功率和轉(zhuǎn)速、工作條件來選定的形式。 2.3壓縮機的轉(zhuǎn)速和行程的確定轉(zhuǎn)速和行程的選取對機器的尺寸、質(zhì)量、制造難易和成本有重大影響，并且還直接影響機器的效率壽命和動力特性?；钊綁嚎s機設(shè)計中在一定的參數(shù)和使用條件下，首先應(yīng)考慮選擇適宜的活塞平均速度。應(yīng)為：（1） 活塞平均速度的高低，對運動幾件

10、中的摩擦和磨損具有直接的影響，對氣缸內(nèi)的工作過程也很有影響。（2） 活塞速度過高氣閥在汽缸上難以得到足夠的安裝面積，所以氣閥管道中的阻力損失很大，功率的消耗及排氣溫度將會過高，嚴重影響壓縮機運轉(zhuǎn)的經(jīng)濟型和使用性。 微型和小型壓縮機為使結(jié)構(gòu)緊湊而只能采用較小行程，雖有較高轉(zhuǎn)速，但活塞平均速度卻較低，只有2m/s左右，在一定的速度下，活塞行程的選取與下列因素有關(guān)： （1）排氣量的大??；排氣量大者行程應(yīng)取得長些，反而則要短一些。(2)機器結(jié)構(gòu)型式：考慮到壓縮機的使用和維護條件，對于立式、V式、W式、扇式等結(jié)構(gòu)，活塞行程不宜取的過長。 （3）行程的確定 式中 S-活塞行程 A-系數(shù)，其值在0.062-

11、0.095之間 P-活塞力（噸）則 之間取S=100mm轉(zhuǎn)速的確定近代壓縮機的轉(zhuǎn)速n通常在下列范圍：微型和小型 10003000（轉(zhuǎn)/分）中型 5001000（轉(zhuǎn)/分）大型 250500 （轉(zhuǎn)/分）取n=750轉(zhuǎn)/分2.4 壓縮機的設(shè)計條件及要求 壓縮機的熱力計算是根據(jù)氣體壓力容積和溫度之間存在一定的關(guān)系，給結(jié)合壓縮機的具體特性和使用要求而進行的。其目的是要求得到最有力的熱力參數(shù)（各級的吸排氣溫度，所消耗力）和適宜的主要結(jié)構(gòu)尺寸（活塞行程、汽缸直徑等）。已知：設(shè)計條件：VW-2.5/2-40天然氣壓縮機 排氣體積：Vd=2.5m3/min 壓縮介質(zhì)：天然氣 吸氣壓力：P1=0.2MPa（絕壓）

12、 排氣壓力：P2= 4 MPa 第一級進氣溫度：20 第二級進氣溫度：25 吸入氣體的相對濕度： 第三章 熱力計算3.1結(jié)構(gòu)形式與方案選擇3.1.1計算總壓力比t=P2/P1=4/0.2=20根據(jù)總壓力比為20，壓縮機的級數(shù)取兩級比較合適，而且采用雙作用汽缸，另外壓縮機采用水冷方式。3.1.2選擇級數(shù) z=23.1.3壓力比分配 1=2=(t )1/2 = (20)1/2=4.47各級進、排氣壓力比列表如下 級 次 名義進氣壓力 （105Pa） 名義排氣壓力 （105Pa） 壓力比 2 8.94 4.47 8.94 40 4.47 3.2確定汽缸直徑 3.2.1計算容積系數(shù) 取余隙體積指數(shù) 1

13、= 0.1 2=0.12由文獻查得絕熱指數(shù)為k=1.3，各級膨脹過程的等端點指數(shù)m為 m1=1.186 m2=1.225容積系數(shù) v1=1-0.1×(4.471/1.186-1)=0.747 , v2= 1-0.12×(4.471/1.225-1)=0.7133.2.2確定壓力系數(shù)查化工機器可取3.2.3確定溫度系數(shù)查化工機器可取T1=0.92，T2=0.923.2.4確定泄露系數(shù) 各級各部位相對泄露系數(shù)值 填料 0.006 0.001 0.001 0.001氣閥 0.02 0.02 0.02 0.02活塞環(huán) 0.06 0.06 0.06 0.06 0.0276 0.027

14、 0.973 0.973 取L1= 0.973 L2=0.9733.2.5確定容積效率 3.2.6確定析水系數(shù)第一級無水析出，故。當T1=20時, Psa1=2337Pa；當T2=25 時Psa2=3167 Pa，則：3.2.7確定各級行程容積3.2.8確定各級汽缸直徑，行程和實際行程容積 已知轉(zhuǎn)速n=750r/min，取行程s=100mm,得活塞平均速度 取活塞桿直徑d=30mm，得根據(jù)汽缸直徑標準，圓整為，實際行程容積活塞有效面積為同理，根據(jù)汽缸直徑標準，圓整為，實際行程容積活塞有效面積為?？紤]到圓整值與計算值之間有差值，這里采用維持壓力比不變，調(diào)整相對余隙體積的方法，利用下式計算容積系數(shù)

15、 計算得新的容積系數(shù)為再通過下式計算新的相對余隙 得新的相對余隙3.3計算活塞力3.3.1修正各級公差壓力計算結(jié)果如下表 級次 計算行程容積 ,m3 0.00513 0.00121實際行程容積 ,m3 0.0056 0.00126 修正系數(shù) k 1 1.048 1.048 名義進氣壓力 (bar) 2 8.94(bar) 2 9.37名義排氣壓力 (bar) 8.94 40 (bar) 9.37 41.92修正后名義壓力比 4.685 4.3973.3.2修正后各級排氣溫度級次壓力比吸氣溫度 （K）絕熱系數(shù)k排氣溫度Td(K)Td（）I 4.685 293 1.3 1.428 418 145

16、II 4.397 298 1.3 1.407 419 146 3.3.3計算汽缸實際吸排氣壓力 式子中Psi，Psi'為i級的名義和實際吸氣壓力 Pdi，Pdi' 為i級的名義和實際排氣壓力級次修正的工程壓力（x105）相對壓力損失%1-s1+d實際工程壓力（x105）實際壓力比PsPdsdPs'Pd' 29.373.860.9621.061.9249.9325.1629.3741.922.240.9781.049.16443.64.7583.3.4活塞力的計算 表 蓋側(cè)和軸側(cè)活塞工作面積 級次 軸側(cè)/ 蓋側(cè)/ Aw1=0.0276 Ac1=0.0283 Aw2

17、=0.00594 Ac2=0.00664 表 止點氣體力計算 在壓縮機實際時，假定連桿（或活塞桿）受拉伸時為正。受壓時為負。 列次 內(nèi)止點/kN 外止點/kN - =21.97 =-22.8 - =19.81 =-23.503.3.5計算軸功率并選配電機各級指示功率為 總的指示功率為 查過程流體機械，取機械效率，所以軸功率為 取電機功率余度0.1，則電動機功率為 根據(jù)電動機標準，可選功率為45kW的電機?？蛇x電動機的型號為Y280M-8。 第四章 動力計算動力計算的目的在于計算壓縮機中的作用力，確定壓縮機所需要的飛輪矩以及各種形式壓縮機慣性力。慣性力矩的平衡情況初步設(shè)計壓縮機所需的基礎(chǔ)壓縮機中

18、作用力的分析，是進行壓縮機零件強度和剛度計算得一局，也是判斷這些力對壓縮機裝置影響的基礎(chǔ)。壓縮機中主要的作用力有氣體力，曲柄連桿機構(gòu)運動時產(chǎn)生的慣性力和摩擦力。 曲柄連桿機構(gòu)示意圖4.1計算第一列的慣性力往復(fù)慣性力分為一階往復(fù)慣性力和二階往復(fù)慣性力。 由上章計算可知本壓縮機最大的活塞力為23.50kN，查表可選用的往復(fù)運動構(gòu)件的質(zhì)量，先取連桿長度，曲柄旋轉(zhuǎn)角速度。曲柄銷旋轉(zhuǎn)半徑。往復(fù)慣性力計算表 /° /kN 0 1.2500 26.96 10 1.2197 26.306 20 1.1312 24.397 30 0.9910 21.374 40 0.8094 17.457 50 0.

19、5993 12.926 60 0.3749 8.086 70 0.1505 3.246 80 -0.0612 -1.32 90 -0.2500 -5.392 100 -0.4085 -8.81 110 -0.5335 -11.506 120 -0.6250 -13.48 130 -0.6862 -14.8 140 -0.7226 -15.585 150 -0.7410 -15.982 160 -0.7481 -16.135 170 -0.7498 -16.172 180 -0.7500 -16.176 190 -0.7498 -16.172 200 -0.7481 -16.135 210 -0

20、.7410 -15.982 220 -0.7226 -15.585 230 -0.6882 -14.8 240 -0.6250 -13.48 250 -0.5335 -11.506 260 -0.4085 -8.81 270 -0.2500 -5.392 280 -0.0612 -1.32 290 0.1505 3.246 300 0.3749 8.086 310 0.5993 12.926 320 0.8094 17.457 330 0.9910 21.374 340 1.1312 24.397 350 1.2197 26.306 360 1.2500 26.964.2計算各列摩擦力4.2.

21、1往復(fù)摩擦力取往復(fù)摩擦力為總摩擦力的65% 4.2.2旋轉(zhuǎn)摩擦力 取旋轉(zhuǎn)摩擦力為總旋轉(zhuǎn)摩擦力的35% 4.3計算第I列氣體力4.3.1第I級蓋側(cè)的氣體力 各過程壓力計算公式如下：壓縮過程： 膨脹過程： 進氣過程： 排氣過程： 氣體力： 余隙行程： ，活塞面積，壓縮及膨脹過程的多變指數(shù)可取為，蓋側(cè)的氣體力為負值。計算結(jié)果見下表：第I級蓋側(cè)的氣體力計算表曲柄轉(zhuǎn)角/°活塞位移/mm 膨脹過程/bar進氣過程壓縮過程/bar排氣過程/bar 氣體力/kN0 09.932-28.1 10 0.945 9.078-25.6920 3.7457.197 -20.3730 8.265.337-15.

22、140 14.28 3.921.924-5.44 5021.5251.924 -5.446029.6851.924 -5.447038.4151.924 -5.448047.375 1.924 -5.4490 56.251.924 -5.4410064.741.924 -5.4411072.621.924-5.4412079.6851.924-5.4413085.8051.924 -5.4414090.881.924-5.4415094.86 1.924-5.4416097.715 1.924-5.4417099.4251.924-5.44180100 1.924 -5.4419099.425

23、1.936-5.4820097.7151.972-5.5821094.862.034-5.7622090.882.128-6.0223085.8052.259-6.3924079.6852.439-6.925072.622.683-7.5926064.743.013-8.5327056.253.462-9.828047.3754.084-11.5629038.4154.958-14.0330029.6856.2139.932-28.131021.5259.932-28.132014.289.932-28.13308.269.932-28.13403.7459.932-28.13500.9459

24、.932-28.136009.932-28.14.3.2一級軸側(cè)的氣體力活塞面積活塞面積，其余參數(shù)同蓋側(cè)，軸側(cè)氣體力為正值。計算結(jié)果見下表：曲柄轉(zhuǎn)角/°活塞位移/mm 膨脹過程/bar進氣過程壓縮過程/bar排氣過程/bar 氣體力/kN0 1001.9245.3110 99.05 1.9445.36520 96.252.003 5.52830 91.7352.1075.81540 85.705 2.2626.2435078.4352.4796.8426070.2552.7757.659 7061.5053.178.74980 52.525 3.710.212 90 43.65 4.

25、4112.17210035.165.3679.93227.412110 27.39.932 27.412120 20.2559.932 27.412130 14.169.932 27.4121409.19.932 27.4121505.13 9.932 27.412160 2.285 9.932 27.412170 0.579.932 27.412180 09.9329.932 27.412 190 0.579.4 25.944200 2.2858.077 22.293210 5.136.512 17.9732209.15.08614.03723014.163.9411.9245.312402

26、0.2551.924 5.31250 27.31.9245.31260 35.161.9245.3127043.651.9245.3128052.5251.9245.31290 61.5051.9245.3130070.2551.9245.31310 78.4351.9245.3132085.7051.9245.3133091.7351.9245.3134096.251.9245.3135099.051.9245.313601001.9245.314.3.3計算第I列綜合活塞力及切向力將同一曲柄轉(zhuǎn)角下的慣性力、往復(fù)摩擦力、及氣體力P（軸側(cè)和蓋側(cè)）進行相加，求出綜合活塞力，然后按下式計算出切向力

27、T： 第I級綜合活塞力及切向力曲柄轉(zhuǎn)角慣性力/kN往復(fù)摩擦力/kN氣體力綜合活塞力/kN函數(shù)切向力/kN軸側(cè)（+）/kN蓋側(cè)（-）/kN0 26.96 0.5215.31-28.1 4.6910 0.0010 26.306 0.5215.365-25.69 6.5020.2164 1.40720 24.397 0.521 5.528 -20.37 10.0760.4226 4.25830 21.3740.5215.815-15.1 12.610.60917.68140 17.4570.5216.243-5.44 18.7810.767514.41450 12.9260.5216.842 -5.

28、4414.8490.891413.23660 8.0860.5217.659 -5.4410.8260.976810.57570 3.2460.5218.749 -5.44 7.0761.02207.23280 -1.32 0.52110.212 -5.44 3.9731.02884.08790 -5.3920.52112.172 -5.44 1.8611.00001.861100 -8.810.52127.412 -5.4413.6830.940712.872110 -11.5060.521 27.412-5.4410.9870.85709.416120 -13.480.521 27.412

29、-5.449.0130.75516.806130 -14.80.521 27.412 -5.44 7.6930.6406 4.928140 -15.5850.521 27.412-5.446.9080.5180 3.578150 -15.9820.521 27.412-5.446.5110.3908 2.544160 -16.1350.521 27.412-5.44 6.3580.26131.661170 -16.172 0.521 27.412-5.446.3210.1308 0.827180 -16.1760.521 27.412 -5.446.3170 0.00190 -16.1720.

30、521 25.944-5.48 4.813-0.1308-0.63200 -16.1350.521 22.293-5.58 1.099-0.2613-0.287210 -15.9820.521 17.973-5.76-2.284-0.39080.893220 -15.5850.52114.037-6.02-7.047-0.5180 3.65230 -14.80.5215.31-6.39-15.359-0.6406 9.839240 -13.480.521 5.31-6.9-14.594-0.755111.02250 -11.5060.5215.31-7.59-13.265-0.857011.3

31、68260 -8.810.5215.31-8.53-11.509-0.940710.827270 -5.3920.5215.31-9.8-9.361-1.0000 9.361280 -1.32 0.5215.31-11.56-7.049-1.02887.252290 3.246 0.5215.31-14.03-4.953-1.02205.062300 8.0860.5215.31-28.1-14.183-0.976813.854310 12.9260.5215.31-28.1-9.343-0.89148.328320 17.4570.5215.31-28.1 -4.812-0.76753.69

32、3330 21.3740.5215.31-28.1-0.895-0.60910.545340 24.3970.5215.31-28.12.128-0.4226-0.899350 26.3060.5215.31-28.14.037-0.2164-0.874360 26.960.5215.31-28.14.69100同理，可依此計算出第II列氣體力。 第五章 曲軸與連桿的計算5.1 I級活塞銷尺寸活塞銷材料選用20鋼，活塞銷的尺寸，根據(jù)最大活塞力Pmax作用下活塞銷投影工作表面上的許用比壓k初步確定后，按彎曲和剪切作用校核其強度。，最大活塞力取II級外止點氣體力23.50kN連桿軸承長度=（1.11.4）d，取=1.2d活塞銷許用比壓k150250 Kg/cm2，取k=200 Kg/cm2則 取活塞銷直徑d=32mm活塞銷內(nèi)徑d0=(0.60.7) d=(0.60.7)×32=19.222.4mm，取d0=20mm活塞銷長度=(0.80.9)D1=(0.80.9)×190=152171mm ，取=160mm 5.2曲軸結(jié)構(gòu)尺寸的確定基于以上幾項要求，對于曲拐軸主要尺寸初步確定如下： 曲柄的主要尺寸曲柄銷直徑DP取最大值為II級外止點氣體力，P=23.50kN，取D=