過程流體機(jī)械 第三章 活塞式壓縮機(jī)課件

1、第三章 往復(fù)活塞式壓縮機(jī)3.1概述 3.2活塞式壓縮機(jī)的熱力學(xué)基礎(chǔ)3.3活塞式壓縮機(jī)動力學(xué)3.4活塞式壓縮機(jī)的總體結(jié)構(gòu)3.5活塞式壓縮機(jī)的主要零部件結(jié)構(gòu)簡介3.6活塞式壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)3.1概述3.1.1壓縮機(jī)的應(yīng)用與分類壓縮機(jī)容積式壓縮機(jī)往復(fù)式壓縮機(jī)回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)活塞式壓縮機(jī)滑片式壓縮機(jī)螺桿式壓縮機(jī)渦旋式壓縮機(jī)透平式壓縮機(jī)離心式壓縮機(jī)軸流式壓縮機(jī)單螺桿雙螺桿3.1.1.1容積式壓縮機(jī)容積式壓縮機(jī)的定義：是指依靠氣缸工作容積的周期性的變化來壓縮氣體，以達(dá)到提高氣體壓力的流體機(jī)械。改變工作腔容積的方式有兩種：靠活塞的往復(fù)運(yùn)動往復(fù)式壓縮機(jī)靠“活塞”或叫“轉(zhuǎn)子”的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)3.2活塞式壓縮機(jī)的熱

2、力學(xué)基礎(chǔ)3.2.1基本熱力狀態(tài)參數(shù)（1）溫度：絕對溫度（k）（2）壓力：絕對壓力（Pa）（3）比體積：每單位質(zhì)量氣體所占的容積，以 表示。3.2.2 理想氣體的狀態(tài)方程式理想氣體的定義：不考慮氣體分子之間的作用力和分子本身所占有的體積的氣體。R氣體常數(shù)V 質(zhì)量為G的氣體的體積3.2.3 壓縮機(jī)的理論循環(huán)3.2.3.1往復(fù)式壓縮機(jī)的組成部分a.工作腔部分：氣缸、活塞、氣閥。b.傳動部分：連桿、曲軸、十字頭。c.機(jī)身部分：用于支撐（或連接）氣缸與傳動部分和其他輔助部分。d.輔助設(shè)備：比如潤滑系統(tǒng)（油泵、注油器）、冷卻系統(tǒng)、控制檢測系統(tǒng)。活塞級：被壓縮氣體進(jìn)入工作腔內(nèi)完成一次氣體壓縮稱為一級。一個工

3、作循環(huán)：每個級完成進(jìn)氣、壓縮、排氣過程、稱為一個工作循環(huán)。 如果一個工作循環(huán)，具備以下特征（5條）則稱這樣一個工作循環(huán)為理論循環(huán)。氣缸內(nèi)無余隙容積，腔內(nèi)的氣體在壓縮終了時被全被排出；氣體通過氣閥時，無壓力損失；在吸氣和排氣過程中，氣缸內(nèi)氣體的溫度不變；氣體壓縮過程指數(shù)為定值；氣體無泄漏；3.2.3.2壓縮機(jī)級的理論循環(huán)進(jìn)氣過程：4-1，是等壓過程，因而過程線為一水平線（由外止點(diǎn)到內(nèi)指點(diǎn)）壓縮過程：1-2，從內(nèi)止點(diǎn)開始，到達(dá)到排氣壓力時停止，過程指數(shù)為一個定值，即該曲線是一個等指數(shù)曲線。排氣過程：2-3，是等壓過程，過程線為一水平線，從排起點(diǎn)開始到外止點(diǎn)結(jié)束。止 點(diǎn)：極限位置稱為止點(diǎn)，（靠近主軸

4、側(cè)為內(nèi)止點(diǎn)）回 程：向內(nèi)止點(diǎn)運(yùn)動。去 程：向外止點(diǎn)運(yùn)動。行 程：外止點(diǎn)與內(nèi)止點(diǎn)之間的距離。那么指示圖中4-1-2-3-4成為壓縮機(jī)的理論循環(huán)。 3.2.3.4級的實(shí)際循環(huán)（1）氣體不能完全排出工作腔，原因是任何的工作腔都有余隙容積，從圖中體現(xiàn)的，這樣在排氣終了時，缸內(nèi)有高壓氣體，并有活塞自外止點(diǎn)向內(nèi)止點(diǎn)運(yùn)動時，首先膨脹，所以指示圖上有一個膨脹過程,cd氣閥的影響使進(jìn)排氣過程有壓力損失，而且壓力有波動。過程指數(shù)m不是一個定值（氣體與各接觸壁面間始終有溫差）氣體有泄漏 （由于氣缸容積不可能絕對密封）實(shí)際氣體理想氣體的差別也給壓縮機(jī)的循環(huán)帶有影響壓縮機(jī)級的實(shí)際循環(huán)指示功由于氣缸存在余隙容積，使氣缸的

5、部分容積被膨脹氣體占據(jù)，這樣引入 表示氣缸容積的利用率。注：由膨脹過程方程 即所以，氣缸的實(shí)際吸氣量引入：相對余隙容積 ： 名義壓力比 ： 這樣 由于實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的差異，造成實(shí)際循環(huán)的吸氣量不等于行程容積壓力系數(shù) ：由于進(jìn)氣阻力和閥腔中的壓力脈動，使吸氣點(diǎn)的壓力低于名義進(jìn)氣壓力。溫度系數(shù) ： 與氣體冷卻及壓力比有關(guān) 令吸氣系數(shù)排氣量的計(jì)算一般：排氣量=吸氣量-泄漏量泄漏系數(shù)影響排氣量的因素：（1）進(jìn)氣壓力：隨著吸氣壓力提高而提高，降低而降低（2）進(jìn)氣溫度：降低吸氣溫度可提高吸氣量（3）轉(zhuǎn)速的影響：提高轉(zhuǎn)速可增加排氣量（4）余隙容積的影響：減小余隙容積可增加排氣量（5）泄漏的影響：減少泄漏

6、可增加排氣量排氣系數(shù)3.2.5壓縮機(jī)的功率和效率3.5.2.1指示功率3.5.2.2效率（衡量壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性）（1）指示效率 等溫指示效率 絕熱指示效率（2）機(jī)械效率（3）傳動效率3.2.6多級壓縮定義：將氣體在壓縮機(jī)的幾個氣缸中連續(xù)依次地進(jìn)行壓縮，并在進(jìn)入下一級氣缸之前，將氣體導(dǎo)入中間冷卻器進(jìn)行冷卻。3.2.6.1采用多級壓縮的理由（1）節(jié)省功率的消耗經(jīng)一級壓縮達(dá)到排氣壓力所需功耗為經(jīng)二級壓縮達(dá)到排氣壓力所需功耗為這樣省功為之所以省功，就是因?yàn)椴捎昧酥虚g冷卻，若冷卻不完善無法將氣體溫度降至名義氣體溫度，那么將比完全冷卻的功耗大。 冷卻后容積減少活塞力：活塞在止點(diǎn)所受的最大氣體力 理論上講，級

7、數(shù)越多越省功，但級數(shù)過多會造成壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時機(jī)械摩擦損失。流動損失會增加，設(shè)備的整體尺寸、重量會增加，維修費(fèi)用大，所以，應(yīng)合理選擇級數(shù)。級數(shù)的選擇原則：（1）對于長期運(yùn)轉(zhuǎn)的大中型壓縮機(jī)：以最省功為原則（2）對于間歇使用的小型壓縮機(jī)及交通運(yùn)輸用的壓縮機(jī)：在允許的排氣溫度內(nèi)，盡量采用較少的級數(shù)以減輕重量。（3）對特殊氣體為工質(zhì)的壓縮機(jī)：取決于每級允許達(dá)到的排氣溫度。（4）化工用壓縮機(jī)：與工藝流程密切相關(guān)，一般每級的壓力比不宜超過4。3.2.6.2級數(shù)的選擇 3.2.6.4各級工作容積的確定 多級壓縮機(jī)各級氣缸的行程容積隨著壓力的遞增依次減小。（1）經(jīng)壓縮后壓力升高，體積減少（2）水蒸汽的凝析

8、（3）中間抽氣可由行程容積確定氣缸的直徑。第一級氣缸的行程容積任意i級的工作容積:按照前一級排出的氣體要被下一級吸進(jìn)的原則。對于單作用氣缸：對于雙作用氣缸：3.3活塞式壓縮機(jī)動力學(xué)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生各種作用力，由此就會形成各種力矩，因而就涉及到力和力矩的平衡問題。壓縮機(jī)中的作用力和力矩壓縮機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生的作用力主要有三類：（1）慣性力（2）氣體力（3）摩擦力3.3.1曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動 慣性力：（1）產(chǎn)生原因：各種運(yùn)動零件作不等速運(yùn)動或作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。（2）分類：往復(fù)慣性力 由往復(fù)質(zhì)量的不等速運(yùn)動引起的慣性力。旋轉(zhuǎn)慣性力 由旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的轉(zhuǎn)速運(yùn)動引起的慣性力。（3）慣性力計(jì)算 b 慣性力大小

9、3.3.2各力和力矩作用分析3.3.3慣性力平衡IrIIIIIII”III”Ir”3.3.4飛輪矩的確定3.4活塞式壓縮機(jī)的總體結(jié)構(gòu)3.4.1活塞式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式按氣缸中心線相對于地平線位置或其彼此關(guān)系分：立式：汽缸中心線與地平線垂直。角度式：汽缸中心線與地平線成一角度，又有L型、V型、W型、扇型、星型等多種。臥式：汽缸中心線與地平線平行，又有一般式、對動式和對置式三類。立式壓縮機(jī)： 優(yōu)點(diǎn)：占地面積小?；钊亓坎恢卧谄咨希瑳]有因此而產(chǎn)生的磨損和摩擦。汽缸在中心線方向的變形不受附加約束，可以省去汽缸的輔助支撐裝置，有利于改善汽缸的受力條件。往復(fù)慣性力垂直作用于基礎(chǔ)，基礎(chǔ)受力條件好，這樣基礎(chǔ)

10、小，機(jī)身主要受拉壓載荷，受力情況好，機(jī)身重量輕。汽缸拆卸方便。汽缸直立，便于潤滑油均勻分布，有利于潤滑。缺點(diǎn)：大型時由于高度大需設(shè)置操作平臺，操作不便，而且布管比較困難，所以現(xiàn)僅用于中小型及微型。多級時級間設(shè)備占地面積大，所以以級數(shù)少為宜。曲軸箱及轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)位于機(jī)器下部，拆裝修困難。適用范圍：中、小、微型、級數(shù)少的壓縮機(jī)。臥式壓縮機(jī)對于臥式壓縮機(jī)其優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)與立式恰好相反，故一般、大型、中型、多級數(shù)時宜采用臥式結(jié)構(gòu)。在臥式結(jié)構(gòu)中以對動式的平衡性為最好，在大型壓縮機(jī)中被廣泛采用，而對置式結(jié)構(gòu)以其切向力較均勻的廣泛用于超高壓的場合。角度式壓縮機(jī)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、曲軸結(jié)構(gòu)簡單、長度較短，可以采用滾動軸承

11、。缺點(diǎn)：大型時不適用，因其高度太大。適用范圍：中、小、微型，以L型、V型應(yīng)用最多。3.4.2選型列數(shù)及級在列中的配置3.4.2.1列數(shù)為了獲得較好的動平衡性能，無論是立式、臥式、角度式壓縮機(jī)，均選擇兩列或兩列以上的列數(shù)，但列數(shù)過多會使機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。所以列數(shù)的選型需視機(jī)型系列化的情況、氣量大小、壓力高低而定。（通常按活塞力的大小選擇）3.4.2.2級在列中的配置基本原則：（1）各列活塞力均衡； （2）力求減少氣體泄漏量，應(yīng)使相鄰容積壓力差較小；在曲軸側(cè)配置壓力較低級，以利于密封； （3）制造和安裝方便；一般一列配置12級，個別達(dá)3級或更多。每列配置一個級的，一般無十字頭的壓縮機(jī)只能作成單作用式，

12、而十字頭的壓縮機(jī)中大都作成雙作用式的，另外高壓級一般也作成單作用式?；钊骄俣?3.4.2.3主要參數(shù)選擇這個表達(dá)式說明，在容積流量和級數(shù) 確定的情況下，活塞的平均速度愈大，則壓縮機(jī)的氣缸直徑愈小。因此，在保證壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性、耐久性和合理的動力經(jīng)濟(jì)指標(biāo)前提下，提高活塞的平均速度值對縮小壓縮機(jī)的尺寸具有重要意義，這是設(shè)計(jì)人員努力追求的目的。但是，提高活塞的平均速度的值，壓縮機(jī)的機(jī)械摩擦和零件的磨損均增加，機(jī)械效率和機(jī)器的壽命下降?；钊钠骄俣纫矝Q定著工質(zhì)在壓縮機(jī)流通截面處的流動速度?；钊钠骄俣却髸r，吸排氣閥處的流動阻力損失增大，這樣，降低了壓力系數(shù)p ，增加了功率消耗。轉(zhuǎn)速的選擇在同樣

13、生產(chǎn)能力的情況下，轉(zhuǎn)速n越高，則機(jī)器外形尺寸越小，重量越輕，同功率電機(jī)的尺寸也小，價格便宜，并有可能與壓縮機(jī)直聯(lián)，占地面積小，總的經(jīng)濟(jì)性好。但轉(zhuǎn)速高也有不利影響，因n越高，則慣性力越大，這樣易損件壽命越短，阻力損失越大，機(jī)器的使用壽命會降低。因而在選擇n時，不要是往復(fù)慣性力大于或等于氣體力，否則運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要以空車運(yùn)行的最大往復(fù)慣性力為依據(jù)，使運(yùn)動機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度在壓縮機(jī)工作時不能得到充分利用，機(jī)器笨重，經(jīng)濟(jì)性差。一般壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為：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：壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速

14、，活塞平均速度確定后，行程即求出。在允許的活塞平均速度范圍內(nèi)，行程和缸徑應(yīng)保持適當(dāng)?shù)谋壤?3.4.3往復(fù)壓縮機(jī)型號編制及種類額定排氣壓力 105Pa額定排氣量 m3/min特征代號微型壓縮機(jī)所配電機(jī)功率結(jié)構(gòu)代號列數(shù)或重?cái)?shù)例：V2.2D-0.25/7表示2列V型壓縮機(jī)，排氣壓力為（表壓）0.7MPa，額定排氣量為0.25 m3/min，（屬于微型壓縮機(jī)）其原配套電動機(jī)的額定功率為2.2KW，采用低噪聲罩式。2VY-6/7表示2重，即雙重型，移動式壓縮機(jī)，額定排氣量為6 m3/min，額定排氣表壓為0.7MPa。活塞壓縮機(jī)的主要類型按排氣壓力分：低壓(0.21MPa） 中壓(1MPa-10MPa

15、) 高壓(10MPa-100MPa) 超高壓(100MPa)按容積流量(排氣量)分微型(1m3/min） 小型(1m3/min-10 m3/min) 中型(10m3/min-100m3/min)大型(100m3/min)按達(dá)到排氣壓力所需要的級數(shù)分：單級、兩級和多級按汽缸中心線相對于地平線位置或其彼此關(guān)系分：立式 角度式 臥式按氣缸容積的利用方式分類單作用式、雙作用式和級差式3.6活塞壓縮機(jī)的運(yùn)行 3.6.1氣量調(diào)節(jié) 3.氣量的調(diào)節(jié)方法 (5)改變操作臺數(shù)調(diào)節(jié)3.6.2 壓縮機(jī)的潤滑3.6.2.1氣缸和填料函的潤滑（1）潤滑油的選擇：（2）潤滑方式:壓力潤滑3.6.2.2傳動機(jī)構(gòu)的循環(huán)潤滑系統(tǒng)

16、 壓力循環(huán)潤滑3.6.3壓縮機(jī)的維護(hù)3.6.3.1.常見故障3.6.3.2.維護(hù)3.7活塞式壓縮機(jī)的特點(diǎn)活塞式壓縮機(jī)的特點(diǎn)機(jī)械適應(yīng)性強(qiáng)并容易達(dá)到較高的壓力。工作穩(wěn)定性好，即壓力與流量的關(guān)系不大。 由于運(yùn)動機(jī)構(gòu)的尺寸確定后，工作腔的容積變化規(guī)律也就確定了，因此工作轉(zhuǎn)數(shù)的改變（流量變化）并不直接影響工作腔容積變化規(guī)律。機(jī)械的熱效率比較高。由于慣性力的限制，轉(zhuǎn)速不高，因此排氣量小。氣體吸入和排出是間歇的，容易引起氣柱和管道的振動。機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損件多。3.8活塞式壓縮機(jī)主要零部件簡介3.8.1 氣缸3.8.2活塞組件筒形盤形級差式各種活塞3.8.3填料函用來密封活塞桿和氣缸間的間隙，要求密封性能好

17、、耐磨。常用的有平面填料錐面填料塑料填料3.8.4氣閥3.8.5曲軸3.9選型分析例：某工廠需要一臺動力用空氣壓縮機(jī)，要求其排氣量10 m3/min，絕對排氣壓力0.9 MPa，請選擇合適的壓縮機(jī)。(1)首先明確壓縮介質(zhì)的性質(zhì)本例為空氣，空氣動力用壓縮機(jī)已有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，可查看已有的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品目錄進(jìn)行選擇。(2)根據(jù)已給出的額定排氣壓力，排氣量初步選擇機(jī)型。(3)確定冷卻及潤滑方式(4)選擇驅(qū)動方式(5)比較功率，綜合價格因素確定最終機(jī)型本例中總壓力比為9，故選擇兩級壓縮，考慮到結(jié)構(gòu)緊湊可以采用V型或L型，一般沒有特殊要求的情況下，選擇水冷有油潤滑方式，并用電動機(jī)驅(qū)動。則該壓縮機(jī)型號為VY-10/8或VD-10/8等。級次公稱壓力MPa壓力損失實(shí)際壓力MPa實(shí)際壓力比0.10.270.050.080.0950.21963.070.270.80.0350.060.26060.8483.25內(nèi)止點(diǎn)時：綜合來看，活塞力比較均勻，所以選取的d和S是合理的，以上有關(guān)計(jì)算有效。作業(yè)1今有一臺單級單作用的往復(fù)活塞壓縮機(jī)，名義進(jìn)氣壓力為0.1MPa，名義排氣壓力為0.4MPa，活塞行程為300mm，曲軸的轉(zhuǎn)速為n=400r/min，相對余隙容積為0.15，容積流量為