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1、第三章 往复活塞式压缩机,压缩空气的基础知识,空气是气态的，包裹着整个地球，对任何东西都存在着压力。 实际的空气压力与我们所处的海拔位置有关系。,压缩空气的基础知识,压缩: 将空气汇聚在一起或强迫空气进入一个小的空间内。 空气： 无色无味的气体混合物。其中氮气占78%,氧气占 21。 当压缩后的空气被人为控制时，它就能被用来进行做功。,压缩空气的基础知识,压缩空气是一种储存的能源. 储存在左侧图中的气球内的压缩空气的能量等于使气球膨胀所需要的能量 如果一定量的空气所在的空间体积变小的话， 空气的压力就会增加。 对于容积式空气压缩机，压缩空气是这样得到的：迫使空气进入一个更小体积的空间内，从而提
2、升压力得到压缩空气。 把气球一放飞，气球就开始慢慢释放能量了， 一点一点，直到所有的气都放掉。这个能量等于使它膨胀的能量。,压缩空气的基础知识,为什么工厂需要压缩空气? 动力能源用气: 压缩空气是个非常好的媒体，能够储存和传输能量，从而驱动很多的生产工具做功！ 生产过程用气： 压缩空气被作为一种生产过程的重要组成部分(比如. 化工，医药，发酵 等.),压缩空气的基础知识,动力能源用气 压缩空气的能量被用来驱动气动的生产设备！(比如.空气马达, 气动阀门，气枪，气锤. 等） 在铸造生产中用来冷却产品或零部件。 吹扫废渣，废料，清洗零件。,压缩空气的基础知识,生产过程用气 压缩空气是完整的生产过程
3、中的一部分，是会接触到产品的！ . 化工 医药 食品和饮料 通风和搅拌 半导体 & 电子 医疗用气,3.1概述 3.2活塞式压缩机的热力学基础 3.3活塞式压缩机动力学 3.4活塞式压缩机的总体结构 3.5活塞式压缩机的主要零部件结构简介 3.6活塞式压缩机的运转,3.1概述,3.1.1压缩机的应用与分类,压缩机,容积式压缩机,往复式压缩机,回转式压缩机,活塞式压缩机,滑片式压缩机,螺杆式压缩机,涡旋式压缩机,透平式压缩机,离心式压缩机,轴流式压缩机,单螺杆,双螺杆,3.1.1.1容积式压缩机,容积式压缩机的定义： 是指依靠气缸工作容积的周期性的变化来压缩气体，以达到提高气体压力的流体机械。,
4、改变工作腔容积的方式有两种：,靠活塞的往复运动,往复式压缩机,靠“活塞”或叫“转子”的旋转运动,回转式压缩机,螺杆压缩机,双螺杆,单螺杆,滑片式压缩机,涡旋式压缩机,3.1.1.2 透平式压缩机,定义 靠机内做高速旋转的叶轮将能量传给气体，使气体的压力和速度都有所提高，并通过扩压元件把气流的动能转换成所需的压力能的流体机械。,根据机内气流的方向不同，速度式压缩机分以下两种：,气流离心方向运动,离心式压缩机,气流流动方向与主轴平行,轴流式压缩机,离心压缩机,轴流压缩机,3.2活塞式压缩机的热力学基础,3.2.1基本热力状态参数 （1）温度：绝对温度（k） （2）压力：绝对压力（Pa） （3）比体
5、积：每单位质量气体所占的容积，以 表示。,3.2.2 理想气体的状态方程式 理想气体的定义：不考虑气体分子之间的作用力和分子本身所占有的体积的气体。,R气体常数 V 质量为G的气体的体积,3.2.3 压缩机的理论循环,3.2.3.1往复式压缩机的组成部分,a.工作腔部分：气缸、活塞、气阀。 b.传动部分：连杆、曲轴、十字头。 c.机身部分：用于支撑（或连接）气缸与传动部分和其他辅助部分。 d.辅助设备：比如润滑系统（油泵、注油器）、冷却系统、控制检测系统。,活塞,活塞环、曲柄、连杆,3.2.3.2压缩机级的理论循环,级：被压缩气体进入工作腔内完成一次气体压缩称为一级。 一个工作循环：每个级完成
6、进气、压缩、排气过程、称为一个工作循环。 如果一个工作循环，具备以下特征（5条）则称这样一个工作循环为理论循环。 气缸内无余隙容积，腔内的气体在压缩终了时被全被排出； 气体通过气阀时，无压力损失； 在吸气和排气过程中，气缸内气体的温度不变； 气体压缩过程指数为定值； 气体无泄漏；,具备以上特征的往复压缩机级的理论循环指示图如下:,图3-1,进气过程：4-1，是等压过程，因而过程线为一水平线（由外止点到内止点） 压缩过程：1-2，从内止点开始，到达到排气压力时停止，过程指数为一个定值，即该曲线是一个等指数曲线。 排气过程：2-3，是等压过程，过程线为一水平线，从排起点开始到外止点结束。 那么指示
7、图中4-1-2-3-4成为压缩机的理论循环。,几个概念： 止 点：极限位置称为止点，（靠近主轴侧为内止点） 回 程：向内止点运动。 去 程：向外止点运动。 行 程：外止点与内止点之间的距离。,3.2.3.3压缩机级的理论循环指示功,从高等数学的知识可知，图3-1种封闭曲线4-1-2-3-4所包围的面积即为完成该循环所需的外功，我们把该外功成为指示功。图2-1可称为指示功图。,3.2.4级的实际循环,（1）余隙容积的影响：从图中体现的指示图上有一个膨胀过程,cd 气阀的影响： 使进排气过程有压力损失，而且压力有波动。 热交换的影响：过程指数m不是一个定值 气体泄漏 的影响 ：压缩过程线更平 实际
8、气体的影响：实际气体与理想气体的差别也给压缩机的循环带有影响,压缩机级的实际循环指示功,那么实际过程循环指示功就可以看作是两个理论循环指示功的差：,气缸理论的循环吸气量,行程容积,膨胀容积,容积系数,余隙容积,其中：,由膨胀过程方程,即：,得到：,所以：,令：,称作相对余隙容积,这样 ：,定义：,名义压力比,推导,分析容积系数的影响因素,相对余隙容积的影响 越小越有利,压力比的影响 越小越有利:一般单级压比小于4,膨胀指数的影响 越大越有利,3.2.5气缸实际的吸气量,理论循环的吸气量=行程容积,实际循环的吸气量行程容积,气缸实际的吸气量,m3/min, m3/h,3.2.6压缩机的排气量（表
9、征压缩机的大小）,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.(m3/min,m3/h),排气量的计算,一般：排气量=吸气量-泄漏量,泄漏系数,排气系数,额定排气量：是指在进口状态为0.1MPa，气体温度为 ，的排气量,当被压缩气体中含有水蒸气时，或者压缩循环过程中有除去和加入的气体时，应进行折算,（1）进气压力：随着吸气压力提高而提高，降低而降低 （2）进气温度：降低吸气温度可提高吸气量 （3）转速的影响：提高转速可增加排气量 （4）余隙容积的影响：减小余隙容积可增加排气量 （5）泄漏的影响：减少泄漏可增加排气量,影响排气量的因素：,3
10、.2.7压缩机的功率和效率,3.2.7.1指示功率: 单位时间内活塞对气体所做的功。,3.2.7.2效率（衡量压缩机的经济性）,（1）指示效率: l理论循环指示功率与实际循环指示功率之比 等温指示效率 绝热指示效率 （2）机械效率：指示功率与轴功率之比 （3）传动效率：轴功率与电机的输出功率之比,小结压缩机的技术参数,进气压力、排气压力 吸气量、排气量 吸气温度、排气温度 压力比 功率 效率,3.2.8多级压缩,定义：将气体在压缩机的几个气缸中连续依次地进行压缩，并在进入下一级气缸之前，将气体导入中间冷却器进行等压冷却。,3.2.8.1采用多级压缩的理由 （1）节省功率的消耗,经一级压缩达到排
11、气压力所需功耗为 经二级压缩达到排气压力所需功耗为 这样省功为,之所以省功，就是因为采用了中间冷却，若冷却不完善无法将气体温度降至名义气体温度，那么将比完全冷却的功耗大。,冷却后容积减少,活塞力：活塞在止点时所受的最大气体力,可以降低排气温度,由上式可以看出，采用多级压缩降低了每级的压力比，进而降低了排气温度,为什们要控制排气温度呢？,对于有油润滑的压缩机：排气温度过高，会导致润滑油性能恶化，粘度降低，或形成积炭现象，甚至爆炸。 对某些特殊气体，因排气温度过高，还会产生腐蚀或爆炸。 对于无油润滑的压缩机：用于密封的自润滑材料的最适宜工作温度也有限制。,提高容积系数：提高气缸容积的利用率。,降低
12、活塞力,由于两图中的吸气量相同、活塞的行程相同，所以,第一级与第二级吸气温度相同，所以吸气终了时：,结论,理论上讲，级数越多越省功，但级数过多会造成压缩机结构复杂，同时机械摩擦损失。流动损失会增加，设备的整体尺寸、重量会增加，维修费用大，所以，应合理选择级数。 级数的选择原则： （1）对于长期运转的大中型压缩机：以最省功为原则 （2）对于间歇使用的小型压缩机及交通运输用的压缩机：在允许的排气温度内，尽量采用较少的级数以减轻重量。 （3）对特殊气体为工质的压缩机：取决于每级允许达到的排气温度。 （4）化工用压缩机：与工艺流程密切相关，一般每级的压力比不宜超过4。,3.2.8.2级数的选择和压力比
13、分配,压力比分配,最佳压力比：按最省功原则，常取各级压力比相等,各组压力比的分配，要考虑级间的压力损失,3.2.8.3各级行程容积及缸径的确定,多级压缩机各级气缸的行程容积随着压力的递增依次减小。 （1）经压缩后压力升高，体积减少（2）水蒸汽的凝析（3）中间抽气,可由行程容积确定气缸的直径。,第一级气缸的行程容积,任意i级的工作容积:按照前一级排出的气体要被下一级吸进的原则。,对于单作用气缸：,对于双作用气缸：,3.3活塞式压缩机动力学,压缩机运转时，会产生各种作用力，由此就会形成各种力矩，因而就涉及到力和力矩的平衡问题。,压缩机中的作用力 压缩机在正常运转时，产生的作用力主要有三类： （1）
14、惯性力 （2）气体力 （3）摩擦力,3.3.1曲柄连杆机构的运动,设任意时间点A的位移为x 则,旋转运动中心,往复直线运动中心,C,3.3.2曲柄连杆机构运动惯性力的分析,3.3.2.1质量的换算,质量的简化：习惯上把压缩机运动零件的质量按它们的运动情况简化成质点。,简化结果,往复运动的质量,旋转运动的质量,惯性力： 产生原因：各种运动零件作不等速运动或作旋转运动。 分类： 往复惯性力 由往复质量的不等速运动引起的惯性力。 旋转惯性力 由旋转质量的转速运动引起的惯性力。,3.3.2.2惯性力的计算,（1）往复惯性力,（2）旋转惯性力,分析,惯性力的大小与转速的平方成正比。,3.3.3气体力,定
15、义：气缸内气体压力形成的作用力,特点：同时作用于气缸盖和活塞端面，大小相等，方向相反。,3.3.4摩擦力,接触面相对一定产生的摩擦力，分为旋转摩擦力和往复摩擦力。由于其大小变化规律复杂，且比惯性力和气体力小得多，所以可视为常数；方向与运动方向相反。,总活塞力=气体力+往复惯性力+往复摩擦力,3.3.5主要零部件受力分析,活塞： 综合活塞力,十字头：,连杆： 二力杆,曲柄轴：,3.3.6机身和基础受力及力矩情况分析,(1)气体力： 作用在气缸盖上；,它与运动构件受到的往复摩擦力构成作用力与反作用力，不传递给基础。,机身所受到的力有：,与轴承支反力的法向分量大小相等，方向相反。但两者不作用在同一条
16、自线上，形成倾覆力矩。,它与活塞端面受到的气体力构成作用力与反作用力，不传递给基础。,(2)摩擦力： 在气缸镜面、十字头滑道、填料函处受到运动构件的往复摩擦力。,(3)侧向力： 由十字头垂直压向滑道；,(4)主轴承座受到的主轴传来的力,一个和连杆力相等，另一个与旋转惯性力相同。,总的作用效果：,将轴承座处的力分解,沿气缸中心线方向,垂直气缸中心线方向,对于机身来说：,沿气缸中心线方向:只有往复惯性力作用于基础。,垂直气缸中心线方向：形成倾覆力矩,与阻力矩相等，但方向相反。,还作用着方向时刻变化的旋转惯性力,对于基础： （1）机器重量 （2）惯性力 （3）倾覆力矩和摩擦力矩 （4）原动机产生的驱动力矩的反力矩,引起机器的震动和摇摆,3.3.7惯性力平衡,2019/10/18,第2章,66,2019/10/18,第2章,67
