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1、活塞式压缩机 概 述 一、活塞式压缩机的基本构成 活塞式压缩机主要由传动机构工作部件及机体组成。此外还有润滑、冷却、调节等辅助系统。 图所示为一L型压缩机。它的传动机构是曲柄连杆机构，由电机通过皮带轮带动曲轴旋转，连杆大头装在曲轴的曲柄销上，其小头与十字头相连。因此，曲柄通过连杆带动十字头在滑道内作往复运动，再由十字头带动活塞组件(包括活塞及活塞杆等)在气缸内作往复运动。由一根连杆所对应的气缸活塞组为一列。本机有两个连杆分别对应着一列气缸活塞组，该机共有两列。 工作部件包括气缸、气阀组件、活塞组件及填料组件。气缸的内表面与活塞工作端面所形成的空间是实现气体压缩的工作腔。气阀装在气缸上，控制气体
2、作单向流动，即吸气阀只从进气管向工作腔吸气，排气阀只能从工作腔向排气管排气。气阀的启闭动作主要由缸内外压差及气阀弹簧控制。活塞在气缸内作往复运动时，工作腔的容积作周期性变化，它与吸排气阀的启闭动作相配合，实现有膨胀、吸气、压缩、排气四个过程的工作循环，从而不断吸入低压气体、排出压缩后的高压气体。本机为双作用气缸，即曲轴每转一周，带动活塞在缸内往复一次，气缸两侧各实现一次工作循环。图示压缩机两缸的直径相同，所以是一个双缸双作用单级压缩机。 压缩机的润滑分两个系统。一个供传动机构的润滑，通常用机油润滑，靠轴头的齿轮油泵循环供油；另一个供气缸内工作部件的润滑，采用压缩机油，靠注油器注入气缸。 冷却系
3、统有冷却气体的中间冷却器、后冷却器、润滑油冷却器及气缸的水套冷却等减荷阀、安全阀是该机的控制与安全系统。 二、活塞式压缩机的特点 与离心压缩机相比，活塞式压缩机的优点是： 1适用压力范围广。这种机器依靠工作容积变化的原理工作，因而不论其流量大小，都能达到很高的工作压力。目前工业上超高压压缩机的工作压力已可达350MPa。 2热力效率较高，功率消耗较其它型式压缩机低。 3对介质及排气量的适应性强。可用于较大的排气量范围，且排气量受排气压力变化的影响较小。另外当介质密度改变时，压缩机的容积排量和排气压力的变化也较小。 其主要缺点是因往复惯性力大，使转速不能太高，故机器较笨重，大排量者尤甚。结构复杂
4、、易损件多，使维修工作量大。此外，由于排气不连续，造成气流压力脉动，易产生气柱振动。 由于以上特点，活塞压缩机主要适用于中、小流量而压力较高的场合、目前国内活塞式压缩机的应用仍最广泛，在采矿、冶金、机械、建筑等部门用空压机提供压缩空气作为动力；在石油化工厂中，用压缩机输送工艺气休或动力气体，在工艺流程中把介质压缩到反应所需的压力等。 目前活塞压缩机在结构参数上趋向适当的高转速和适当的短行程，使结构更紧凑。小型压缩机向快装、无专门基础的机组化方向发展。 由于近年来在压缩机气阀、气流脉动和振动方面的研究取得不步进展，在延长易损件寿命方面也作了不少工作，从而改善了压缩机的性能，提高了运转率，这些都使
5、活塞压缩机克服其弱点，得以扬长避短，更好地发挥其节能特点。 优化设计理论的发展和计算机的普遍应用，为更合理地选取设计参数、提高节能效益开创了新的前景。 三、活塞式压缩机的分类与型号 1分类 活塞式压缩机可从不同角度分类，简要叙述于表中。其结构示意如图： 2活塞压缩机的型号 活塞压缩机的使用范围十分广泛，为了选择使用的方便；机械工业部标准(JB258986)规定了容积式压缩机型号的编制方法，此标准适用于除制冷压缩机外的容积式压缩机。其型号命名如下：示例： (1)WWD-0810型空气压缩机 往复活塞式，w型，无润滑，低噪声罩式。公称容积流量08mmin，公称排气表压力10Pa。 (2)VY-67
6、型空气压缩机 往复活塞式，V型，移动式，公称容积流量6 mmin，公称排气表压力7 Pa。 (3)L-227型空气压缩机 往复活塞式，L型，公称容积流量22 mmin，公称排气表压力7 Pa。 (4)P-3285-320型氮氢气循环压缩机 - 往复活塞式，卧式，公称容积流量3 mmin，公称吸气表压力285 Pa，公称排气表压力320 Pa。 (5)H-140320型氮氨气压缩机往复活塞式，H型，公称容积流量140 mmin，公称排气表压力320 Pa。 活塞压缩机的工作循环 一、理论工作循环1.理论工作循环指示图 首先讨论压缩机一个级的理论循环。为了研究问题方便，先对压缩机的工作过程作如下的
7、简化假设： (1)压缩机气缸没有余隙容积，即排气终了时缸内气体全部排尽； (2)吸、排气过程无阻力损失，无压力脉动，无热交换。即在进、排气过程中，气体的温度、压力不变，并分别与进、排气管内状态相同； (3)气体压缩的过程指数在全过程中为常数； (4)气缸压缩工作容积绝对严密，没有气体泄漏。 在上述假设前提下，压缩机的工作循环可简化为如图4 31所示的三个过程的理论循环。 吸气活塞自左向右移动时吸气阀立即打开，气体在压力下进入气缸，在图中的41线所示； 压缩活塞从内止点向左移动，吸、排气阀均关闭。由于活塞移动，缸内容积变小，气体被压缩，压力上升，直到缸内压力与排气管内压相等为止。图中12线所示。
8、 排气活塞继续向左移动，排气阀打开，气体在压力下从气缸排到排气管内。图中23线所示。到外止点时缸内气体被排尽。 这样完成了一个理论工作循环，缸内瞬时压力和容积作周期性变化，描述理论工作循环中的PV图称为理论指示图。活塞内、外止点间的距离称为行程，用S表示。 这里应注意两个问题：一是指示图上的横座标是气缸容积V，而不是热力学中所用的比容v，因为在进、排气过程中气体容积V是变化的，而比容并不变化(状态不变)，由此看出，理论循环的三个过程中只有压缩过程是真正的热力过程，二是压缩机的排气压力取决于排气管道中的压力，即压缩机排气阀后面系统中的压力，也称为背压。压缩机铭牌上所标的排气压力是该机可以长期工作
9、的排气压力，机器的排气量、功率及机件的强度都按此压力设计。在生产过程中实际排气压力随系统中用气量和压力的变化而变化。如果系统中用气量很大，而压缩机排气量小于用气量，则系统压力建立不起来。实际生产中总是按压缩机排气量大于用气量来设计和选用压缩机，采取一定的调节措施，使用气量与压缩机排气量相适应并保持一定的压力。如果不采用调节措施则系统中因气体积累而使压力不断升高，压缩机排气压力也随之升高，会因压缩机功率超载或机件受力超过强度极限而出现事故。线为AB。当缸内压力高于排气管道内压力如并足以克服排气阀阻力而顶开排气阀时才开始排气过程，排气过程中压力也是波动的，当活塞回到外止点时，排气过程终了，如此完成
10、了一个工作循环。二、实际工作循环实际压缩机中，前述理论工作循环的简化假设是不可能实现的。由于在压缩机设计中为避免活塞与缸盖相撞和满足气阀安装的需要以及气阀本身结构等因素，造成排气终了（活塞行至止点）时，气缸与活塞端部仍然有一定空隙，称为余隙容积，在余隙容积中的气体无法排尽。此外在吸、排气过程中存在阻力损失。气体与缸壁有热交换。这些因素使实际工况要比理论工况复杂的多。 图4-3.2表示压缩机一个单作用级的实际工作循环。排气终了活塞行至外止点，由于余隙容积的存在，缸内仍有残留的排气状态的气体，以C点表示。当活塞自外止点右行，工作容积增大，残留气体容积增大而压力下降，进行膨胀过程，膨胀线为CD。由于
11、气阀主要依靠缸内外气体压差控制启闭，只有当缸内压力低于吸气管内压力，并足以克服流动阻力时，才能顶开吸气阀，如D点表示。吸气过程中缸内压力有波动，活塞到内止点A时吸气终了，吸气阀关闭，A点压力仍低于。活塞自内止点左行时，缸内容积变小，气体进行压缩过程，在PV图上表示的实际循环称实际指示图。用示功仪或用计算机可测出压缩机的指示图，指示图上ABCDA所包围面积代表压缩机每个实际工作循环所需的指示功。 图433是一台空气压缩机一个缸的工作过程。曲线表明有膨胀过程且吸排气过程有阻力损失。曲线看出吸排气过程中有热交换。由于冷却及热惰性关系，气缸壁温度约处于进排气温度的平均值。吸气时壁温高于进气气温，吸入气
12、体不断被加热。排气时壁温低于排气气温，排气过程中气体不断放热而降温。压缩和膨胀过程的变化更为复杂，膨胀过程开始缸内气温高于壁温，气体放热膨胀mk，膨胀后期缸内气温低于壁温，气体吸热膨胀mk，压缩过程后期为放热压缩mk，一般放热压缩是主要的，图中ab线所示。综上所述，实际循环与理论循环的主要区别是： (1)由于存在余隙容积，实际工作循环由膨胀、吸气、压缩和排气四个过程组成，而理论循环无膨胀过程。 变工况工作及排气量调节 一、变工况工作 压缩机在偏离原设计的条件下工作时，其热力性能将与原设计不同，称为变工况工作，下面介绍几种常见的变工况条件。 1吸气压力改变 在高原上工作的压缩机，由于当地大气压力
13、低而使压缩机吸气压力降低，如图4-61所示。若排气压力不变，对单级压缩机，将导致压力比升高，容积系数降低，排气量将随之有所减少。据试验，在海拔4500m以下，海拔每升高1000m，大气压力约降低1012，容积系数约降低23。在多级压缩机中总压力比升高，各级压力比改变，排气量也会有所下降。指示功率的变化则由压力比变化的大小而定，但单位供气量消耗的功率要增加。 工艺过程中的输气压缩机和循环压缩机也会因操作条件的改变而引起吸气压力改变。 2排气压力改变 使用中当吸气压力不变而排气压力提高时，往往会因压力比提高而使吸气量略有减少，其功率多半是会有所增加。 3.被压缩介质改变或工艺混合气的成分变化 介质
14、性质和混合气成分的变化，引起气体的绝热指数的变化，而绝热指数k直接影响膨胀或压缩过程指数，如图。4-6.2所示。从而影响排气量、功率及温度。当其它条件不变时绝热指数高的气体，其膨胀和压缩过程指数也高，则功率消耗也大。气体密度大时，气体流动阻力损失大，功耗就增加。导热率高的气体在吸入过程中易受热膨胀，温度系数较小，影响排气量。 二、排气量调节 用气单位常常因生产条件的改变要求压缩机的排气量在一定范围内调节。通常，用户按最大用气量来选用压缩机。因此，排气量的调节一般是指调节到低于额定的排气量。 根据用户的不同要求，排气量调节可分为连续调节(排气量连续改变)、间歇调节(只有排气与不排气两种)和分级调
15、节(如分为100%、75%、50%、25% 、0等档次)。 排气量调节的依据是排气量的计算公式Q=，在缸径和行程一定的条件下，利用改变排气系数、转速等方法来实现。调节方式应满足结构简单、工作可靠、经济性好的要求。下面介绍几种调节方法。 1改变转速和间歇停车 由可变速的驱动机驱动的压缩机，可以连续改变转速来调节排量，排气量与转速大小成正比。但由无变频调速器的交流电动机驱动时，就不能无级调速，而采用闻歇停车的方法。停车后不消耗能量，但是频繁的启动与停车使机器的工作条件恶化，一般只适用于微型压缩机或空压机站多台机器运行场合。 2切断进气停止吸入调节 图4-6.3是通过压力调节器控制减荷阀切断进气调节装置。当储气罐内压力超过规定值时，高压气体将调节阀压开，气体经调节阀进入减荷阀的活塞缸内，将活塞往上推，并推动蝶形
