1、過程流體機械山東科技大學機械電子工程學院YOUR SITE HERE第二章 容積式壓縮機主 要 內 容一 往復壓縮機概述二 往復壓縮機的工作過程三 熱力性能四 動力性能五 氣閥和密封六 調節方式及其控制七 選型八 回轉式壓縮機YOUR SITE HERE四 動力性能曲軸連桿機構的運動分析往復運動：活塞組件（活塞、活塞桿、十字頭等）平面擺動： 連桿旋轉運動： 曲軸YOUR SITE HERE1. 壓縮機中的作用力（1）慣性力 原因：運動件的不等速往復運動；不平衡旋轉 求解：運動件的質量 加速度 慣性力（2）氣體力 氣缸內氣體壓力隨曲柄轉角而變化 作用在活塞上的氣體力為：（3）摩擦力 摩擦力大小隨

2、曲軸轉角而變化，方向與運動方向相反 摩擦力比慣性力和氣體力要小的多，可不予考慮。四 動力性能YOUR SITE HERE2. 機構運動簡化運動件的質點簡化： 活塞組件：活塞銷或十字頭銷中心點mP 曲柄：曲柄銷中心點mc 連桿：大頭和小頭的軸承中心mlml四 動力性能YOUR SITE HERE質量簡化： 往復運動總質量：ms=mP ml 旋轉運動總質量：mr=mc +mll ： 連桿長度r ：旋轉運動半徑四 動力性能YOUR SITE HEREA：外止點D：內止點：連桿的擺角l：連桿長度r：曲軸半徑 ：曲軸的角速度 ：曲軸的轉角 x：活塞的位移曲軸連桿機構的運動示意圖四 動力性能YOUR SI

3、TE HERE活塞位移x ：活塞速度v ：活塞加速度a：（1）慣性力計算 3. 各作用力計算四 動力性能YOUR SITE HERE旋轉慣性力 FIr ：往復慣性力 FIs ：方向 ：始終作用于氣缸軸線方向，大小呈周期性變化。方向 ：始終沿曲柄半徑方向向外，大小不變。注意 ：在兩止點處，慣性力最大；且一階慣性力比二階大很多。 壓縮機轉速改變時，應重視慣性力對壓縮機的影響。四 動力性能YOUR SITE HERE（2）氣體力計算注意 ：ps側可能為雙作用或級差式氣缸的工作腔氣體壓力，也可能是大氣壓或平衡腔壓力。 氣缸工作腔的氣體壓力隨曲軸轉角而變化。（3） 摩擦力計算 摩擦力Ff 較氣體力和慣性

4、力小得多，可忽略不計；也可按經驗計算（見教材式256和257）。四 動力性能YOUR SITE HERE3. 作用力的合成（1）綜合活塞力 氣體力Fg、往復慣性力FIs、往復摩擦力Ffs都沿氣缸中心軸線作用，其合力稱為綜合活塞力FP ：注意 ： 當壓縮機在止點位置時，Fp通常被稱為最大活塞力，但不是最大綜合活塞力。 分析壓縮機零部件強度時，常用最大活塞力來計算。四 動力性能YOUR SITE HERE連桿力 ：側向力 ：綜合活塞力Fp在十字頭銷中心A的作用：（2）力的分析四 動力性能YOUR SITE HERE連桿力Fl 對曲軸： 主軸承上的力Fl：分解為水平分力 FN和垂直方向分力FP 阻力

5、矩My：側向力 FN ：作用于主軸承上的離心力 FIr：作用力的進一步分析：側覆力矩MN：作用于主軸承中心，方向與曲軸旋轉方向相反作用于壓縮機機身上，方向與曲軸旋轉方向相同四 動力性能YOUR SITE HERE4. 各力對壓縮機的作用（1）氣體力內力（2）慣性力自由力（3）側覆力矩自由力矩（4）阻力矩： 氣體力只使氣缸和機身等部分、以及它們之間的連接螺栓等承受拉伸或壓縮載荷，在機器內部被平衡，稱為內力。往復慣性力和旋轉慣性力都能引起機器振動多列、平衡重側覆力矩能造成機器振動和驅動機構成整體或處于同一基礎 在每一轉的每一瞬間，會使主軸產生短暫的加速和減速現象可增加飛輪平衡四 動力性能YOUR

6、SITE HERE（1）旋轉慣性力的平衡平衡重平衡重的質量：（r0為平衡重質心的回轉半徑）5. 慣性力的平衡四 動力性能YOUR SITE HERE（2）往復慣性力的平衡對動式結構對動式壓縮機特點： 曲柄錯角180； 兩組運動件的運動關于主軸中心線對稱； 往復慣性力和離心慣性力都相互抵消。四 動力性能YOUR SITE HERE（3）阻力矩的平衡利用飛輪增大轉動慣量四 動力性能YOUR SITE HERE五 氣閥和密封氣閥1. 氣閥組件（1）氣閥結構：進氣閥與排氣閥的結構基本相同。組成：閥座、閥片、彈簧、升程限制器（閥蓋）為降低閥片對升程限制器的撞擊速度，網狀閥通常設置緩沖片YOUR SITE

7、 HERE（2）氣閥的工作原理顫振現象：若彈簧力過強，閥片容易在閥座與升程限制器之間跳動。導致阻力損失增加、氣閥壽命縮短。滯后現象：若彈簧力過弱，當活塞接近止點位置時，閥片不能及時回落至閥座上。導致泄漏、噪聲、氣閥壽命縮短。五 氣閥和密封氣閥YOUR SITE HERE環狀閥片網狀閥片（3）閥片的類型環狀閥片： 結構簡單，抗疲勞性好；各環獨立，存在不同步現象。網狀閥片：形狀復雜，加工困難；無不同步現象，但需設置導向部件（有摩擦網狀閥）或緩沖片（無摩擦網狀閥）。五 氣閥和密封氣閥閥片材料： 金屬加工困難。 非金屬（PEEK）成型容易，承壓能力和耐高溫有限。YOUR SITE HERE（4）對氣閥

8、的要求 氣閥開閉及時，關閉時嚴密不漏氣；(顫振、滯后) 氣流通過氣閥時，阻力損失小； 氣閥形成的余隙容積?。?氣閥使用壽命長（閥片破損、彈簧斷裂）； 結構簡單，互換性好。五 氣閥和密封氣閥2. 壓縮機常用氣閥（1）環狀閥（2）網狀閥（3）碟狀閥：小型高壓壓縮機（4）菌狀閥：適用于壓力損失較小場合YOUR SITE HERE1. 密封原理和方式流體通過間隙時，單位時間內的泄漏量：（1）節流密封：降低壓降（2）阻塞密封：堵塞泄漏通道五 氣閥和密封密封YOUR SITE HERE（1）活塞環五 氣閥和密封密封2. 活塞環的密封切口及截面YOUR SITE HERE（2）密封原理活塞環密封原理：節流為

9、主多環密封環 阻塞為輔兩個密封面五 氣閥和密封密封活塞環數量：一般3環以上，其中第1環承受的壓差最大，磨損最嚴重YOUR SITE HERE3. 填料密封（1）密封原理填料密封原理：阻塞為主填料 節流為輔平面填料切口五 氣閥和密封密封平面填料密封：三瓣式切口軸向泄漏、六瓣式主要密封元件、 彈簧預緊作用YOUR SITE HERE六 調節方式及其控制1. 氣量調節要求及原理（1）氣量的調節要求（2）氣量的調節原理 調節方式：連續調節、分級調節或間斷調節； 調節工況經濟性好； 調節系統結構簡單，安全可靠，操作方便。理論基礎： Vs無法改變（氣缸直徑和行程無法改變）； 轉速n可以改變； 各系數可以改

10、變，但改變T的經濟性差，不采用。YOUR SITE HERE2. 氣量調節方法（1）轉速調節改變轉速n適用范圍： 由內燃機、蒸氣機或調速電機驅動的壓縮機。 優點： 可實現間斷、分級、連續調節；調節工況比功率消耗小，經濟性最好；壓縮機各級壓力比保持不變；不需設專門的調節機構。 缺點： 受原動機性能的限制，調節范圍有限；轉速變化會影響氣閥的工作性能；噪聲、振動增加。六 調節方式及其控制YOUR SITE HERE（2）管路調節 進氣節流 利用裝在進氣管路上的節流閥，適當增加管路阻力，通過減少吸氣量來減少排氣量，可實現連續調節氣量。優點：結構簡單，常用于手動調節，可適于80100小范圍內的連續氣量調

11、節。調節原理：減小壓力系數P 六 調節方式及其控制缺點：單位質量排氣量的功耗增加；多級壓縮的級間壓力比重新分配，容易影響活塞力和排氣溫度。YOUR SITE HERE 切斷進氣 利用裝在進氣口上的減荷閥阻塞進氣管路，使容積流量為零。可實現氣量間斷調節。減荷閥調節原理：當壓縮機排氣量大于用氣量，儲氣罐壓力升高，氣體將壓力調節器上的調節閥頂開，進入減荷閥下面的小氣缸，將活塞頂起，使閥門關閉，從而進氣為零，排氣為零。當排氣系統壓力降到某一限定值時，減荷閥重新開啟，恢復正常進氣量。六 調節方式及其控制優點：功耗小，經濟性好。缺點：末級壓力比增加，排氣溫度增加；啟動困難。YOUR SITE HERE自由

12、連通調節原理：旁通閥全部開放，壓縮機排出的氣體全部自由流回進氣管，使排氣量為零，屬于間斷調節。注意：該方法可用于大型壓縮機的啟動釋荷。為了防止儲氣罐氣體倒流，在排氣管與旁通管的連接處到儲氣罐之間應設逆止閥。 進、排氣管連通 利用旁通管路和旁通閥將排氣管與進氣管相連。調節時打開旁通閥，進、排氣管相通，氣體流回進氣管，實現氣量調節。包括自由連通和節流連通兩種調節方式。節流連通調節原理：旁通閥部分開啟，使排氣管中部分高壓氣體節流回到進氣管，可根據旁通閥的開度在100至零范圍內調節氣量，屬于連續調節。注意：此調節方式結構簡單，但節流損失較大，不經濟。六 調節方式及其控制YOUR SITE HERE（3

13、）壓開進氣閥調節 利用壓開裝置把進氣閥強制壓開，使壓縮機吸進的氣體在壓縮過程中仍回入進氣管，實現氣量調節。調節原理：增加泄漏量，即減小泄漏系數l優 缺 點：該調節方法的經濟性好，但因進氣閥閥片受到額外載荷，故壽命較短，密封性較差。大中型壓縮機作卸荷或空載啟動時，常用該方法。六 調節方式及其控制YOUR SITE HERE伺服器壓開進氣閥的驅動機構活塞式：2壓開叉；3彈簧；4活塞隔膜式：6隔膜；7頂桿六 調節方式及其控制YOUR SITE HERE全行程壓開進氣閥間斷調節 在全部壓縮行程中進氣閥始終處于強制壓開狀態，使吸進的氣體全部回出，容積流量為零。部分行程壓開進氣閥連續調節 利用電磁、液壓或

14、氣動控制裝置或彈簧作用，使進氣閥在部分壓縮行程中處于強制壓開，其余行程中氣閥被關閉，從而實現不同流量的調節。六 調節方式及其控制YOUR SITE HERE（4）連通補助余隙容積 在壓縮機氣缸外設一空腔，當需要調節氣量時，使此空腔與氣缸接通，增加余隙容積來調節氣量。調節原理：減小容積系數v優點：這種調節方法基本上不消耗功，結構也較簡單，操作方便可靠，大型壓縮機常用。六 調節方式及其控制YOUR SITE HERE 固定補充余隙容積分級調節 可變補充余隙容積連續調節六 調節方式及其控制YOUR SITE HERE3. 調節系統 手動調節 自動調節：適用于頻繁調節場合 主令機構調節器：發出調節指令

15、 傳動結構氣體、液體、電磁等：轉化調節指令 執行機構伺服器、調節機構等：執行調節動作六 調節方式及其控制YOUR SITE HERE七 選 型壓縮機裝置的選型 結構性能選型 壓縮機結構型式、使用性能、適應性的選擇 技術參數選型 工藝流程參數 計算 壓縮機參數 選擇YOUR SITE HERE1. 壓縮機的分類（1）按排氣壓力：低壓、中壓、高壓、超高壓（2）按容積流量：微型、小型、中型、大型（3）按級數：單級、兩級、多級七 選 型低壓：小于1MPa 中壓：110MPa高壓：10100MPa 超高壓：大于100MPa微型：小于1m3/min 小型：110m3/min中型：10100m3/min 大

16、型：大于100m3/min（4）按冷卻方式：風（空）冷壓縮機、水冷壓縮機YOUR SITE HERE（5）按氣缸位置（氣缸中心線位置） 立式壓縮機 臥式壓縮機：一般式、對動式、對置式 角度式壓縮機：L型、V型、W型、扇型、星型七 選 型立式壓縮機立式壓縮機YOUR SITE HERE一般臥式壓縮機對動式壓縮機對置式壓縮機氣缸分布在曲軸兩側，但兩側活塞運動不對稱氣缸分布在曲軸兩側，兩側活塞運動對稱七 選 型臥式壓縮機YOUR SITE HERE七 選 型整體框架式十字頭的對置式壓縮機非對稱平衡的對置式壓縮機YOUR SITE HERE七 選 型角度式壓縮機X 型（星型）壓縮機YOUR SITE

17、HERE電動機H 型壓縮機M 型壓縮機電動機位于各列之間的對置式或對動式壓縮機電動機位于軸端的對置式或對動式壓縮機七 選 型多列壓縮機（四列級以上）YOUR SITE HERE列數或重數結構代號功率機器特征額定排氣量額定排氣壓力2. 容積式壓縮機型號編制方法（附錄1） 列數或重數：當數字為1時，可省略;重數是對L、V、W型而言； 結 構 代 號：見教材245頁附表11; 額 定功 率：微型壓縮機的配套電機的額定功率值，單位kW; 機器特征代號：見教材245頁附表12； 額 定 排 氣 量：單位m3/min； 額定排氣壓力：單位105Pa。舉例：V2.2D0.25/7；2VY6/7七 選 型YO

18、UR SITE HERE3. 壓縮機結構性能選型（1）結構型式選擇選擇原則：滿足使用條件要求，便于操作與維修；壓縮機動力平衡性好：即慣性力平衡性能好，切向力較均衡，機器運轉平穩；結構緊湊，占地面積?。粔嚎s機產品便于變型，制造方便。七 選 型YOUR SITE HERE立式壓縮機：優點：占地面積小；活塞自重不作用在缸壁上，摩擦與磨損均勻，密封及潤滑易保證；基礎可承受一定往復慣性力。缺點：機身太高，要求廠房高，操作維修不方便；管道不易布置；多級曲軸較長；振動大。應用：一般用于中、小型或微型壓縮機。臥式壓縮機：優點：高度低，操作和維修方便；管道容易布置，改型較容易。缺點：占地面積大；活塞重量支撐在氣

19、缸上。應用：一般應用于大、中型壓縮機。七 選 型YOUR SITE HERE對動式壓縮機：動力平衡性好，應用普遍對置式壓縮機：運轉較平穩，主要用于超高壓壓縮機七 選 型YOUR SITE HERE角度式壓縮機：優點：結構緊湊，占地面積??；曲軸結構簡單（每個曲拐上裝有多個連桿）。缺點：大型角度式壓縮機高度大；往復運動件易產生偏磨。應用：一般應用于中、小型及微型壓縮機。七 選 型有無十字頭壓縮機：無十字頭：結構簡單緊湊；活塞環泄漏量大，活塞與氣缸間摩擦磨損嚴重，無法實現無油壓縮。只適用于小功率場合。有十字頭：結構復雜，增加了易損件，需要填料密封。適用于無油壓縮、大中型壓縮機。YOUR SITE H

20、ERE（2）列數及級的配置列數的選擇原則：為獲得較好的動力平衡性能，列數以等于或多于2列為宜；微型的低壓或高壓壓縮機，采用單列結構；列數需視氣量大小、壓力高低等而定。級在列中配置的基本原則：通常每列配置12級，最多配置3級；各列活塞力要均衡（雙作用式、級差式、平衡腔）；盡量減少氣體泄漏量，相鄰容積壓力差要小，減少活塞環泄漏；靠近曲軸一側配置較低壓力級，以利于填料密封；盡量使各列慣性力和慣性力矩抵消，獲得較好的動力平衡性；制造和裝配要方便。七 選 型YOUR SITE HERE 活塞平均速度定義：即曲柄每轉一轉，活塞所走距離與時間之比。即：活塞平均速度對壓縮機性能的影響： 對壓縮機摩擦副耐久性的

21、影響； 對氣閥的影響。七 選 型（3）幾個重要的結構參數YOUR SITE HERE 轉速壓縮機的轉速可表示為（忽略活塞桿的影響）：注意： 壓縮機結構相似情況下，不同容積流量時轉速不同；轉速n影響壓縮機的制造、成本及動力性能;設計壓縮機時，根據確定的結構方案、容積流量及第一級的排氣系數，選取適當的vm、，即可計算n。其中：s/D1，D1為第一級氣缸直徑 z1：第一級汽缸數 i：單作用為1，雙作用為2七 選 型YOUR SITE HERE 氣缸直徑單作用式氣缸直徑可表示為：雙作用式氣缸直徑可表示為：注意： 計算所得的氣缸直徑均應圓整為氣缸系列的標準直徑； 圓整后的氣缸直徑會影響壓力比分配，可調整

22、某級的相對余隙容積值來保證壓力比維持不變。七 選 型YOUR SITE HERE氣缸的公稱直徑（mm）七 選 型YOUR SITE HERE4. 壓縮機技術參數選型熱力計算（1）選型的三種類型：新建廠的壓縮機選型計算 以工藝流程要求為準，核算壓縮機的熱力參數是否符合要求。擴建廠的壓縮機選型計算 更換新機或增加臺數來滿足氣量增大的要求。技術改造的選型與改型計算 參照原有壓縮機的運行指標，進行改型計算。七 選 型YOUR SITE HERE（2）明確工藝流程的原始計算數據氣體的性質（可否簡化為理想氣體等）和吸氣狀態（進氣壓力和進氣溫度、相對濕度等）；根據生產規模或流程需要確定總供氣量；確定需要的排

23、氣壓力（終了壓力、級間壓力、壓力損失等）；考慮排氣溫度要求（尤其對排氣溫度有嚴格要求的情況）；確定單機容積流量。七 選 型YOUR SITE HERE（3）熱力計算正常熱力計算的步驟：初步確定級數、各級的壓力比和各級的名義壓力；計算各級的容積效率、析水系數等；計算各級氣缸行程容積、氣缸直徑；計算各級的實際壓力和壓力比；計算各級活塞力；計算各級排氣溫度；計算各級功率和效率確定驅動機的總功率七 選 型YOUR SITE HERE復算性熱力計算步驟：計算各級行程容積；計算與容積流量有關的系數：容積系數、壓力系數、溫度系數、泄漏系數、抽氣系數、析水系數等；復算級間壓力及壓力比；檢驗復算精度：按照每一轉的吸氣量相等的原則。七 選 型YOUR SITE HERE八 回轉式壓縮機1. 螺桿壓縮機（雙螺桿壓縮機）（1）組成結構機殼陰、陽螺桿滑動軸承推力軸承軸封同步齒輪冷卻系統（濕式）YOUR SITE HERE（2）工作過程：吸氣（封閉） 、