过程流体机械课件-过程装备要控制工程-容积式压缩机2

1、过程流体机械山东科技大学机械电子工程学院YOUR SITE HERE第二章 容积式压缩机主 要 内 容一 往复压缩机概述二 往复压缩机的工作过程三 热力性能四 动力性能五 气阀和密封六 调节方式及其控制七 选型八 回转式压缩机YOUR SITE HERE四 动力性能曲轴连杆机构的运动分析往复运动：活塞组件（活塞、活塞杆、十字头等）平面摆动： 连杆旋转运动： 曲轴YOUR SITE HERE1. 压缩机中的作用力（1）惯性力 原因：运动件的不等速往复运动；不平衡旋转 求解：运动件的质量 加速度 惯性力（2）气体力 气缸内气体压力随曲柄转角而变化 作用在活塞上的气体力为：（3）摩擦力 摩擦力大小随

2、曲轴转角而变化，方向与运动方向相反 摩擦力比惯性力和气体力要小的多，可不予考虑。四 动力性能YOUR SITE HERE2. 机构运动简化运动件的质点简化： 活塞组件：活塞销或十字头销中心点mP 曲柄：曲柄销中心点mc 连杆：大头和小头的轴承中心mlml四 动力性能YOUR SITE HERE质量简化： 往复运动总质量：ms=mP ml 旋转运动总质量：mr=mc +mll ： 连杆长度r ：旋转运动半径四 动力性能YOUR SITE HEREA：外止点D：内止点：连杆的摆角l：连杆长度r：曲轴半径 ：曲轴的角速度 ：曲轴的转角 x：活塞的位移曲轴连杆机构的运动示意图四 动力性能YOUR SI

3、TE HERE活塞位移x ：活塞速度v ：活塞加速度a：（1）惯性力计算 3. 各作用力计算四 动力性能YOUR SITE HERE旋转惯性力 FIr ：往复惯性力 FIs ：方向 ：始终作用于气缸轴线方向，大小呈周期性变化。方向 ：始终沿曲柄半径方向向外，大小不变。注意 ：在两止点处，惯性力最大；且一阶惯性力比二阶大很多。 压缩机转速改变时，应重视惯性力对压缩机的影响。四 动力性能YOUR SITE HERE（2）气体力计算注意 ：ps侧可能为双作用或级差式气缸的工作腔气体压力，也可能是大气压或平衡腔压力。 气缸工作腔的气体压力随曲轴转角而变化。（3） 摩擦力计算 摩擦力Ff 较气体力和惯性

4、力小得多，可忽略不计；也可按经验计算（见教材式256和257）。四 动力性能YOUR SITE HERE3. 作用力的合成（1）综合活塞力 气体力Fg、往复惯性力FIs、往复摩擦力Ffs都沿气缸中心轴线作用，其合力称为综合活塞力FP ：注意 ： 当压缩机在止点位置时，Fp通常被称为最大活塞力，但不是最大综合活塞力。 分析压缩机零部件强度时，常用最大活塞力来计算。四 动力性能YOUR SITE HERE连杆力 ：侧向力 ：综合活塞力Fp在十字头销中心A的作用：（2）力的分析四 动力性能YOUR SITE HERE连杆力Fl 对曲轴： 主轴承上的力Fl：分解为水平分力 FN和垂直方向分力FP 阻力

5、矩My：侧向力 FN ：作用于主轴承上的离心力 FIr：作用力的进一步分析：侧覆力矩MN：作用于主轴承中心，方向与曲轴旋转方向相反作用于压缩机机身上，方向与曲轴旋转方向相同四 动力性能YOUR SITE HERE4. 各力对压缩机的作用（1）气体力内力（2）惯性力自由力（3）侧覆力矩自由力矩（4）阻力矩： 气体力只使气缸和机身等部分、以及它们之间的连接螺栓等承受拉伸或压缩载荷，在机器内部被平衡，称为内力。往复惯性力和旋转惯性力都能引起机器振动多列、平衡重侧覆力矩能造成机器振动和驱动机构成整体或处于同一基础 在每一转的每一瞬间，会使主轴产生短暂的加速和减速现象可增加飞轮平衡四 动力性能YOUR

6、SITE HERE（1）旋转惯性力的平衡平衡重平衡重的质量：（r0为平衡重质心的回转半径）5. 惯性力的平衡四 动力性能YOUR SITE HERE（2）往复惯性力的平衡对动式结构对动式压缩机特点： 曲柄错角180； 两组运动件的运动关于主轴中心线对称； 往复惯性力和离心惯性力都相互抵消。四 动力性能YOUR SITE HERE（3）阻力矩的平衡利用飞轮增大转动惯量四 动力性能YOUR SITE HERE五 气阀和密封气阀1. 气阀组件（1）气阀结构：进气阀与排气阀的结构基本相同。组成：阀座、阀片、弹簧、升程限制器（阀盖）为降低阀片对升程限制器的撞击速度，网状阀通常设置缓冲片YOUR SITE

7、 HERE（2）气阀的工作原理颤振现象：若弹簧力过强，阀片容易在阀座与升程限制器之间跳动。导致阻力损失增加、气阀寿命缩短。滞后现象：若弹簧力过弱，当活塞接近止点位置时，阀片不能及时回落至阀座上。导致泄漏、噪声、气阀寿命缩短。五 气阀和密封气阀YOUR SITE HERE环状阀片网状阀片（3）阀片的类型环状阀片： 结构简单，抗疲劳性好；各环独立，存在不同步现象。网状阀片：形状复杂，加工困难；无不同步现象，但需设置导向部件（有摩擦网状阀）或缓冲片（无摩擦网状阀）。五 气阀和密封气阀阀片材料： 金属加工困难。 非金属（PEEK）成型容易，承压能力和耐高温有限。YOUR SITE HERE（4）对气阀

8、的要求 气阀开闭及时，关闭时严密不漏气；(颤振、滞后) 气流通过气阀时，阻力损失小； 气阀形成的余隙容积小； 气阀使用寿命长（阀片破损、弹簧断裂）； 结构简单，互换性好。五 气阀和密封气阀2. 压缩机常用气阀（1）环状阀（2）网状阀（3）碟状阀：小型高压压缩机（4）菌状阀：适用于压力损失较小场合YOUR SITE HERE1. 密封原理和方式流体通过间隙时，单位时间内的泄漏量：（1）节流密封：降低压降（2）阻塞密封：堵塞泄漏通道五 气阀和密封密封YOUR SITE HERE（1）活塞环五 气阀和密封密封2. 活塞环的密封切口及截面YOUR SITE HERE（2）密封原理活塞环密封原理：节流为

9、主多环密封环 阻塞为辅两个密封面五 气阀和密封密封活塞环数量：一般3环以上，其中第1环承受的压差最大，磨损最严重YOUR SITE HERE3. 填料密封（1）密封原理填料密封原理：阻塞为主填料 节流为辅平面填料切口五 气阀和密封密封平面填料密封：三瓣式切口轴向泄漏、六瓣式主要密封元件、 弹簧预紧作用YOUR SITE HERE六 调节方式及其控制1. 气量调节要求及原理（1）气量的调节要求（2）气量的调节原理 调节方式：连续调节、分级调节或间断调节； 调节工况经济性好； 调节系统结构简单，安全可靠，操作方便。理论基础： Vs无法改变（气缸直径和行程无法改变）； 转速n可以改变； 各系数可以改

10、变，但改变T的经济性差，不采用。YOUR SITE HERE2. 气量调节方法（1）转速调节改变转速n适用范围： 由内燃机、蒸气机或调速电机驱动的压缩机。 优点： 可实现间断、分级、连续调节；调节工况比功率消耗小，经济性最好；压缩机各级压力比保持不变；不需设专门的调节机构。 缺点： 受原动机性能的限制，调节范围有限；转速变化会影响气阀的工作性能；噪声、振动增加。六 调节方式及其控制YOUR SITE HERE（2）管路调节 进气节流 利用装在进气管路上的节流阀，适当增加管路阻力，通过减少吸气量来减少排气量，可实现连续调节气量。优点：结构简单，常用于手动调节，可适于80100小范围内的连续气量调

11、节。调节原理：减小压力系数P 六 调节方式及其控制缺点：单位质量排气量的功耗增加；多级压缩的级间压力比重新分配，容易影响活塞力和排气温度。YOUR SITE HERE 切断进气 利用装在进气口上的减荷阀阻塞进气管路，使容积流量为零。可实现气量间断调节。减荷阀调节原理：当压缩机排气量大于用气量，储气罐压力升高，气体将压力调节器上的调节阀顶开，进入减荷阀下面的小气缸，将活塞顶起，使阀门关闭，从而进气为零，排气为零。当排气系统压力降到某一限定值时，减荷阀重新开启，恢复正常进气量。六 调节方式及其控制优点：功耗小，经济性好。缺点：末级压力比增加，排气温度增加；启动困难。YOUR SITE HERE自由

12、连通调节原理：旁通阀全部开放，压缩机排出的气体全部自由流回进气管，使排气量为零，属于间断调节。注意：该方法可用于大型压缩机的启动释荷。为了防止储气罐气体倒流，在排气管与旁通管的连接处到储气罐之间应设逆止阀。 进、排气管连通 利用旁通管路和旁通阀将排气管与进气管相连。调节时打开旁通阀，进、排气管相通，气体流回进气管，实现气量调节。包括自由连通和节流连通两种调节方式。节流连通调节原理：旁通阀部分开启，使排气管中部分高压气体节流回到进气管，可根据旁通阀的开度在100至零范围内调节气量，属于连续调节。注意：此调节方式结构简单，但节流损失较大，不经济。六 调节方式及其控制YOUR SITE HERE（3

13、）压开进气阀调节 利用压开装置把进气阀强制压开，使压缩机吸进的气体在压缩过程中仍回入进气管，实现气量调节。调节原理：增加泄漏量，即减小泄漏系数l优 缺 点：该调节方法的经济性好，但因进气阀阀片受到额外载荷，故寿命较短，密封性较差。大中型压缩机作卸荷或空载启动时，常用该方法。六 调节方式及其控制YOUR SITE HERE伺服器压开进气阀的驱动机构活塞式：2压开叉；3弹簧；4活塞隔膜式：6隔膜；7顶杆六 调节方式及其控制YOUR SITE HERE全行程压开进气阀间断调节 在全部压缩行程中进气阀始终处于强制压开状态，使吸进的气体全部回出，容积流量为零。部分行程压开进气阀连续调节 利用电磁、液压或

14、气动控制装置或弹簧作用，使进气阀在部分压缩行程中处于强制压开，其余行程中气阀被关闭，从而实现不同流量的调节。六 调节方式及其控制YOUR SITE HERE（4）连通补助余隙容积 在压缩机气缸外设一空腔，当需要调节气量时，使此空腔与气缸接通，增加余隙容积来调节气量。调节原理：减小容积系数v优点：这种调节方法基本上不消耗功，结构也较简单，操作方便可靠，大型压缩机常用。六 调节方式及其控制YOUR SITE HERE 固定补充余隙容积分级调节 可变补充余隙容积连续调节六 调节方式及其控制YOUR SITE HERE3. 调节系统 手动调节 自动调节：适用于频繁调节场合 主令机构调节器：发出调节指令

15、 传动结构气体、液体、电磁等：转化调节指令 执行机构伺服器、调节机构等：执行调节动作六 调节方式及其控制YOUR SITE HERE七 选 型压缩机装置的选型 结构性能选型 压缩机结构型式、使用性能、适应性的选择 技术参数选型 工艺流程参数 计算 压缩机参数 选择YOUR SITE HERE1. 压缩机的分类（1）按排气压力：低压、中压、高压、超高压（2）按容积流量：微型、小型、中型、大型（3）按级数：单级、两级、多级七 选 型低压：小于1MPa 中压：110MPa高压：10100MPa 超高压：大于100MPa微型：小于1m3/min 小型：110m3/min中型：10100m3/min 大

16、型：大于100m3/min（4）按冷却方式：风（空）冷压缩机、水冷压缩机YOUR SITE HERE（5）按气缸位置（气缸中心线位置） 立式压缩机 卧式压缩机：一般式、对动式、对置式 角度式压缩机：L型、V型、W型、扇型、星型七 选 型立式压缩机立式压缩机YOUR SITE HERE一般卧式压缩机对动式压缩机对置式压缩机气缸分布在曲轴两侧，但两侧活塞运动不对称气缸分布在曲轴两侧，两侧活塞运动对称七 选 型卧式压缩机YOUR SITE HERE七 选 型整体框架式十字头的对置式压缩机非对称平衡的对置式压缩机YOUR SITE HERE七 选 型角度式压缩机X 型（星型）压缩机YOUR SITE

17、HERE电动机H 型压缩机M 型压缩机电动机位于各列之间的对置式或对动式压缩机电动机位于轴端的对置式或对动式压缩机七 选 型多列压缩机（四列级以上）YOUR SITE HERE列数或重数结构代号功率机器特征额定排气量额定排气压力2. 容积式压缩机型号编制方法（附录1） 列数或重数：当数字为1时，可省略;重数是对L、V、W型而言； 结 构 代 号：见教材245页附表11; 额 定功 率：微型压缩机的配套电机的额定功率值，单位kW; 机器特征代号：见教材245页附表12； 额 定 排 气 量：单位m3/min； 额定排气压力：单位105Pa。举例：V2.2D0.25/7；2VY6/7七 选 型YO

18、UR SITE HERE3. 压缩机结构性能选型（1）结构型式选择选择原则：满足使用条件要求，便于操作与维修；压缩机动力平衡性好：即惯性力平衡性能好，切向力较均衡，机器运转平稳；结构紧凑，占地面积小；压缩机产品便于变型，制造方便。七 选 型YOUR SITE HERE立式压缩机：优点：占地面积小；活塞自重不作用在缸壁上，摩擦与磨损均匀，密封及润滑易保证；基础可承受一定往复惯性力。缺点：机身太高，要求厂房高，操作维修不方便；管道不易布置；多级曲轴较长；振动大。应用：一般用于中、小型或微型压缩机。卧式压缩机：优点：高度低，操作和维修方便；管道容易布置，改型较容易。缺点：占地面积大；活塞重量支撑在气

19、缸上。应用：一般应用于大、中型压缩机。七 选 型YOUR SITE HERE对动式压缩机：动力平衡性好，应用普遍对置式压缩机：运转较平稳，主要用于超高压压缩机七 选 型YOUR SITE HERE角度式压缩机：优点：结构紧凑，占地面积小；曲轴结构简单（每个曲拐上装有多个连杆）。缺点：大型角度式压缩机高度大；往复运动件易产生偏磨。应用：一般应用于中、小型及微型压缩机。七 选 型有无十字头压缩机：无十字头：结构简单紧凑；活塞环泄漏量大，活塞与气缸间摩擦磨损严重，无法实现无油压缩。只适用于小功率场合。有十字头：结构复杂，增加了易损件，需要填料密封。适用于无油压缩、大中型压缩机。YOUR SITE H

20、ERE（2）列数及级的配置列数的选择原则：为获得较好的动力平衡性能，列数以等于或多于2列为宜；微型的低压或高压压缩机，采用单列结构；列数需视气量大小、压力高低等而定。级在列中配置的基本原则：通常每列配置12级，最多配置3级；各列活塞力要均衡（双作用式、级差式、平衡腔）；尽量减少气体泄漏量，相邻容积压力差要小，减少活塞环泄漏；靠近曲轴一侧配置较低压力级，以利于填料密封；尽量使各列惯性力和惯性力矩抵消，获得较好的动力平衡性；制造和装配要方便。七 选 型YOUR SITE HERE 活塞平均速度定义：即曲柄每转一转，活塞所走距离与时间之比。即：活塞平均速度对压缩机性能的影响： 对压缩机摩擦副耐久性的

21、影响； 对气阀的影响。七 选 型（3）几个重要的结构参数YOUR SITE HERE 转速压缩机的转速可表示为（忽略活塞杆的影响）：注意： 压缩机结构相似情况下，不同容积流量时转速不同；转速n影响压缩机的制造、成本及动力性能;设计压缩机时，根据确定的结构方案、容积流量及第一级的排气系数，选取适当的vm、，即可计算n。其中：s/D1，D1为第一级气缸直径 z1：第一级汽缸数 i：单作用为1，双作用为2七 选 型YOUR SITE HERE 气缸直径单作用式气缸直径可表示为：双作用式气缸直径可表示为：注意： 计算所得的气缸直径均应圆整为气缸系列的标准直径； 圆整后的气缸直径会影响压力比分配，可调整

22、某级的相对余隙容积值来保证压力比维持不变。七 选 型YOUR SITE HERE气缸的公称直径（mm）七 选 型YOUR SITE HERE4. 压缩机技术参数选型热力计算（1）选型的三种类型：新建厂的压缩机选型计算 以工艺流程要求为准，核算压缩机的热力参数是否符合要求。扩建厂的压缩机选型计算 更换新机或增加台数来满足气量增大的要求。技术改造的选型与改型计算 参照原有压缩机的运行指标，进行改型计算。七 选 型YOUR SITE HERE（2）明确工艺流程的原始计算数据气体的性质（可否简化为理想气体等）和吸气状态（进气压力和进气温度、相对湿度等）；根据生产规模或流程需要确定总供气量；确定需要的排

23、气压力（终了压力、级间压力、压力损失等）；考虑排气温度要求（尤其对排气温度有严格要求的情况）；确定单机容积流量。七 选 型YOUR SITE HERE（3）热力计算正常热力计算的步骤：初步确定级数、各级的压力比和各级的名义压力；计算各级的容积效率、析水系数等；计算各级气缸行程容积、气缸直径；计算各级的实际压力和压力比；计算各级活塞力；计算各级排气温度；计算各级功率和效率确定驱动机的总功率七 选 型YOUR SITE HERE复算性热力计算步骤：计算各级行程容积；计算与容积流量有关的系数：容积系数、压力系数、温度系数、泄漏系数、抽气系数、析水系数等；复算级间压力及压力比；检验复算精度：按照每一转的吸气量相等的原则。七 选 型YOUR SITE HERE八 回转式压缩机1. 螺杆压缩机（双螺杆压缩机）（1）组成结构机壳阴、阳螺杆滑动轴承推力轴承轴封同步齿轮冷却系统（湿式）YOUR SITE HERE（2）工作过程：吸气（封闭） 、