往復(fù)活塞壓縮機技術(shù)講座 郁永章精講

1、往復(fù)活塞壓縮機技術(shù)講座郁永章西安交通大學1.壓縮機定義? 用來壓縮氣體借以提高氣體壓力的機械? 把機械能轉(zhuǎn)化為氣體壓力能的機械2.往復(fù)活塞壓縮機種類依靠一個氣缸與在氣缸內(nèi)作往復(fù)運動的活塞構(gòu)成工作腔的壓縮機，均屬往復(fù)活塞壓縮機。驅(qū)動活塞作往復(fù)運動的機構(gòu)或方式有：曲柄連桿機構(gòu)、偏心輪連桿機構(gòu)、斜盤或擺盤機構(gòu)、電磁機構(gòu)、液壓或氣壓、內(nèi)燃發(fā)動機等。一般，往復(fù)活塞壓縮機僅指前兩種。其它機構(gòu)根據(jù)其特點均有專用名稱，如斜盤壓縮機、隔膜壓縮機等。往復(fù)活塞壓縮機可簡稱為往復(fù)或活塞式壓縮機。前者取其運動形態(tài)英語國家與日本；后者取其結(jié)構(gòu)形態(tài)歐洲非英語國家；在中國標準中用全稱。2.往復(fù)活塞壓縮機種類圖1 活塞式壓縮機

2、結(jié)構(gòu)總圖圖2 雙滑塊壓縮機2.往復(fù)活塞壓縮機種類圖3 單列單缸電磁壓縮機圖4 隔膜壓縮機3. 熱力學基礎(chǔ)3.1 如何定義一個氣體狀態(tài)：溫度T、壓力p，比容vF(p,v,T)?0pv?RT 或 pV?mRT 狀態(tài)方程過程：與熱交換有關(guān)p1v1?p2v2pv?p2v2n1 1k1 1k 過程方程npv?p2v24.氣缸壓力指示圖及其分析氣缸壓力指示圖是反映氣缸內(nèi)壓力變化的圖形；在壓力隨容積變化的圖形中，即在pv圖中所圍面積代表所耗功，故也稱示功圖。4.1 理想循環(huán)壓力指示圖三個過程：進氣壓縮排氣壓縮過程：等溫或絕熱作用：作為比較的標準，指示圖代表循環(huán)消耗的功，它耗功最小。圖5 理想循環(huán)壓力指示圖4

3、.氣缸壓力指示圖及其分析4.2 實際氣缸壓力指示圖四個過程：進氣壓縮排氣膨脹進氣過程：壓縮過程：排氣過程：膨脹過程：圖6 級的實際循環(huán)指示圖圖7 雙作用氣缸結(jié)構(gòu)圖作用：反映了氣缸內(nèi)各種因素對工作過程的影響。4.氣缸壓力指示圖及其分析4.3 lgplgV圖的功用圖8 lgplgV 圖作用： lgplgV圖分析壓縮與膨脹過程中的熱交換、泄漏。4.氣缸壓力指示圖及其分析4.4 實際測量p 圖圖9 某雙作用壓縮機中壓力脈動對指示功的影響p 圖可轉(zhuǎn)化為pV圖，其中VAp?s，s為 的函數(shù)作用：反映進、排氣系統(tǒng)壓力波動對指示功的影響。4.氣缸壓力指示圖及其分析4.5 各種進、排氣系統(tǒng)圖10 壓縮機進排氣系

4、統(tǒng)種類5.熱力性能熱力性能：排氣壓力、排氣溫度、容積流量（曾稱排氣量，輸氣量）、功耗、效率。5.1 排氣壓力? 取決于背壓力，即排氣系統(tǒng)內(nèi)的壓力；? 背壓力取決與進入與流出氣量的多少；? 級間壓力的建立：前一級排氣量為后一級所接納。圖11 壓縮機裝置示意圖圖12 級間工作壓力的建立5.熱力性能5.2 排氣溫度? pd?Td?Ts?ps?n?1n進排氣接管處測得，含排氣開始的壓力釋放與排氣過程冷卻壓縮終了溫度? pd?T2?T1?ps?發(fā)生在氣缸內(nèi)n?1n圖13 某二級空氣壓縮機第二級氣缸內(nèi)的工作過程5.熱力性能5.3 容積流量定義：單位時間內(nèi)壓縮機最后一級排出的氣體，換算到第一級進口狀態(tài)的壓力

5、和溫度時的氣體容積值。排氣量常用的單位為m3/min。理論計算：Q0?Vh1?v1?p1?T1?l1?n影響容積流量的因素：? 名義容積流量：特定進、出口壓力與溫度下的流量。? 環(huán)境改變：海拔，溫度等? 故障5.熱力性能5.4 壓縮機效率等溫效率絕熱效率比功率制冷中能效比?is?Wis?iWshsh?ad?Wad?iW3kW/m /minCOP?q2/W05.5 利用熱力性能分析故障中醫(yī)式的故障分析方法6. 壓縮機動力性能往復(fù)壓縮機動力性能是指運行時，慣性力平衡情況、轉(zhuǎn)矩的平衡情況、側(cè)向力的平衡情況等。6.1 慣性力求取? 曲柄連桿機構(gòu)的運動關(guān)系? 速度與加速度1?s?r?1?cos?1?1?

6、2sin2?dsds d?v?r?sin?sin2?dtd?dtdva?r?2(cos?cos2?)dt圖14 曲柄連桿機構(gòu)的運動關(guān)系6. 壓縮機動力性能6.1 慣性力求取? 往復(fù)慣性力Is?ms?a?msr?(cos?cos2?)2其中：IsI?msr?cos?IsII?msr?cos2?22一階往復(fù)慣性力二階往復(fù)慣性力? 回轉(zhuǎn)慣性力Ir?mrr?26. 壓縮機動力性能6.2 作用力分析圖15 壓縮機作用力分析氣體力內(nèi)力； 慣性力自由力6. 壓縮機動力性能6.3 慣性力平衡? 往復(fù)慣性力單列：平衡很復(fù)雜兩列或多列： 相互抵消 用平衡重? 回轉(zhuǎn)慣性力平衡重平衡圖16 氣缸中心線相對地平面不同位

7、置的各種配置6. 壓縮機動力性能6.4 未平衡慣性力處置? 減震原理自由振動方程：d2zm2?Kzz?0dt圖17 單自由度彈性系統(tǒng)強迫振動方程與振幅：d2zI2?nz?cos?t2dtmIAz?KzI?2Kz?1?n?1圖18 放大系數(shù) 與 / n及 的關(guān)系6. 壓縮機動力性能6.4 未平衡慣性力處置? 基礎(chǔ)與隔震墊（無基礎(chǔ)設(shè)計）圖19 基礎(chǔ)示意圖圖20 減震器支撐的壓縮機6. 壓縮機動力性能6.5 轉(zhuǎn)矩平衡利用飛輪積蓄能量：LGD?36002n?2圖21 某機器一轉(zhuǎn)的總切向力圖7. 氣閥氣閥是往復(fù)壓縮機中最關(guān)鍵的部件。往復(fù)壓縮機的生存發(fā)展有賴于氣閥的好壞。7.1 對氣閥的要求：?工作可靠?

8、阻力損失小?形成余隙容積較小圖22 氣閥的基本組成7. 氣閥7.2 氣閥工作過程圖23 氣閥起閉工作過程及彈簧力不當?shù)墓ぷ髑€7. 氣閥7.3 氣閥命名圖24 氣閥的各種起閉元件形狀7. 氣閥7.4 環(huán)狀、網(wǎng)狀氣閥種類? 閥座通道寬、窄圖25 窄通道開式環(huán)狀氣閥圖26 寬通道低壓進氣閥7. 氣閥7.4 環(huán)狀、網(wǎng)狀氣閥種類? 升程限制器結(jié)構(gòu)：氣墊、開式、閉式圖27 氣墊閥圖28 高壓閉式環(huán)狀氣墊閥結(jié)構(gòu)7. 氣閥7.4 環(huán)狀、網(wǎng)狀氣閥種類? 組合閥? 簧片閥圖29 超高壓組合閥結(jié)構(gòu)圖30 簧片閥7. 氣閥7.5 阻力損失? 氣閥流動阻力v?p?2ApAv2? 閥隙流速vv?r?(sin?2sin2

9、?)空氣50m/s,氫氣200m/s? 流量系數(shù)?1v? 平均流速vv?vm圖31 環(huán)狀閥流量系數(shù)0與H/b及p/s的關(guān)系A(chǔ)p?vAv7. 氣閥7.5 阻力損失? 與馬赫數(shù)的關(guān)系vvM?,a?kRT 音速ak?2?p?p(sin?sin2?)2M282? 相對阻力損失?p?p? 阻力損失即功率損失圖32 不同馬赫數(shù)的相對壓力損失曲線7. 氣閥7.6 氣閥工作過程的數(shù)學模擬運動方程d2h1?(ps?p)Ap?ZP(H0?h)?2?d?Mv?k?1?p?k?dVc?k2k?RTs1?p?k?1pd?Vcs?流動方程容積方程1?p?kdp?ps?svAsvd?ps?dVc?D2s ?sin2?sin

10、?22d?8?2 1?sin?7. 氣閥7.7 氣閥彈簧彈簧是壓縮機中關(guān)鍵的關(guān)鍵。彈簧種類：圖33 螺旋彈簧圖34 懸臂式板彈簧彈簧設(shè)計：彈簧力確定，Dm，d，n，預(yù)壓縮量、自振頻率，穩(wěn)定性7. 氣閥7.8 戴維斯法檢驗氣閥可靠性1 氣閥假想關(guān)閉角,即假定無氣體推力時,閥片在彈簧力作用下,從全開位置降落到閥座上所需時間對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角.2 閥片開始脫離升程限制器,直到活塞運動達到止點所持續(xù)的時間所對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角.3 閥片到達升程限制器直至活塞到達止點這一段時間所對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角.當?2/?1?2,?2/?3?0.7時，壽命較長圖35 閥片運動時的特征角7. 氣閥7.9 變工況下的氣閥設(shè)計? 不同進

11、氣壓力對氣閥工作狀況的影響圖36 進、排氣閥在8MPa,12MPa,18MPa進氣時的工作狀況7. 氣閥7.9 變工況下的氣閥設(shè)計? 不同彈簧力對氣閥工作狀況的影響圖37 進、排氣閥在彈簧系數(shù)為1000，3000，5000N/m時的工作狀況7. 氣閥7.9 變工況下的氣閥設(shè)計? 不同升程對氣閥工作狀況的影響圖38 進、排氣閥在升程為0.5，0.8，1.0mm時的工作狀況7. 氣閥7.9 變工況下的氣閥設(shè)計? 不同升程對氣閥工作狀況的影響圖39 進、排氣閥在升程為0.5，0.8，1.0mm時的撞擊速度7. 氣閥7.10 氣閥極限壽命及影響壽命的因素氣閥壽命：在正常工作條件下，一個氣閥的壽命取決于

12、閥片與閥座磨損。曾經(jīng)看到一個移動式空氣壓縮機一級進氣閥，1mm厚的閥片，在不知運行多長時間后，密封邊緣厚度剩下0.2mm厚依然能工作。7.11 影響氣閥壽命的因素? 氣體中含有雜質(zhì)（塵埃、水或油、焦油、其它物質(zhì)）? 彈簧失效? 閥片崩裂8. 活塞環(huán)與填料8.1 密封原理節(jié)流?d?p微隙ql=0.26?l3空氣?2.19?105壓縮機油?(1200 2400) ? 10-5迷宮阻塞圖40 環(huán)形間隙泄漏示意圖圖41 迷宮密封原理8. 活塞環(huán)與填料8.2 活塞環(huán)密封密封機理: 阻塞加節(jié)流圖42 活塞環(huán)密封8. 活塞環(huán)與填料8.2 活塞環(huán)密封切口形式結(jié)構(gòu)形式:整體剖分圖43 切口形式圖44 整體活塞環(huán)

13、與剖分活塞環(huán)8. 活塞環(huán)與填料8.2 活塞環(huán)密封活塞環(huán)道數(shù)：取決于環(huán)耐磨性、壓差、速度、結(jié)構(gòu)形式，124道失效活塞環(huán)材料：金屬：鑄鐵價廉；銅質(zhì)軟，忍讓性好非金屬：可減少氣缸磨損，實現(xiàn)無油潤滑復(fù)合材料：浸漬，復(fù)合層圖45 不同轉(zhuǎn)速時具有兩道與六道活塞環(huán)前的壓力8. 活塞環(huán)與填料8.3 填料密封機理： 活塞環(huán)外緣面填料內(nèi)緣面，阻塞作用更主要圖46 平面填料的結(jié)構(gòu)形式8. 活塞環(huán)與填料8.3 填料結(jié)構(gòu)：錐面錐形填料平面三、六瓣平面各種變形爪型三瓣T形與梯形截面歐洲，高壓圖47 具有三瓣和六瓣密封元件的平面填料圖48 無油潤滑并具有水冷卻的填函結(jié)構(gòu)8. 活塞環(huán)與填料8.3 填料材料：同活塞環(huán)組數(shù): 2

14、88.4 前置填料：圖49 錐形填料圖50 具有平面密封元件并具有前置填料的填函結(jié)構(gòu)8. 活塞環(huán)與填料8.5 關(guān)于充填氟塑料環(huán)問題? 充填材料：石墨、MoS2、碳素纖維、玻璃纖維、銅粉、鋁粉? 不同氣體適應(yīng)性?配磨材料與加工要求圖51 不同填充劑的填料磨損因子圖52 不同性質(zhì)、數(shù)量填充劑在碳氫氣體中的磨損因子圖53 光潔度與硬度對磨損量的影響9.管道振動9.1 機理? 排氣不均性形成周期激發(fā)。? 管道出口具有較大容器，成為開端壓力波形成全波反射，產(chǎn)生氣柱共振。? 管道轉(zhuǎn)彎折轉(zhuǎn)過大，形成較大作用力。當壓力脈動時，交變的作用力成為對管道的激發(fā)力。? 管道的自振頻率等于激發(fā)力頻率。圖56 轉(zhuǎn)角對作用

15、力的影響圖54 壓力脈動圖55 全波反射的形成9.管道振動9.2 設(shè)計中預(yù)防方法? 管道出口形成閉端，使壓力波成為半波反射（輸氣管道不通怎么辦？）實現(xiàn)方法： 設(shè)置孔板，孔徑dh?(0.3 0.5) Din，能使振幅降低2/3，形成壓損 。 裝設(shè)HOERBIGER止回閥本人建議，供討論。1l?，Vb?8 Vc緊靠氣缸排氣接管設(shè)置緩沖容器，4? 增加支撐改變管道自振頻率實踐證明，效果不大，會損壞支撐著力點，甚至支撐把管道磨穿。? 盡量用半徑大的折轉(zhuǎn)過渡，使激發(fā)力減小可能影響車間布置美觀。10.噪聲10.1 基本概念噪聲：即令人不愉快的聲音。聲音是一種壓力波。P02105Pa，人剛能聽到聽閾聲壓聲壓

16、：P20 Pa，人耳感覺疼痛痛閾聲壓分貝：聽閾、痛閾相差100萬倍，計算不方便，采用對數(shù)計算值稱為聲壓級。單位為分貝（dB），定義聲功率：響度：人對聲音的感受是聲壓與聲頻的綜合，稱為響度。40phon與人聽覺較一致，故一般均用A聲級。p2對封閉表面上接受的聲強( )，即聲功率W?I?IdA，聲?a功率級(dB)為LW?10lgW,W0?10?12WW0pLp? 20lgp0聲級：分A，B，C三種，分別從40，70，100phon為基準，其中10.噪聲10.2 往復(fù)壓縮機噪聲源? 氣缸內(nèi)指示壓力周期變化壓力波即聲波，壓縮?機不打壓力時運行聲很輕，一打壓力即變響了。氣閥開啟時的氣體爆破聲壓差突變氣

17、流通過轉(zhuǎn)角等成渦流的氣流擾動聲通過粗燥管壁摩擦零件自持振動聲簧片閥等閥片啟用的撞擊聲高速壓縮機很突出運動零件沖擊聲相對較小電動機噪聲（包括交流聲與風扇聲）皮帶傳動聲皮帶振動10.噪聲10.3 噪聲傳遞的途徑? 通過機器所有壁面或管道、容器、中冷器等壁面?zhèn)鞒雠c壁面材料、厚度、形狀、氣缸有無水套等有關(guān)? 空氣壓縮機通過進氣口傳出主要消聲處10.4 消聲措施消聲罩 一罩了之消聲器抗式（聲波本身相互抵消）阻式 （聲波被吸收）11.往復(fù)壓縮機可靠性11.1 引言至今，還有人認為往復(fù)壓縮機是可靠性不佳的機器。然而，電冰箱中的往復(fù)壓縮機，無論是哪一個公司的產(chǎn)品都能不維修的可靠運行12年以上。那些公司還在精益

18、求精。和各種機器一樣，壓縮機的可靠性是一個系統(tǒng)工程。它包括設(shè)計、制造、運行等一系列環(huán)節(jié)。其中設(shè)計的可靠性是第一性的，是最關(guān)鍵的。11.往復(fù)壓縮機可靠性11.2 可靠性概念定義：在規(guī)定任務(wù)條件下、在規(guī)定時間內(nèi)，完成功定的功能。平均無故障間隔時間（MTBE）工藝壓縮機平均無故障使用次數(shù)（MCBF） 冰箱空調(diào)用壓縮機失效喪失功能；故障可修復(fù)的失效。11.3 設(shè)計可靠性的內(nèi)容? 合理的結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)參數(shù)、整機系統(tǒng)確定? 合理確定零、部件材料? 正確的零、部件結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度計算11.往復(fù)壓縮機可靠性11.4 關(guān)于螺紋連接的可靠性問題? 往復(fù)壓縮機中絕大部分零部件用螺紋連接。? 絕大部分的連接承受交變載荷。? 交變載荷下的作用力分析。圖57 螺栓受力作用圖螺栓的剛性應(yīng)小于被緊固零件的剛性彈性螺栓每種緊固螺栓在組件圖上都應(yīng)注明“上緊扭矩”。11.往復(fù)壓縮機可靠性11.5 關(guān)于氣閥彈簧可靠性問題? 彈簧剛性、圈數(shù)、剪切應(yīng)力，當然是重要