活塞式压缩机设计说明35页

1、活塞式压缩机的设计说明姓名：班级：学号：指导老师：1.题目：复算19WY-9/150型氢氦气压缩机在目前操作条件下的各级压力、排气温度、排气量、功率，作出计算示功图、切向力图、活塞力图、标明最大活塞力与切向力，核算配用电机功率是否适当？2.19WY-9/150型氢氦气压缩机简介19WY-9/150型氢氦气压缩机是我省投产3000吨小型化肥厂的氮氢气压缩机，二列之间为飞轮，由电机通过三角皮带拖动。压缩机为卧式、两列、门型、四线压缩。原料（半水煤气）经脱硫后进入I级，经I级压缩后送去变换、水洗、碳化，碳化后为碳化气。碳化气返回II级、III、IV级压缩后去洗铜、合成。3.目前操作条件与有关数据（1

2、）操作条件：吸气压力：0.15MPa（绝）排气压力：16.0MPa（绝）I级出口与II级进口压力差为DP=0.09MPa吸气温度：级IIIIIIIVTs()30354040I级进口相对湿度F=1（2）气体组成组分N2H2CO2COO2ArCH4半水煤气0.210.390.120.260.0050.00450.0105碳化气0.2370.7090.0050.0290.0030.0050.012（3）有关数据：活塞行程：S=310mm，活塞杆直径d=60mm转速：n=209rpm，连杆长度l=700mm；I、IV列超前II、III列90度往复运动件重量：IIV列210.9kg；IIIII列193.

3、7kg级IIIIIIIV直径D34021013565相对余隙a0.0650.150.160.1抽气系数m10.890.890.89飞轮矩GD2为471.0kgm2，配用电机额定功率：155kw。设计计算一 . 计算各级的行程容积。I级：II级：III级：IV级：二 计算各级名义压力和名义压力比已知 三 排气温度 1 .绝热指数计算首先需算出各气体的绝热指数，查活塞式压缩机附表1常用气体物理性质得：各气体绝热指数组分绝热指数1.401.411.311.401.401.681.32注：表中所列的气体绝热指数为时的参数，但对于理想气体绝热指数的大小与温度的关系不大，顾可不考虑温度的影响，可把k看做是

4、常数。混合气体的k值计算式为：。对于半水煤气来说有1k-1=0.211.40-1+0.391.41-1+0.121.31-1+0.261.40-1+0.0051.40-1+0.00451.68-1+0.01051.32-1 =2.5652k=1.3898同理对碳化气有：1k-1=0.2371.40-1+0.7091.41-1+0.0051.31-1+0.0291.40-1+0.0031.40-1+0.0051.68-1+0.0121.32-1 =2.4627k=1.4061所k1=1.3898 k2=k3=k4=1.4061。 2 计算排气温度 由式可得级次吸气温度排气温度压力比I303442

5、.073.845II308486.374.864III313447.813.456IV313379.871.955四 第一次精度计算 1 各级容积系数 根据过程流体机械表2-1计算膨胀指数m得： 对于理想气体，容积系数 2 计算工况系数C和精度B 由 精度不达标 进行第一次复算五 第一次复算 1. 计算各级进出口压力 由式计算各级压力 2 计算各级压力比 3 确定膨胀系数 根据过程流体机械表2-1计算膨胀指数得： 4 计算容积系数 5 计算工况系数和精度 精度不达标 进行第二次复算六 第二次复算 重复第一次复算步骤 ，列出计算结果如下表 级IIIIIIIV进气压力0.150.53842.325

6、57.0617排气压力0.62842.32557.016716压力比4.18934.31933.03662.2657容积系数0.84940.68960.79730.9211工况常数C0.046200.046620.047860.04858精度B0.950.97八 修正排气温度 由式，可得 级次吸气温度排气温度压力比I303452.814.1887II308467.624.2452III313430.483.0146IV313399.242.3225九 排气量计算 1 容积系数 2 确定压力系数对于第一级，压力系数可取为0.950.98，故取；对于其余各级，压力系数可取为0.981，故取； 3

7、确定温度系数 根据各级压力比，查过程流体机械图2-12可得： ； ； ； 4 确定泄露系数对于泄露系数的选取，有如下规则：对于不严密，延迟关闭的阀门：；对于单作用式气缸的活塞环：；对于双作用式气缸的活塞环：；对于填料，j为级次。泄露系数计算表级次IIIIIIIV气阀I0.02II0.02III0.02IV0.02活塞环I0.009II0.009III0.03IV0.03填料I0.0005II0.00100.0010III0.00150.00150.0015IV0.00200.00200.00200.0020总相对泄漏量0.03400.03350.05350.052泄露系数0.96710.967

8、60.94920.9506 5 综上并且将结果列表如下级次行程容积容积系数压力系数温度系数泄露系数转速n（r/min)I0.054390.84950.970.940.9671 209II0.017040.69570.990.940.9676III0.003560.79930.990.950.9492IV0.001030.91790.990.950.9506 6 计算排气量 由式，并代入上表数据可得 十 计算功率并核算电机功率是否适当 1 计算各级指示功率和总指示功率 计算相对压力损失 根据各级进排气压力，查过程流体机械图2-14可得： 计算实际循环指示功率 由公式 取n1=0.97k1 总指示

9、功率 2 计算轴功率 取机械效率 则轴功率 3 计算驱动机功率 取传动效率 则驱动机功率 考虑到实际运行当中压缩机会受到载荷波动，气体泄漏等因素影响，会引起功率的增加，驱动机因留有的储备功率，故所选用压缩机的功率为,取压缩机功率为1100kW，而配用电机额定功率为155kW ，故不适当。十 示功图绘制示功图及压力指示图是压缩机循环过程在P-V图上的表示，从图中可反映出循环的功耗。在作示功图时，可将膨胀变压和压缩变压过程可看做是绝热膨胀和压缩过程，其体积和压力之间存在着关系式：，C为常数。对于I,II,III,IV级汽缸，其相关参数列表如下：级次IIIIIIIV行程容积0.054390.0170

10、40.003560.00103相对余隙容积0.0650.150.160.1余隙容积0.0035350.0025560.00056960.000103容积系数0.84950.69570.79930.91790.046200.011850.0028460.0009454绝热指数1.38981.40611.40611.40610.057930.019600.004130.001130.02070.007010.00190.000620.0035350.0025560.00056960.0001030.011730.0077460.0012840.000188 利用Matlab画出示功图，图及程序如下

11、：第一级： x1=0.01173:0.00001:0.05793; y1=0.15; x2=0.0207:0.00001:0.05793; y2=0.15*0.057931.3898.*x2.(-1.3898); x3=0.003535:0.00001:0.0207; y3=0.6283; x4=0.003535:0.00001:0.01173; y4=0.6283*0.0035351.3898.*x4.(-1.3898); plot(x1,y1,x2,y2,x3,y3,x4,y4)第二级： x1=0.007646:0.00001:0.01960; y1=0.5383; x2=0.00701:

12、0.00001:0.01960; y2=0.5383*0.019601.4061.*x2.(-1.4061); x3=0.002556:0.00001:0.00701; y3=2.2852; x4=0.002556:0.00001:0.007746; y4=2.2852*0.0025561.4061.*x4.(-1.4061); plot(x1,y1,x2,y2,x3,y3,x4,y4)第三级： x1=0.001284:0.00001:0.00413;y1=2.2852x2=0.0019:0.00001:0.00413; y2=2.2852*0.004131.4061.*x2.(-1.4061

13、);x3=0.0005696:0.00001:0.0019; y3=6.889; x4=0.0005696:0.00001:0.001284; y4=6.889*0.00056961.4061.*x4.(-1.4061); plot(x1,y1,x2,y2,x3,y3,x4,y4)第四级： x1=0.000188:0.00001:0.00113;y1=6.889;x2=0.00062:0.00000001:0.00113; y2=6.889*0.001131.4061.*x2.(-1.4061);x3=0.000103:0.00001:0.00062;y3=16;x4=0.000103:0.0

14、0000001:0.000188; y4=16*0.0001031.4061.*x4.(-1.4061);plot(x1,y1,x2,y2,x3,y3,x4,y4)十一 综合活塞力的计算 综合活塞力为活塞中的气体力、往复惯性力和往复摩擦力的代数和 1 气体力计算 确定盖侧面积和轴侧面积 活塞运动分析活塞的位移公式为： 活塞的加速度为：式中：其中I-IV列运动的角度为，II-III列为，以 II-III列为例，则盖侧对应于气缸容积的活塞当量位移：轴侧对应于气缸容积的活塞当量位移： 计算任意过程中的某处压力 膨胀过程： 吸气过程： 压缩过程： 排气过程： 其中余隙容积的当量行程SC=S* I-IV

15、列 气体力计算 盖侧气体力计算 膨胀过程: 吸气过程： 压缩过程： 排气过程 ：轴侧气体力计算 压缩过程： 排气过程：膨胀过程：吸气过程 II-III列 气体力计算 盖侧气体力计算 膨胀过程:吸气过程 压缩过程 排气过程 ： 轴侧气体力计算 压缩过程： 排气过程 ：膨胀过程: 吸气过程：2 往复惯性力的计算 对I-IV列 其中一阶往复惯性力：=二阶往复惯性力：=3.47 对II-III列一阶往复惯性力：=二阶往复惯性力：=3.18因为一四列超前二三列90，所以=+90 一阶往复惯性力合力： = + = 14.38cos15.66sin 二阶往复惯性力合力：+=3.183.473 往复摩擦力的计

16、算 取，式中为第i列指示功率；为压缩机的机械效率；s为活塞行程，n为压缩机转速 对I-IV列 对II-III列 十二 活塞力图的绘制1）由以上的计算结果，利用matlab绘制I-IV列活塞力图及程序如下：盖侧活塞力程序及Matlab图： a1=0:0.0001:0.5793;b1=-(3.2254./(5.6461-cos(a1)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).(1./2).1.3898+5.5263./(5.7161-cos(a1)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).(1./2).1.4061);a2=0.5793:0.0001

17、:pi;b2=-35.61;a3=pi:0.0001:5.01;b3=-(37.5274./(5.6461-cos(a3)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a3).2).(1./2).1.3898+69.3051./(5.7161-cos(a3)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a3).2).(1./2).1.4061);a4=5.01:0.0001:2.*pi;b4=-108.0774;plot(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4)盖侧活塞力轴测活塞力Matlab程序及Matlab图： a1=0:0.0001:1.84;b1=37.7362./

18、(-3.3861+cos(a1)+4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).0.5).1.3898;a2=1.84:0.0001:pi;b2=55.27;a3=pi:0.0001:3.915;b3=3.2438./(-3.3861+cos(a3)+4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a3).2).0.5).1.3898;a4=3.915:0.0001:2.*pi;b4=13.19;plot(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4)轴测气体力图摩擦力和往复惯性力Matlab程序及Matlab图： 对I-IV列 a1=0:0.0001:2.*pi;b1=

19、16.71;a2=0:0.0001:2.*pi;b2=15.15.*(cos(a2)+0.2214.*cos(2.*a2);plot(a1,b1,a2,b2)摩擦力和往复惯性力图综合活塞力的matlab程序及matlab图： a1=0:0.0001:0.5793;b1=-(3.2254./(5.6461-cos(a1)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).(1./2).1.3898+5.5263./(5.7161-cos(a1)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).(1./2).1.4061)+37.7362./(-3.3861+cos(

20、a1)+4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).0.5).1.3898+16.34;a2=0.5793:0.0001:1.8392;b2=-35.61+37.7362./(-3.3861+cos(a2)+4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a2).2).0.5).1.3898+15.15.*(cos(a2)+0.2214.*cos(2.*a2)+16.34;a3=1.8392:0.0001:pi;b3=-35.61+55.27+15.15.*(cos(a3)+0.2214.*cos(2.*a3)+16.34;a4=pi:0.0001:3.9151;b4=-

21、(37.5274./(5.6461-cos(a4)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a4).2).(1./2).1.3898+69.3051./(5.7161-cos(a4)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a4).2).(1./2).1.4061)+ 3.2438./(-3.3861+cos(a4)+4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a4).2).0.5).1.3898+15.15.*(cos(a4)+0.2214.*cos(2.*a4)+16.34;a5=3.9151:0.0001:5.01;b5=-(37.5274./(5.6461-c

22、os(a5)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a5).2).(1./2).1.3898+69.3051./(5.7161-cos(a5)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a5).2).(1./2).1.4061)+13.19+15.15.*(cos(a5)+0.2214.*cos(2.*a5)+16.34;a6=5.01:0.0001:2.*pi;b6=-108.0774+13.19+15.15.*(cos(a6)+0.2214.*cos(2.*a6)+16.34;plot(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4,a5,b5,a6,b6)综合活塞力图

23、综合活塞力的最大值约在1.8弧度的位置，其大小约为25kN2） 由以上的计算结果，利用matlab绘制II-III列活塞力图及程序如下：盖侧活塞力程序及Matlab图： a1=0:0.0001:0.9934;b1=-79.16.*(0.3./(5.8161-cos(a1)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).0.5).1.4061;a2=0.9934:0.0001:pi;b2=-18.55;a3=pi:0.0001:5.299;b3=-18.65.*(2.3./(5.8161-cos(a3)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a3).2).0.5).

24、1.4061;a4=5.299:0.0001:2.*pi;b4=-79.16;plot(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4)盖侧活塞力轴测活塞力Matlab程序及Matlab图： a1=0:0.0001:1.7926;b1=10.94.*(2.3./(-3.2161+cos(a1)+4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).0.5).1.4061+26.26.*(2.32./(-3.1961+cos(a1)+4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).0.5).1.4061;a2=1.7926:0.0001:pi;b2=125.58;a3=

25、pi:0.0001:4.211;b3=46.44.*(0.3./(-3.2161+cos(a3)+4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a3).2).0.5).1.4061+79.14.*(0.32./(-3.1961+cos(a3)+4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a3).2).0.5).1.4061;a4=4.211:0.0001:2.*pi;b4=37.20;plot(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4)轴测气体力图摩擦力和往复惯性力Matlab程序及Matlab图： a1=0:0.0001:2.*pi;b1=16.71;a2=0:0.0001:

26、2.*pi;b2=14.38.*(sin(a2)+0.2214.*cos(2.*a2); plot(a1,b1,a2,b2) 摩擦力和往复惯性力图综合活塞力的matlab程序及matlab图： a1=0:0.0001:0.9934;b1=-79.16.*(0.3./(5.8161-cos(a1)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).0.5).1.4061+10.94.*(2.3./(-3.2161+cos(a1)+4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).0.5).1.4061+26.26.*(2.32./(-3.1961+cos(a1)+4.

27、5161.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).0.5).1.4061+16.71+14.38.*(sin(a2)+0.2214.*cos(2.*a2);a2=0.9934:0.0001:1.7926;b2=-18.55+10.94.*(2.3./(-3.2161+cos(a1)+4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).0.5).1.4061+26.26.*(2.32./(-3.1961+cos(a1)+4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).0.5).1.4061+16.71+14.38.*(sin(a2)+0.2214.*cos(

28、2.*a2);a3=1.7926:0.0001:pi;b3=-18.55+125.58+16.71+14.38.*(sin(a3)+0.2214.*cos(2.*a3);a4=pi:0.0001:4.211;b4=-18.65.*(2.3./(5.8161-cos(a4)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a4).2).0.5).1.4061+46.44.*(0.3./(-3.2161+cos(a4)+4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a4).2).0.5).1.4061+79.14.*(0.32./(-3.1961+cos(a4)+4.5161.*(1-0.0

29、4903.*(sin(a4).2).0.5).1.4061+16.71+14.38.*(sin(a4)+0.2214.*cos(2.*a4);a5=4.211:0.0001:5.299;b5=-18.65.*(2.3./(5.8161-cos(a5)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a5).2).0.5).1.4061+37.20+16.71+14.38.*(sin(a5)+0.2214.*cos(2.*a5);a6=5.299:0.0001:2.*pi;b6=-78.14+37.20+16.71+14.38.*(sin(a5)+0.2214.*cos(2.*a5); plo

30、t(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4,a5,b5,a6,b6)综合活塞力图综合活塞力的最大值约在1.8弧度的位置，其大小约为135kN。十三、切向力计算及切向力图的绘制由化工机器P72公式得切向力的公式为：式中：为列的综合活塞力，T为切向力由以上公式和已算得的综合活塞力，使用Matlab容易得、列的切向力图： a1=0:0.0001:0.5793;b1=(-(3.2254./(5.6461-cos(a1)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).(1./2).1.3898+5.5263./(5.7161-cos(a1)-4.5161.*(1-0.04903

31、.*(sin(a1).2).(1./2).1.4061)+37.7362./(-3.3861+cos(a1)+4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).0.5).1.3898+16.34).*(sin(a1)+0.2214.*sin(2.*a1)./(2.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).0.5);a2=0.5793:0.0001:1.8392;b2=(-35.61+37.7362./(-3.3861+cos(a2)+4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a2).2).0.5).1.3898+15.15.*(cos(a2)+0.2214.*co

32、s(2.*a2)+16.34).*(sin(a2)+0.2214.*sin(2.*a2)./(2.*(1-0.04903.*(sin(a2).2).0.5);a3=1.8392:0.0001:pi;b3=(-35.61+55.27+15.15.*(cos(a3)+0.2214.*cos(2.*a3)+16.34).*(sin(a3)+0.2214.*sin(2.*a3)./(2.*(1-0.04903.*(sin(a3).2).0.5);a4=pi:0.0001:3.9151;b4=(-(37.5274./(5.6461-cos(a4)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a4)

33、.2).(1./2).1.3898+69.3051./(5.7161-cos(a4)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a4).2).(1./2).1.4061)+ 3.2438./(-3.3861+cos(a4)+4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a4).2).0.5).1.3898+15.15.*(cos(a4)+0.2214.*cos(2.*a4)+16.34).*(sin(a4)+0.2214.*sin(2.*a4)./(2.*(1-0.04903.*(sin(a4).2).0.5);a5=3.9151:0.0001:5.01;b5=(-(37.5274

34、./(5.6461-cos(a5)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a5).2).(1./2).1.3898+69.3051./(5.7161-cos(a5)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a5).2).(1./2).1.4061)+13.19+15.15.*(cos(a5)+0.2214.*cos(2.*a5)+16.34).*(sin(a5)+0.2214.*sin(2.*a5)./(2.*(1-0.049035.*(sin(a5).2).0.5);a6=5.01:0.0001:2.*pi;b6=(-108.0774+13.19+15.15.*(cos

35、(a6)+0.2214.*cos(2.*a6)+16.34).*(sin(a6)+0.2214.*sin(2.*a6)./(2.*(1-0.04903.*(sin(a6).2).0.5);plot(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4,a5,b5,a6,b6)切向力图I-IV列最大切向力出现在约为5.0弧度位置处，其大小约为78kN。由以上公式和已算得的综合活塞力，使用Matlab容易得II-III列的切向力图： a1=0:0.0001:0.9934;b1=(-79.16.*(0.3./(5.8161-cos(a1)-4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).0

36、.5).1.4061+10.94.*(2.3./(-3.2161+cos(a1)+4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).0.5).1.4061+26.26.*(2.32./(-3.1961+cos(a1)+4.5161.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).0.5).1.4061+16.71+14.38.*(sin(a2)+0.2214.*cos(2.*a2).*(sin(a1)+0.2214.*sin(2.*a1)./(2.*(1-0.04903.*(sin(a1).2).0.5);a2=0.9934:0.0001:1.7926;b2=(-18.55+10.94.*(2.3./(-3.2161+cos(a1)+4.5161.*(1-0.04903