综上所述,实际循环与理论循环的主要区别是:
(1)由于存在余隙容积,实际工作循环由膨胀、吸气、压缩和排气四个过程组成,而理论循环无膨胀过程。
变工况工作及排气量调节
一、变工况工作
压缩机在偏离原设计的条件下工作时,其热力性能将与原设计不同,称为变工况工作,下面介绍几种常见的变工况条件。
1.吸气压力改变
在高原上工作的压缩机,由于当地大气压力低而使压缩机吸气压力降低,如图4-6.1所示。
若排气压力
不变,对单级压缩机,将导致压力比升高,容积系数降低,排气量将随之有所减少。
据试验,在海拔4500m以下,海拔每升高1000m,大气压力约降低10~12%,容积系数约降低2~3%。
在多级压缩机中总压力比升高,各级压力比改变,排气量也会有所下降。
指示功率的变化则由压力比变化的大小而定,但单位供气量消耗的功率要增加。
工艺过程中的输气压缩机和循环压缩机也会因操作条件的改变而引起吸气压力改变。
2.排气压力改变
使用中当吸气压力不变而排气压力提高时,往往会因压力比提高而使吸气量略有减少,其功率多半是会有所增加。
3.被压缩介质改变或工艺混合气的成分变化
介质性质和混合气成分的变化,引起气体的绝热指数的变化,而绝热指数k直接影响膨胀或压缩过程指数,如图。
4-6.2所示。
从而影响排气量、功率及温度。
当其它条件不变时绝热指数高的气体,其膨胀和压缩过程指数也高,则功率消耗也大。
气体密度大时,气体流动阻力损失大,功耗就增加。
导热率高的气体在吸入过程中易受热膨胀,温度系数较小,影响排气量。
二、排气量调节
用气单位常常因生产条件的改变要求压缩机的排气量在一定范围内调节。
通常,用户按最大用气量来选用压缩机。
因此,排气量的调节.一般是指调节到低于额定的排气量。
根据用户的不同要求,排气量调节可分为连续调节(排气量连续改变)、间歇调节(只有排气与不排气两种)和分级调节(如分为100%、75%、50%、25%、0等档次)。
排气量调节的依据是排气量的计算公式Q=
,在缸径和行程一定的条件下,利用改变排气系数、转速等方法来实现。
调节方式应满足结构简单、工作可靠、经济性好的要求。
下面介绍几种调节方法。
1.改变转速和间歇停车
由可变速的驱动机驱动的压缩机,可以连续改变转速来调节排量,排气量与转速大小成正比。
但由无变频调速器的交流电动机驱动时,就不能无级调速,而采用闻歇停车的方法。
停车后不消耗能量,但是频繁的启动与停车使机器的工作条件恶化,一般只适用于微型压缩机或空压机站多台机器运行场合。
2.切断进气停止吸入调节
图4-6.3是通过压力调节器控制减荷阀切断进气调节装置。
当储气罐内压力超过规定值时,高压气体将调节阀压开,气体经调节阀进入减荷阀的活塞缸内,将活塞往上推,并推动蝶形阀向上关闭进气通道,使压缩机进入空转。
这种停止吸气后的指示图如图4-6.4中虚线所示。
当储气罐中压力低于规定值时,调节阀关闭,减荷阀活塞缸内压力将下降,弹簧又使蝶阀向下,打开进气通道,机器正常工作。
开车时可用手轮手动操作。
应当注意,减荷阀切断进气后会使吸气压力降低,导致
压力比增大,排气温度短时升高,活塞力加大。
由于缸内出
现真空度,所以此法不宜用于不允许有空气混入气体的压缩机,同时对无十字头的单作用压缩机,为防止将润滑油抽入气缸,也不宜用此法。
此法特点是结构简单、工作可靠,故仍广泛应用于中、小型空气压缩机。
3.旁路调节
将压缩机的排气管与进气管用一旁路管连通,使已排出的气体全部或部分引回一级入口,以此达到排气量调节的目的。
此法有自由连通和节流连通两种。
自由连通是旁路阀全开,排出气体全部流回进气管,不向外输出气体。
为防止排气系统气体倒流,在排气管上旁路接口后应装设止回阀。
自由连通调节常在大型压缩机起动时采用。
其功耗主要用于克服气阀及管路的阻力损失。
节流连通将旁路阀部分开启,使部分高压气体节流后回到进气管,可以连续调节。
此法装置简单,操作方便,但浪费能量,很不经济。
一般用于短期、不常调节或调节幅度不大的场合。
4.顶开吸气阀调节
此调节方法的原理是增加气缸的外泄漏,即减小泄漏系数
来调节气量。
根据顶开吸气阀的程度不同,有完全顶开吸气阀和部分行程顶开吸气阀两种。
图4-6.5是一种完全顶开吸气阀装置。
当排气量过剩时,排气系统储气罐中压力不断上升,若罐中压力超出规定值时,高压气体顶开调节阀进入小活塞4的上部,推动小活塞与压叉2向下,将吸气阀片顶离阀座,活塞运动时被吸入缸内的气体通过吸气阀返回吸入系统,使气缸排气量接近于零。
当气罐中压力下降到规定值时,调节阀关闭,切断气源,压叉在弹簧3推动下升起,气阀恢复正常工作,压缩机正常排气。
图4-6.6是完全顶开吸气阀前后的指示图,图中带斜线部份是顶开吸气阀后的情况,其功耗用于克服气阀阻力。
这种方法经济性较好。
这种调节方法是间歇调节。
若在双作用气缸的一侧安装顶开吸气阀装置,则可实现50%气量的调节要求。
另一种是部分行程顶开吸气阀的调节装置。
其原理是利用电磁、液压、气动或弹簧等装置使吸气阀在压缩过程的一部分行程中处于顶离阀座状态,这时缸内气体流回进气管.其余行程中吸气阀关闭,缸中仍有部分气体被压缩、排出。
图4—6.7是调节结构及调节前后的指示图,带斜线部分是调节后的指示图。
部分行程顶开吸气阀调节也较简单方便,但阀片频繁受压叉冲击,阀片寿命降低,所以一般只用于转速较低的压缩机。
5.补充余隙容积调节
这种方法是人为地增加余隙容积,减小窖积系数
来调节排气量。
在压缩机气缸顶部另设置一个容积,当需要调节时,将该容积与气缸接通,成为补充余隙容积。
用余隙阀直接接通一个不变的补充容积者称固定容积式。
若把补充容积做成有可移动活塞的圆筒,补充容积随活塞移动而变,称可变容积式。
如图4-6.8的(a)及(b)所示。
补充余隙容积调节前后的指示图如图4-6.8(c)所示,其中有斜线部分是调节后的指示图。
根据要求调节气量的大小,可以选择补充的余隙容积值。
若忽略
、
及
的变化影响,机器转速不变,调节后排气量与调节前排气量的比值B只与调节前后的容积系数有关。
活塞压缩机主要易损件
一、气阀
气阀是活塞压缩机中的重要部件,也是一种易损件。
它的工作特性直接影响到压缩机的排气量、功率消耗等性能,也影响到运转的可靠性。
因此.需要掌握其工作原理,以便正确地使用与改进。
活塞式压缩机一般采用“自动气阀”,它的启闭主要由阀片两边的压力差与弹簧来实现,而没有其它的机械控制机构,这种气阀结构简单,且能适应压缩机的变工况要求。
图4-12.1是最常用的环状阀。
阀座1具有同心的环形或孔形气体通道;阀片3是启闲气阀通道的主要运动元件;弹簧4则配台气流推力以控制气阀的启闭运动,升程限制器5用来限制阀片的升起的高度,并兼作弹簧支承座。
此外还有连接螺栓2、螺母6和开口销7等零件。
不同型式的气阀,其结构各异,但大体也都包括以上几种零件。
下面以最常见的环状阀为例来分析其工作原理。
1.气阀的工作过程
以吸气阀为例,将阀片启闭过程列于表4-12.1中。
通常把阀片所受的各种气体力
,
,
等综合称为气流顶推力,用
表示,
称为气流推力系数,可由试验测得。
由表4-12.1可见,气阀的启闭动作是由气流顶推力与弹簧力之间的相配关系决定。
开启时,气流顶推力是推动阀片开启的力,弹簧力则起阻止、缓冲作用,可减小阀片对限制器的冲击;反之,当关闭时,弹簧力推动阀片关闭,气流顶推力则起阻止作用。
气流顶推力值随活塞运动过程中缸内压力的变化而变化。
图4—12.2表示阀片升程与活塞运动及缸内指示图间的对应关系。
横座标表示曲柄转角
或活塞位移。
正常工作中,当气流顶推力超过弹簧力时,阀片迅速开启。
当阀片与限制器相撞时产生了一个轻微的反弹,然后又在气流顶推力的作用下全开。
当弹簧力超过气流顶推力时,阀片开始关闭,往往在关闭过程中,由于升程h变小而使压降△p增大,气流顶推力又变大,超过弹簧力时出现反弹现象,因此关闭过程较缓慢,且常有波动。
正常情况下,希望活塞走到内止点时,气阀刚好全关闭。
图中面积abcdef称为气阀的时间截面。
其大小反映了气阀开启的时间、气流通过气阀的阻力以及气阀工作是否正常等情况。
从自动气阀的工作原理出发,一个良好的气阀应符合以下要求:
(1)及时开启、及时关闭,即阀片的动作要与活塞运动匹配。
若弹簧力较大,使气阀不能及时打开,将使开启时间短、时间截面小,吸气量过小,图4—12.2(b)所示。
同时该图也表示活塞到达止点而气阀还不能完全关闭的情况,称为延迟关闭。
由于活塞到达止点后立即返回,缸内压力上升,气流就会从未关死的吸气阀倒回吸气管道而使实际吸气量降低,而且此时气体倒流而造成顶推力与弹簧力的方向一致,又将使阀片猛然关闭,在无缓冲力情况下撞到阀座上,降低阀片寿命。
(2)气阀全开时要稳定,不要大幅度跳动。
图4-12,2c表示由于弹簧力过大,阀片不能正常全开而来回跳动,称颤振现象。
其结果是使气阀时间截面缩小,阻力增大,阀片撞击次数多,寿命降低。
(3)气阀的流通阻力损失要小。
气阀的阻力损失在整个压缩机功率消耗中占有相当大的
比例,应设法减小。
(4)工作可靠,阀片及弹簧等易损件的寿命要长。
此外还要求气阀余隙容积小;气阀关闭时的严密性好等。
4.气阀寿命
气阀的寿命主要取决于阀片和弹簧的寿命。
压缩机运转时。
阀片在阀座和升程限制器之间来回跳动,产生撞击。
虽然每次撞击能量不大,但属于小能量多次撞击,易于形成疲劳裂纹而使阀片损坏。
此外,阀片撞到升程限制器时,又会与弹簧发生撞击,此时弹簧的变形量和变形速度都很大,会产生相当大的动应力,导致弹簧极易损坏。
根据使用经验,在很多情况下是由弹簧损坏,继而导致阀片损坏。
为提高气阀寿命,国内外都进行了不少研究。
主要有以下几方面:
(1)控制阀片升程,减少阀片倾侧运动。
阀片升程过大会使阀片撞击速度增大,降低寿命。
在满足一定气阀通道的条件下,希望升程尽量的小。
在气缸上轴向布置的气阀,由于气阀布置空间的限制,气阀的一部分面积处于气缸直径以外的位置。
处于气缸工作腔部位的阀片受气流推力大,偏置在气缸直径外的部位则由于气流偏吹.阀片受气流推力小,从而造成阀片运动时的倾侧现象。
这又会使阀片受附加撞击速度,工作条件恶化。
实验表明,降低阀片升程和减少气阀布置的偏置程度将会减少阀片的倾倒程度。
(2)正确选材,保证制造质量。
疲劳破坏与局部应力有关,表面损伤、锈蚀等均会促进疲劳破坏。
因此,阀片及弹簧均应正确选材,严格控制热处理条件,不得有表面损伤。
阀片材料要求强度高、韧性好、耐腐蚀。
常用的阀片材料有30CrMnSiA及不锈钢。
弹簧则常用50CrVA及4Crl3等。
(3)增大弹簧的自振频率。
阀簧的工作是一种受迫振动,故应尽量避免出现低阶共振现象,更要避免在共振条件下又出现阀片与弹簧间的撞击。
因此,弹簧的最佳设计是个尚未解决的难题,一般认为应有较高自振频率,有人建议要大于压缩机转速的三倍以上。
增大自振频率的有效措旋是减小弹簧圈径,故现在国内外有采用小弹簧趋向。
(4)改进结构。
由于阀片开启时比关闭时速度快,有人认为撞击限制器的速度约为撞击阀座速度的三倍。
因此在结构上可采取措施,例如在升程限制器上嵌装橡皮、采用气垫阀等,以增加缓冲作用,取得了显著效果。
5气阀的型式与结构
(1)环状阀环状阀的结构如图4—12.11所示,其主要工作元件是环状阀片,阀片的数目可根据需要而定,有一片至多片不等,阀片厚度在2mm左右。
阀片在启闭过程中由升程限制器上的凸台导向,阀片与导向块之间为动配合。
由于阀片运动时与导向块有摩擦,故多用于有油润滑压缩机。
若用于无油润帮压缩机,其凸台需用自润滑材料。
阀座与限制器用螺栓连接,并在端部铆死以防工作时松动,固紧螺栓也需要防松。
整个气阀组件用压阀罩固定在气缸上。
图4—12.11的压阀罩直接顶着阀座,限制器外缘与阀座不接触,称为开式结构。
图4—12.12是闭式结构,压阀罩将限制器和阀座同时压紧在气缸的阀孔内,其优点是气阀螺栓仅起联接作用而不受阀片撞击限制器的作用力,螺栓直径可较小,工作可靠。
缺点是气阀通道截面利用不充分,多用高压级的气阀。
气垫阀也是一种环状阀,如图4-12.13所示。
在限制器的环状筋上加工出环形沟槽,槽宽度与阀片宽度成动配合。
气阀开启时,阀片进入槽内,使封闭在槽内的气体来不及从弹簧座孔上的小孔排出,槽中气体被压缩形成气垫,起到缓冲作用。
这种结构使阀片受冲击力减小,可延长阀片寿命,同时减少噪音。
气垫阀的阀片较普通阀片厚,以便阀片在关闭状态时仍有一部分在槽内起导向作用。
但阀的加工困难,适用宽通道,低转速的场合。
(2)网状阀图4-12.14是一种无导向块的网状阀,其结构与环状阀类似,但阀片的各环间用筋条联成一个整体呈网状,如图4-12.15所示。
阀片中心为固定部分,被夹持在上、下两垫块之间,自中心数起第二圈上,将径向筋条铣出一个斜切口,且在图示弹性部分的弧段内铣薄,这样阀片具有一定弹性,便于上下运动,外圈是阀片的运动和密封部分。
阀片的升程由垫块的厚度控制,不设导向块。
在阀片与限制器间设有缓冲片。
缓冲片的结构与阀片类似,但开有供阀片弹簧穿过的孔。
当气流推力克服作用在阀片上的弹簧力及阀片的惯性力时,阈片即开启。
当阀片与缓冲片接触后又要克服缓冲片惯性力与弹簧力,直至缓冲片与限制器接触时气阀全开。
由此可见,气阀全关时,只受阀片弹簧的作用,弹簧力较小;而气阀全开时则阀片受阀片弹
簧力、缓冲片弹簧力及阀片与缓冲片的变形反力之和,弹簧力就大,这种变刚性特点正符合气阀工作的要求,这是网状阀的一大优点。
同时网状阀启闭时各环片动作一致,这些特点正好克服了环状阀的缺点。
但网状阀结构复杂,阀片加工困难,阀片的弹性部分易于产生应力集中而断裂,故在我国目前条件下主要用于无油润滑压缩机,以解决导向块的磨损问题。
此外,网状阀也有中心导向的结构。
(3)直流阀如图4-12.16所示。
直流阀由阀座和阀片两部分组成,相互间隔,夹持成一组。
阀座一面铣有一定斜度的细长槽作为气体通道,其背面铣有宽度较大的通长槽起升程限制器作用。
阀片是用0.2~0.5mm的薄弹簧钢片制成,即是阀片又是弹簧,是启闭元件。
阀片两端铣有切口,气阀关闭时,阀片紧靠在阀座上。
开启时,在气流推力作用下,克服阀片的弹力,阀片中间部分产生弯曲变形,直至贴合在相邻阀座的背部(限制器)。
直流阀的外形较适于做成矩形状,但也可做成圆形。
直流阀的主要优点是气流流经气阀时几乎无转折,因而阻力小,允许有较高的气速,但阀片的密封性差,寿命不长,仅用于高转速的低压压缩机。
此外,还要槽状阀(图4—12.17),阀片呈槽形,弹簧呈条形薄片,具有变刚性特点并能起缓冲作用。
图4-12.18是超高压压缩机吸、排气组合阀,装于气缸头部,利用斜孔作为气体通道,其吸气阀用球形密封元件,排气阀用菌状密封元件。
二、活塞环
活塞式压缩机的活塞与气缸间的间隙