第8章 往复式压缩机

第8章 往复式压缩机8.1 往复式压缩机的基本组成及工作原理往复式压缩机又称活塞式压缩机，是容积型压缩机的一种它是依靠气缸内活塞的往复运动来压缩缸内气体，从而提高气体压力，达到工艺要求往复式压缩机的结构见图8-1图8－1 2D6.5-7.2/150型压缩机1－Ⅲ段气缸；2－Ⅲ段组合气阀；3－Ⅰ-Ⅲ段活塞；4－Ⅰ段气缸；5－Ⅰ段填料盒；6－十字头；7－机体；8－连杆；9－曲轴；10－Ⅴ带轮；11－Ⅱ段填料盒；12－Ⅱ段气缸；13－Ⅱ-Ⅳ段活塞；14－Ⅳ段气缸；15－Ⅳ组合气阀；16－球面支承8.1.1 往复式压缩机的基本组成往复式压缩机系统由驱动机、机体、曲轴、连杆、十字头、活塞杆、气缸、活塞和活塞环、填料、气阀、冷却器和油水分离器等所组成驱动机驱动曲轴旋转，通过连杆、十字头和活塞杆带动活塞进行往复运动，对气体进行压缩，出口气体离开压缩机进入冷却器后，再进入油水分离器进行分离和缓冲，然后再依次进入下一级进行多级压缩往复式压缩机结构示意图如图8-28.1.2 往复式压缩机级的理论循环为了由浅入深的说明问题，假定压缩机没有余隙容积，没有进、排气阻力，没有热量交换等，这样，压缩机工作时，气缸内压力及容积变化的情况如图8-3。

当活塞自点0向右移动至点1时，气缸在压力p1下等压吸进气体，0—1为进气过程然后活塞向左移动，自1绝热压缩至2，1—2为绝热压缩过程最后将压力为p2的气体等压排出气缸，2—3为排气过程过程0—1—2—3—0便构成了压缩机理论循环图8－2 往复式压缩机结构示意图1－排气阀；2－气缸；3－平衡缸；4－机体；5－飞轮；6－曲轴；7－轴承；8－连杆；9－十字头；10－活塞杆；11－填料函；12－活塞；13－活塞环；14－进气阀活塞从止点0至止点1所走的距离S，称为一个行程在理论循环中，活塞一个行程所能吸进的气体，在压力p1状态下其值为V1=FsSm3，式中Fs为活塞面积，m2；S为活塞行程，m图8－3 压缩机级的理论循环压缩机把气体自低压空间压送到高压空间需要消耗一定的功，压缩机完成一个理论循环所消耗的功为图8-3的0—1—2—3—0所围区域的面积，即进气过程中气体对活塞所作的功p1V1相当于0—0′—1′—1—0所围的面积；压缩过程中活塞对气体所作的功相当于1′—1—2—2′—1′所围的面积假定气体对活塞所作的功为负值，活塞对气体所作功为正值，则三者之和为即图8-3中0—1—2—3—0所围区域的面积。

由于自1至2的压缩过程中，指数越小，过程曲线越平坦，因此可知过程指数越小，压缩机循环消耗的功也越小在压缩循环中，压缩过程中所消耗的外功将全部变成热量在绝热压缩过程中，这些热量将全部转变为气体的内能，使气体温度升高，并全部被气体带出压缩机；在等温压缩循环中，等温压缩的功将变成热量，并通过气体全部传给了外界，气体排出压缩机时，温度没有什么改变；在多变压缩过程中，气体传出一部分热量，一部分热量变成气体内能被气体所带走如果压缩机绝热循环及多变循环中排出的气体，再通入冷却器中等压冷却至气体吸入前的原始温度，则气体内能和气体进入压缩机前相同必须指出，在这种情况下，虽然压缩气体所消耗的外功全部变成了热量传给了外界，使气体的内能并无增加，但借助于外功的作用，使气体的体积缩小了，从而使压力得到提高8.1.3 往复式压缩机级的实际循环图8-4是由指示器在实际机器某级上测得的压力容积变化曲线，通称级的指示图，即为压缩机的实际循环图它与理论循环图8-3的区别是：有余隙容积V0的存在，使高压气体不可能全部排出气缸，在活塞改变行程后，出现了V0内高压气体的膨胀线；图8-4 压缩机的实际循环吸气及排气过程中压力均非不变值，所以水平线变为波形内线；由于气阀及管道阻力损失的存在，使实际吸入压力线总低于名义吸入压力p1的水平线，排气压力线则高于名义排气压力p2；由于气体与缸壁等有热量交换，所以压缩及膨胀过程指数是一个始终变化的数值；除此之外还存在着气体的泄漏等。

显然它影响了吸入气体量和耗功，既不像图8-3那样全部吸气行程都吸入气体，也不是只耗面积为1—2—3—0—1那么少的功8.1.4 往复式压缩机的受力往复式压缩机在正常运转时，作用于运动机构上的主要有惯性力、气体压力的作用力—气体力和相对运动表面之间产生的摩擦力1.惯性力压缩机中各运动零件的运动若为不等速运动或旋转运动时，便会产生惯性力惯性力的大小与方向决定于运动零件的质量和加速度，等于两者之乘积，其方向和加速度方向相反2.气体力气缸内的气体压力也是随着活塞的运动，即随着曲轴转角而变化的作用在活塞上的气体力，为活塞两侧各相应气体压力和各该活塞作用面积的乘积之差值3.摩擦力相对运动表面互相作用的摩擦力，其方向始终与运动方向相反，其大小则随曲轴转角而变化，但其规律比较复杂4.作用力的分析sin(α+β）cosβ往复式压缩机运动件受力状况简图见图8-5曲柄处于任意的转角α时，气体作用力Pg和往复惯性力I合成的活塞力P，作用在十字头销或活塞销A上，然后再沿着连杆传递过去由于连杆是相对于气缸轴线摆动的，它和气缸轴线间摆动的夹角为β，故传递到连杆上点A的作用力PL=P/cosβ，式中P=Pg+I。

同时，因为十字头是由十字头导轨导向的，也产生了一个压向十字头导轨的分力——侧向力N，N=Ptgβ连杆力PL沿着连杆轴线传到曲柄销中心点B，它对曲轴产生两个作用，一个作用是连杆力相对于曲轴中心构成一个力矩my=PLh =Pr N·m；另一个作用是使曲轴的主轴颈在主轴上产生一个作用力PLPL可以分解为水平方向和垂直方向两个分力，垂直方向分力N=PLsinβ=Ptgβ，水平方向分力P=PLcosβ此外主轴承上还作用有离心力Ir5.惯性力的平衡作用在主轴承上的活塞力P，其中的气体力部分Pg已在机器内部平衡掉、余下的往复惯性力部分I却未被平衡掉，它要通过主轴承及机体传到机器外面的基础上由图8-5 作用力分析于往复惯性力I的方向和数值随着曲轴转角周期地变化，因而能够引起机器及基础的振动此外，还有数值不变但作用线方向随曲轴转角周期地改变的旋转惯性力Ir也作用在主轴承上，也会引起机器作相应的振动过大的振动能使基础产生不均衡的沉降，影响厂房寿命，影响操作人员的健康，影响附近地区精密器械的操作，此外，振动还会无谓地消耗能量，严重时能达到压缩机总功的5%采用增大基础的办法来减少振动需要增加基建费用，消耗大量的物力和人力，因此我们应尽量设法在机器内部把惯性力平衡掉。

不平衡旋转质量所造成的离心力Ir的平衡比较简单，只要在曲柄的相反方向装上适当的平衡重量，使两者所造成的离心力互相抵消即可往复惯性力的平衡比较复杂，在单列压缩机中，往复惯性力是无法简单地予以平衡的但是，用加平衡重的方法，可以改变一阶惯性力的方向，使其从沿着气缸轴线的方向转移到气缸轴线垂直的方向，原来的二阶往复惯性力I2则仍保持原状在单列的卧式压缩机中，我们经常利用上述方法，将水平方向的一阶往复惯性力I1的30%～50%转移至垂直方向，以期减轻水平方向上机器的振动在多列压缩机中，可以使往复惯性力在机器内部彼此间得到部分的或全部的平衡平衡方法的原则：一种是利用惯性力本身的特点，使各列的曲轴错角合理地配置，使惯性力互相抵消；另一种是在同一曲拐上配置几列，各列轴线间夹角合理地配置，使各列惯性力的合力为某一不变的数值，且始终作用在曲柄方向这样，就可以利用加平衡重的办法来平衡它8.2 往复式压缩机的分类1.按排气压力分类(1)低压压缩机 0.2＜P＜0.98MPa(2)中压压缩机 0.98～9.8MPa(3)高压压缩机 9.8～98.0MPa(4)超高压压缩机 ＞98.0MPa2.按消耗功率分类(1)微型压缩机 ＜10kW(2)小型压缩机 10～100kW(3)中型压缩机 100～500kW(4)大型压缩机 ＞500kW3.安排气量分类(1)微型压缩机 ＜1m3/min(2)小型压缩机 1～10m3/min(3)中型压缩机 10～60m3/min(4)大型压缩机 ＞60m3/min4.按气缸中心线的相对位置分类 见图8-6。

图8-6 气缸中心线位置分类（a）立式；（b）一般卧式；（c）对称平衡式或对动式；（d）V型角度式；（e）L型角度式；（f）W型角度式；（g）T型角度式；（h）、（i）扇型角度式；（j）星型角度式(1)立式：气缸中心线与地面垂直(2)卧式：气缸中心线与地面平行，其中包括一般卧式、对置式和对动式（对置平衡式）(3)角度式：气缸中心线彼此成一定角度，其中包括L型、V型、W型、扇型和星型等5.按曲柄连杆机构分类可分为有十字头压缩机和无十字头压缩机6.按活塞在气缸内作用情况分类(1)单作用式：气缸内仅一端进行压缩机循环(2)双作用式：气缸内两端都进行同一级次的压缩循环(3)级差式：气缸内一端或两端进行两个或两个以上不同级次的压缩循环7.按压缩机级数分类(1)单级压缩机：气体经一级压缩达到终压(2)两级压缩机：气体经两级压缩达到终压(3)多级压缩机：气体经三级以上压缩达到终压8.按压缩机列数分类(1)单列压缩机：气缸配置在机身一侧的一第中心线上(2)双列压缩机：气缸配置在机身一侧或两侧的两条中心线上(3)多列压缩机：气缸配置在机身一侧或两侧两条以上中心线上9.按冷却方式分类可分为气（风）冷式压缩机和水冷式压缩机。

10.按机器工作地点分类可分为固定式压缩机和移动式压缩机8.3 往复式压缩机的技术参数1.排气量往复式压缩机的排气量，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，排气量常用的单位为m3/min或m3/h压缩机的额定排气量（压缩机铭牌上标注的排气量），是指特定的进口状态时的排气量2.排气压力往复式压缩机的排气压力通常是指最终排出压缩机的气体压力，排气压力应在压缩机末级排气接管处测量，常用单位为MPa一台压缩机的排气压力并非固定，压缩机铭牌上标注的排气压力是指额定排气压力，实际上，压缩机可在额定排气压力以下的任意压力下工作，并且只要强度和排气温度等允许，也可超过额定排气压力工作3.转速往复式压缩机曲轴的转速，常用r/min表示，它是表示往复式压缩机的主要结构参数4.活塞力活塞力为曲轴处于任意的转角时，气体力和往复惯性力的合力，它作用于活塞杆或活塞销上活塞力已成为压缩机系列化、规格化的一个主要参数，常用单位为t（吨）我国推荐的系列为1、2、3.5、5、5.5、8、12、15、22、32和45（t）5.活塞行程往复式压缩机在运转中，活塞从一端止点到另一端止点所走的距离，称为一个行程，常用单位为m（米）。

6.功率往复式压缩机消耗的功，一部分直接用于压缩气体，称为指示功，另一部分用于克服机械摩擦，称为摩擦功，主轴需要的总功为两者之和，称为轴功单位时间内消耗的功称为功率，常用单位为瓦（W）或千瓦（kW）压缩机的轴功率为指示功率和摩擦功率之和8.4 往复式压缩机的运行及调节1.排气量调节选用压缩机的条件之一就是用气系统的最大耗气量系统的实际耗气量是可能变化的当耗气量小于压缩机的排气量时，系统中压力不断提高由于往复式压缩机的排气量不会因背压的升高而自动降低，此时，若不采取措施减少排气量，。