【2017年整理】8往复式压缩机

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1、1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 81 2D6.5-7.2/150 型压缩机1段气缸；2段组合气阀；3-段活塞；4段气缸；5段填料盒；6十字头；7机体；8连杆；9曲轴；10带轮；11段填料盒；12段气缸；13-段活塞；14段气缸；15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2塞杆、气缸、活塞和活塞环、填料、气阀、冷却器和油水分离器等

2、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，01 为进气过程。然后活塞向左移动，自1 绝热压缩至 2，12 为绝热压缩过程。最后将压力为 p2的气体等压排出气缸，23 为排

3、气过程。过程 01230 便构成了压缩机理论循环。图 82 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；311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，m 2； S 为活塞行程，m。图 83 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 01230 所围区域的面积，即进气过程中气体对活塞所作

4、的功 p1V1相当于 00110 所围的面积；压缩过程中活塞对气体所作的功相当于 11221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 01230 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4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

5、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；

6、图 8-4 压缩机的实际循环5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 12301 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

7、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。64.作用力的分析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 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

8、气缸轴线摆动的，它和气缸轴线间摆动的夹角为 ，故传递到连杆上点 A 的作用力 PL=P/cos ，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=Ptg 。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 Nm；另一个作用是使曲轴的主轴颈在主轴上产生一个作用力 PL。 PL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=PLsin =Ptg ，水平方向分力P=PLcos 。此外主轴承上还作用有离心力 Ir。5.惯性力的平衡作用在主轴承上的活塞力

9、 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sin( + ）cos7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

10、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 I

11、1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

12、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 。88.2 往复式压缩机的分类1.按排气压力分类(1)低压压缩机 0.2P0.98MPa(2)中压压缩机 0.989.8MPa(3)高压压缩机 9.898.0MPa(4)超高压压缩机 98.0MPa2.按消耗功率分类(1)微型压缩机 10kW(2)小型压缩机 10100kW(3)中型压缩机 100500kW(4)大型压缩机 500kW3.安排气量分类(1)微型压缩机 1m 3/min(2)小型压缩机 110m 3/min(3)中型压缩机 1060m 3/min(4)大型

13、压缩机 60m 3/min4.按气缸中心线的相对位置分类 见图 8-6。9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

14、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。10(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

15、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11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