ZW天然气压缩机

PAGEPAGE29课程设计说明书题目:ZW-5/1-15天然气压缩机设计 院（部）：机械工程学院专业班级：学号：学生姓名：指导教师：2012年6月7日安徽理工大学课程设计（论文）任务书机械工程学院（部）过控教研室学号2010305734学生姓名专业（班级）题目ZW-5/1-15天然气压缩机设计设计技术参数V型，无油润滑式，额定排气量2.5m3/min，额定吸气压力.02MPa，额定排气压力4MPa,天然气压缩机。第一级进气温度：20℃，第二级进气温度：25℃，吸入气体的相对湿度：。设计要求1热力计算：结构方案选择，压力比非配，活塞力的计算，选择电机。2动力计算：综合活塞力图。3曲轴与连杆的计算4图纸：曲轴与连杆零件图各一张工作量要求课程设计说明书页数不少于20页，并附有曲轴与连杆零件图各一张。工作计划5.28-5.30进行热力计算，5.31-6.4进行动力计算，6.4-6.7进行曲轴与连杆的计算，5.8-5.10画出曲轴与连杆的零件图参考资料PaulC.Hanlon.压缩机手册[M].郝点,译.北京:中国石化出版社,2003.高慎琴.化工机器[M].北京:化学工业出版社,1992.李云，姜培正．过程流体机械[M]．北京：化学工业出版社，2008郁永章，陈洪俊.容积式压缩机技术手册[M].北京：机械工业出版社，2000.指导教师签字教研室主任签字目录第一章概述 41.1压缩机的分类及命名 41.2压缩机的基本结构 51.3活塞压缩机的优点 51.4活塞压缩机的缺点 51.5活塞式压缩机的工作原理 6第二章总体设计 62.1设计活塞式压缩机应符合以下基本原则 62.2压缩机的驱动 62.3压缩机的转速和行程的确定 62.4压缩机的设计条件及要求 7第三章热力计算 83.1结构形式与方案选择 83.1.1计算总压力比 83.1.2选择级数 83.1.3压力比分配 83.2确定汽缸直径 83.2.1计算容积系数 83.2.2确定压力系数 93.2.3确定温度系数 93.2.4确定泄露系数 93.2.5确定容积效率 93.2.6确定析水系数 103.2.7确定各级行程容积 103.2.8确定各级汽缸直径，行程和实际行程容积 103.3计算活塞力 113.3.1修正各级公差压力 113.3.2修正后各级排气温度 123.3.3计算汽缸实际吸排气压力 123.3.4活塞力的计算 133.3.5计算轴功率并选配电机 13第四章动力计算 144.1计算第一列的惯性力 154.2计算各列摩擦力 164.2.1往复摩擦力 164.2.2旋转摩擦力 164.3计算第I列气体力 174.3.1第I级盖侧的气体力 174.3.2一级轴侧的气体力 194.3.3计算第I列综合活塞力及切向力 20第五章曲轴与连杆的计算 235.1I级活塞销尺寸 235.2曲轴结构尺寸的确定 245.3连杆尺寸的确定 25参考文献 27安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表 28第一章概述压缩机是一种用于压缩气体，借以提高气体的机械。它的种类很多，用途广泛，压缩机已成为国民经济各个部门中的重要通用机械。在化工生产中，往复式压缩机已成为关键设备，根据压缩机的原理，压缩机可分为“容积式”和“动力式”两大类。压缩机的种类和形式很多，不同压缩机的结构和特点差别很大，因而其适用的场合、性能、造价、尺寸重量等指标也相差甚远。1.1压缩机的分类及命名按工作原理按工作腔中运动件或气流工作特征按工作中运动件结构特征容积式往复式活塞式柱塞式隔膜式回转式双螺杆式单螺杆式涡旋式罗茨式滑片式滚动活塞式螺旋叶片式单齿转子式液环式三角转子式动力式离心式叶轮式轴流式旋涡式喷射式喷射式1.2压缩机的基本结构其组成可以分为三个部分基本部分：包括机身、中体、曲轴、连杆、十字头组成，其作用是传递动力。连接基础和气缸部分。气缸部分：包括气缸、气阀、活塞、填料以及安置在气缸上的排气量调节装置等部分，其作用是形成压缩容积和组织气体泄漏。辅助部分：包括冷凝器、缓冲器、液体分离器、滤清器、安全阀、油泵、注油器及各种管路系统，这些部件是保证压缩机正常运转。1.3活塞压缩机的优点1、活塞压缩机的适用压力范围广，流量大小，均能达到所需压力；2、活塞压缩机的热效率高，单位耗电量少；3、适应性强，即排气范围较广，且不受压力高低影响，能适应较广阔压力范围和制冷量要求；4、活塞压缩机的可维修性强；5、活塞压缩机对材料要求低，多用普通钢铁材料，加工较容易，造价也较低廉；6、活塞压缩机技术上较为成熟，生产使用上积累了丰富的经验；7、活塞压缩机的装置系统比较简单。1.4活塞压缩机的缺点1、转速不高，机器大而重；2、结构复杂，易损件多，维修量大；3、排气不连续，造成气流脉动；4、运转时有较大震动。活塞式压缩机在各种场合，特别是在中小制冷范围内，成为应用最广、生产批量最大的一种机型。1.5活塞式压缩机的工作原理压缩过程活塞从下止点向上运动，吸、排汽阀处于关闭状态，气体在密闭的气缸中被压缩，由于气缸容积逐渐缩小，则压力、温度逐渐升高直至气缸内气体压力与排气压力相等。压缩过程一般被看作是等熵过程。排气过程活塞继续向上移动，致使气缸内的气体压力大于排气压力，则排气阀开启，气缸内的气体在活塞的推动下等压排出气缸进入排气管道，直至活塞运动到上止点。此时由于排气阀弹簧力和阀片本身重力的作用，排气阀关闭排气结束。至此，压缩机完成了一个由吸气、压缩和排气三个过程组成的工作循环。此后，活塞又向下运动，重复上述三个过程，如此周而复始地进行循环。这就是活塞式制冷压缩机的理想工作过程与原理。第二章总体设计2.1设计活塞式压缩机应符合以下基本原则满足用户提出的排气量、排气压力以及有关使用条件的要求；有足够长的使用寿命（应理解为压缩机需要大修被迫停车的次数）；有良好的运转经济性；有良好的动力平衡性；维护检修方便；尽可能采用新结构；制造工艺性良好；机器尺寸小。2.2压缩机的驱动活塞式压缩机的驱动包括驱动机和传动装置，本设计中拟采用电动机驱动，这是综合考虑使用部门的动力装置，压缩机的功率和转速、工作条件来选定的形式。2.3压缩机的转速和行程的确定转速和行程的选取对机器的尺寸、质量、制造难易和成本有重大影响，并且还直接影响机器的效率寿命和动力特性。活塞式压缩机设计中在一定的参数和使用条件下，首先应考虑选择适宜的活塞平均速度。应为：活塞平均速度的高低，对运动几件中的摩擦和磨损具有直接的影响，对气缸内的工作过程也很有影响。活塞速度过高气阀在汽缸上难以得到足够的安装面积，所以气阀管道中的阻力损失很大，功率的消耗及排气温度将会过高，严重影响压缩机运转的经济型和使用性。微型和小型压缩机为使结构紧凑而只能采用较小行程，虽有较高转速，但活塞平均速度却较低，只有2m/s左右，在一定的速度下，活塞行程的选取与下列因素有关：（1）排气量的大小；排气量大者行程应取得长些，反而则要短一些。(2)机器结构型式：考虑到压缩机的使用和维护条件，对于立式、V式、W式、扇式等结构，活塞行程不宜取的过长。（3）行程的确定式中S--活塞行程A--系数，其值在0.062--0.095之间P--活塞力（吨）则之间取S=100mm转速的确定近代压缩机的转速n通常在下列范围：微型和小型1000~3000（转/分）中型500~1000（转/分）大型250~500（转/分）取n=750转/分2.4压缩机的设计条件及要求压缩机的热力计算是根据气体压力容积和温度之间存在一定的关系，给结合压缩机的具体特性和使用要求而进行的。其目的是要求得到最有力的热力参数（各级的吸排气温度，所消耗力）和适宜的主要结构尺寸（活塞行程、汽缸直径等）。已知：设计条件：VW-2.5/2-40天然气压缩机排气体积：Vd=2.5m3/min压缩介质：天然气吸气压力：P1=0.2MPa（绝压）排气压力：P2=4MPa第一级进气温度：20℃第二级进气温度：25℃吸入气体的相对湿度：第三章热力计算3.1结构形式与方案选择3.1.1计算总压力比Ɛt= P2/P1=4/0.2=20根据总压力比为20，压缩机的级数取两级比较合适，而且采用双作用汽缸，另外压缩机采用水冷方式。3.1.2选择级数z=23.1.3压力比分配Ɛ1=Ɛ2=(Ɛt)1/2=(20)1/2=4.47各级进、排气压力比列表如下级次名义进气压力（105Pa）名义排气压力（105Pa）压力比ɛⅠ28.944.47Ⅱ8.94404.473.2确定汽缸直径3.2.1计算容积系数取余隙体积指数α1=0.1α2=0.12由文献查得绝热指数为k=1.3，各级膨胀过程的等端点指数m为m1=1.186m2=1.225容积系数λv1=1-0.1×(4.471/1.186-1)=0.747,λv2=1-0.12×(4.471/1.225-1)=0.7133.2.2确定压力系数查化工机器可取3.2.3确定温度系数查化工机器可取λT1=0.92，λT2=0.923.2.4确定泄露系数各级各部位相对泄露系数值ⅠⅡ填料Ⅰ0.0060.001Ⅱ0.0010.001气阀Ⅰ0.020.02Ⅱ0.020.02活塞环Ⅰ0.060.06Ⅱ0.060.060.02760.0270.9730.973取λL1=0.973λL2=0.9733.2.5确定容积效率3.2.6确定析水系数第一级无水析出，故。当T1=20℃时,Psa1=2337Pa；当T2=25℃时Psa2=3167Pa，则：3.2.7确定各级行程容积3.2.8确定各级汽缸直径，行程和实际行程容积已知转速n=750r/min，取行程s=100mm,得活塞平均速度取活塞杆直径d=30mm，得根据汽缸直径标准，圆整为，实际行程容积活塞有效面积为同理，，根据汽缸直径标准，圆整为，实际行程容积活塞有效面积为。考虑到圆整值与计算值之间有差值，这里采用维持压力比不变，调整相对余隙体积的方法，利用下式计算容积系数计算得新的容积系数为再通过下式计算新的相对余隙得新的相对余隙3.3计算活塞力3.3.1修正各级公差压力计算结果如下表级次ⅠⅡ计算行程容积,m30.005130.00121实际行程容积,m30.00560.00126修正系数βk11.0481.048名义进气压力(bar)28.94(bar)29.37名义排气压力(bar)8.9440(bar)9.3741.92修正后名义压力比4.6854.3973.3.2修正后各级排气温度级次压力比吸气温度（K）绝热系数k排气温度Td(K)Td（℃）I4.6852931.31.428418145II4.3972981.31.4074191463.3.3计算汽缸实际吸排气压力式子中Psi，Psi'为i级的名义和实际吸气压力Pdi，Pdi'为i级的名义和实际排气压力级次修正的工程压力（x105）相对压力损失%1-δs1+δd实际工程压力（x105）实际压力比PsPdδsδdPs'Pd'Ⅰ29.373.860.9621.061.9249.9325.162Ⅱ9.3741.922.240.9781.049.16443.64.7583.3.4活塞力的计算表盖侧和轴侧活塞工作面积级次轴侧/盖侧/ⅠAw1=0.0276Ac1=0.0283ⅡAw2=0.00594Ac2=0.00664表止点气体力计算在压缩机实际时，假定连杆（或活塞杆）受拉伸时为正。受压时为负。列次内止点/kN外止点/kNⅠ-Ⅰ=21.97=-22.8Ⅱ-Ⅱ=19.81=-23.503.3.5计算轴功率并选配电机各级指示功率为总的指示功率为查过程流体机械，取机械效率，所以轴功率为取电机功率余度0.1，则电动机功率为根据电动机标准，可选功率为45kW的电机。可选电动机的型号为Y280M-8。第四章动力计算动力计算的目的在于计算压缩机中的作用力，确定压缩机所需要的飞轮矩以及各种形式压缩机惯性力。惯性力矩的平衡情况初步设计压缩机所需的基础压缩机中作用力的分析，是进行压缩机零件强度和刚度计算得一局，也是判断这些力对压缩机装置影响的基础。压缩机中主要的作用力有气体力，曲柄连杆机构运动时产生的惯性力和摩擦力。曲柄连杆机构示意图4.1计算第一列的惯性力往复惯性力分为一阶往复惯性力和二阶往复惯性力。由上章计算可知本压缩机最大的活塞力为23.50kN，查表可选用的往复运动构件的质量，先取连杆长度，曲柄旋转角速度。曲柄销旋转半径。往复惯性力计算表/°/kN01.250026.96101.219726.306201.131224.397300.991021.374400.809417.457500.599312.926600.37498.086700.15053.24680-0.0612-1.3290-0.2500-5.392100-0.4085-8.81110-0.5335-11.506120-0.6250-13.48130-0.6862-14.8140-0.7226-15.585150-0.7410-15.982160-0.7481-16.135170-0.7498-16.172180-0.7500-16.176190-0.7498-16.172200-0.7481-16.135210-0.7410-15.982220-0.7226-15.585230-0.6882-14.8240-0.6250-13.48250-0.5335-11.506260-0.4085-8.81270-0.2500-5.392280-0.0612-1.322900.15053.2463000.37498.0863100.599312.9263200.809417.4573300.991021.3743401.131224.3973501.219726.3063601.250026.964.2计算各列摩擦力4.2.1往复摩擦力取往复摩擦力为总摩擦力的65%4.2.2旋转摩擦力取旋转摩擦力为总旋转摩擦力的35%4.3计算第I列气体力4.3.1第I级盖侧的气体力各过程压力计算公式如下：压缩过程：膨胀过程：进气过程：排气过程：气体力：余隙行程：，活塞面积，压缩及膨胀过程的多变指数可取为，盖侧的气体力为负值。计算结果见下表：第I级盖侧的气体力计算表曲柄转角/°活塞位移/mm膨胀过程/bar进气过程压缩过程/bar排气过程/bar气体力/kN009.932-28.1100.9459.078-25.69203.7457.197-20.37308.265.337-15.14014.283.921.924-5.445021.5251.924-5.446029.6851.924-5.447038.4151.924-5.448047.3751.924-5.449056.251.924-5.4410064.741.924-5.4411072.621.924-5.4412079.6851.924-5.4413085.8051.924-5.4414090.881.924-5.4415094.861.924-5.4416097.7151.924-5.4417099.4251.924-5.441801001.924-5.4419099.4251.936-5.4820097.7151.972-5.5821094.862.034-5.7622090.882.128-6.0223085.8052.259-6.3924079.6852.439-6.925072.622.683-7.5926064.743.013-8.5327056.253.462-9.828047.3754.084-11.5629038.4154.958-14.0330029.6856.2139.932-28.131021.5259.932-28.132014.289.932-28.13308.269.932-28.13403.7459.932-28.13500.9459.932-28.136009.932-28.14.3.2一级轴侧的气体力活塞面积活塞面积，其余参数同盖侧，轴侧气体力为正值。计算结果见下表：曲柄转角/°活塞位移/mm膨胀过程/bar进气过程压缩过程/bar排气过程/bar气体力/kN01001.9245.311099.051.9445.3652096.252.0035.5283091.7352.1075.8154085.7052.2626.2435078.4352.4796.8426070.2552.7757.6597061.5053.178.7498052.5253.710.2129043.654.4112.17210035.165.3679.93227.41211027.39.93227.41212020.2559.93227.41213014.169.93227.4121409.19.93227.4121505.139.93227.4121602.2859.93227.4121700.579.93227.41218009.9329.93227.4121900.579.425.9442002.2858.07722.2932105.136.51217.9732209.15.08614.03723014.163.9411.9245.3124020.2551.9245.3125027.31.9245.3126035.161.9245.3127043.651.9245.3128052.5251.9245.3129061.5051.9245.3130070.2551.9245.3131078.4351.9245.3132085.7051.9245.3133091.7351.9245.3134096.251.9245.3135099.051.9245.313601001.9245.314.3.3计算第I列综合活塞力及切向力将同一曲柄转角下的惯性力、往复摩擦力、及气体力P（轴侧和盖侧）进行相加，求出综合活塞力，然后按下式计算出切向力T：第I级综合活塞力及切向力曲柄转角惯性力/kN往复摩擦力/kN气体力综合活塞力/kN函数切向力/kN轴侧（+）/kN盖侧（-）/kN026.960.5215.31-28.14.69100.001026.3060.5215.365-25.696.5020.21641.4072024.3970.5215.528-20.3710.0760.42264.2583021.3740.5215.815-15.112.610.60917.6814017.4570.5216.243-5.4418.7810.767514.4145012.9260.5216.842-5.4414.8490.891413.236608.0860.5217.659-5.4410.8260.976810.575703.2460.5218.749-5.447.0761.02207.23280-1.320.52110.212-5.443.9731.02884.08790-5.3920.52112.172-5.441.8611.00001.861100-8.810.52127.412-5.4413.6830.940712.872110-11.5060.52127.412-5.4410.9870.85709.416120-13.480.52127.412-5.449.0130.75516.806130-14.80.52127.412-5.447.6930.64064.928140-15.5850.52127.412-5.446.9080.51803.578150-15.9820.52127.412-5.446.5110.39082.544160-16.1350.52127.412-5.446.3580.26131.661170-16.1720.52127.412-5.446.3210.13080.827180-16.1760.52127.412-5.446.31700.00190-16.1720.52125.944-5.484.813-0.1308-0.63200-16.1350.52122.293-5.581.099-0.2613-0.287210-15.9820.52117.973-5.76-2.284-0.39080.893220-15.5850.52114.037-6.02-7.047-0.51803.65230-14.80.5215.31-6.39-15.359-0.64069.839240-13.480.5215.31-6.9-14.594-0.755111.02250-11.5060.5215.31-7.59-13.265-0.857011.368260-8.810.5215.31-8.53-11.509-0.940710.827270-5.3920.5215.31-9.8-9.361-1.00009.361280-1.320.5215.31-11.56-7.049-1.02887.2522903.2460.5215.31-14.03-4.953-1.02205.0623008.0860.5215.31-28.1-14.183-0.976813.85431012.9260.5215.31-28.1-9.343-0.89148.32832017.4570.5215.31-28.1-4.812-0.76753.69333021.3740.5215.31-28.1-0.895-0.60910.54534024.3970.5215.31-28.12.128-0.4226-0.89935026.3060.5215.31-28.14.037-0.2164-0.874360