容积式压缩机Word文档格式.docx
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气阀是压缩机中易损部件之一。
1.1气阀结构
气阀主要由阀座、阀片、弹簧与升程限制器等四部分组成，如图2.1-9所示；
它依靠阀片的开启与关闭使气缸与外界接通与切断，弹簧的作用是减轻阀片开启时与升程限制器的撞击，但更主要的作用是帮助阀片关闭。
阀片的开启与关闭由气缸内、外气体压力差与弹簧力控制，无须其它驱动机构，故称为自动阀。
图2.1-9气阀结构示意图图2.1-10进排气阀的区别
1-阀座；
2-阀片；
3-弹簧；
（a）进气阀；
（b）排气阀
4-升程限制器
压缩机中按照气阀的职能可分为吸气阀和排气阀。
其结构上的区别见图2.1-10。
按照气阀阀片形状还可以分为环状阀和网状阀等。
图2.1-11所示为低压级环状阀结构，有四环阀片，阀座上开有相应的环形通道（图中B），并靠若干筋条（图中C）相联接，阀座与阀片贴合面制有凸台，以便研磨而使阀片与阀座保持密封。
升程限制器形状类似于阀座，它除限制阀片升起高度外还作为弹簧承座，并设有阀片运动的导向凸台（图中A）。
每环阀片压有若干圆柱形弹簧，它们的尺寸都是相同的。
阀座与升程限制器用螺钉或螺栓与螺母紧固成一气阀部件，当使用螺钉时，在进气阀中有时螺钉头会疲劳断裂而落入缸内导致事故，螺钉头部设有挡圈（图中D）。
高压级环状阀与低压环状阀不同的是图中阀座通道为许多钻孔而不是环形槽，阀座由钢制成.
图2.1-11环状阀图
1-阀座；
3-升程限制器；
4-弹簧；
5-螺钉；
6-螺母
。
图2.1-12所示为气垫阀。
气垫阀具有缓冲和降低噪音的功能，在石油化工领域中应用广泛。
图2.1-12气阀垫
若将环状阀片各环片用筋条连成一体便成为，网状阀有三类，如图2.1-13所示。
WA型阀片中心为圆孔，需要在中心设导向，一般用在有油润滑压缩机；
WB阀片中部具有弹性，中心为气阀螺钉紧固，WBⅠ型为单弹性臂，WBⅡ型为双弹性臂，WB型阀片适合有油润滑或无油润滑压缩机。
图2.1-13网状阀片
（a）WA型；
（b）WBⅠ型；
（c）WBⅡ型
1.2气阀工作原理
图2.1-14气阀阀片升程变化过程
（a）弹簧力匹配正常；
（b）弹簧力过强；
（c）弹簧力过弱
吸、排气阀的工作原理是相同的。
图2.1-14a为吸气阀工作过程。
当余隙容积膨胀终了时，若气缸工作腔与阀腔之间的压力差p在阀片上的作用力大于弹簧力及阀片和一部分弹簧质量，阀片开启，气体进入气缸，阀片在气流推力的作用下，继续上升，直至撞到升程限制器（图中a-b阶段）。
阀片撞击升程限制器时，会产生反弹力，如果反弹力与弹簧力之和大于气流推力，则阀片会出现反弹现象（图b-c阶段）。
在正常情况下，反弹现象是比较轻微的，阀片在气流推力的作用下会再次贴到升程限制器上（图中c-d阶段），此时气流推力大于弹簧力，使阀片就停留在升程限制器上（图d-e阶段），直到活塞接近止点位置时，活塞速度降低，气流推力减小，当气流推力不足以克服弹簧力时，阀片开始离开升程限制器，向阀座方向运动（图中e-f阶段）。
最理想的情况是当活塞到达止点位置时，阀片也恰好落在阀座上，此时阀片完成一次工作。
若最大压力差造成的作用力不足以克服弹簧力，阀片便不能一直贴在升程限制器上，阀片在静压差的作用下一打开便又关闭，复又在静压差作用下打开，但马上又关闭，故而只能在阀座与升程限制器间不断跳动，造成所谓阀片振颤，如图2.1-14（b）所示；
若最大压力差造成的作用力大大超过弹簧力，则可能出现当弹簧力克服压力差作用而开始关闭时，阀片却在活塞到达止点位置时还来不及座合到阀座上，造成所谓滞后关闭，如图2.1-14（c）所示。
上述两种现象都使阀片对升程限制器（或阀座）产生猛烈撞击，使阀片提前破坏。
因此可以通过测试阀片升程变化来分析气阀工作状态。
2.活塞环及其密封
活塞与气缸之间及活塞杆和气缸之间，都需要采取密封措施，通常前者采用活塞环密封，后者利用填料密封。
活塞环和填料的密封原理基本相同，都是利用阻塞和节流的作用以达到密封的目的。
活塞环镶嵌于活塞的环槽内。
工作时外缘紧贴气缸镜面，背向高压气体一侧的端面紧压在环槽上，如图2.1-15所示，由此阻塞间隙密封气体；
但是，普通的活塞环都有切口，因此气体能通过切口泄漏，此外，气缸和活塞环都可能有不圆度，不柱度，环槽和环的端面有
图2.1-15活塞环工作及泄漏通道
不平度，这些也是造成泄漏的因素。
所以活塞环通常不是一道，而是需要两道或更多道同时使用，使气体每经过一道活塞环便产生一次节流作用，进一步达到减少泄漏的目的。
关于活塞环的道数，它与所密封的压力差，环的耐磨性等有关，一般第一道环最容易磨损，因为它大约承受70%的压力差。
就密封讲，一般3道环便可密封气体，但考虑到前面的环易因磨损而失效需由后面的环替补，所以实际压缩机中环数很不一致。
下面的数据可供选择时参考：
压力差，MPa环数
~1.22~3
1.2~3.03~6
3.0~126~12
12~3512~24
活塞环的结构按照所用的材料可制成具有切口的整体环，或具有三瓣、四瓣的剖分环（图2.1-16a、b、c）。
整体环可通过设计使其具有初弹力，剖分环则需要用具有弹力的衬环。
其切口主要有直切口、斜切口和搭切口（图2.1-16d）。
其中直切口制造简单，但泄漏量大，搭切口虽然制造复杂，但泄漏量少。
图2.1-16活塞环结构及切口形式
（a）整体环；
（b）三瓣环；
（c）四瓣环；
（d）切口形式
3.填料及其密封
填料密封原理与活塞环相似，也即利用阻塞和节流两种作用。
填料是依靠内缘和活塞杆相配合。
目前使用最普遍的是平面填料，如图2.1-17所示。
它由两块平面填料构成一组密封元件，最典型的是朝向气缸的一侧由三瓣组成，背离气缸的一块由六瓣组成，每一块外缘绕有螺旋弹簧，起预紧作用。
三瓣的作用主要用于挡住六瓣的切口，同时使机器运行时高压气体流入小室，使两块填料都利用高压气体压紧在活塞杆上；
此外，把它们缚于活塞杆上时两块切口应错开，三瓣的填料从轴向挡住六瓣的径向切口，阻止气体的轴向泄漏。
六瓣填料径向切口由其中三个月牙形瓣所盖住，以阻止气体的径向泄漏。
所以真正起密封作用的是六瓣填料。
图2.1-17具有三瓣和六瓣密封元件的平面填料
图2.1-18锥面填料
密封高压时也有采用图2.1-18的锥面填料，它由两个梯形截面环与一个T形截面环所组成，环的切口互相错开120，并置于两个具有相同锥面的钢圈中。
这种结构的预紧力靠环本身的弹力及钢圈端面弹簧的弹力。
压缩机工作时，依靠钢圈端面的气体压力，通过锥面使环抱紧在活塞杆上。
利用改变锥角可以调整压紧在活塞杆上的力。
图2.1-19填料函结构
图2.1-19所示为空气动力用填料函结构图，它有六个小室，其中左边五个用于密封气体，环形槽C用来收集通过填料泄漏的气体，右边一个小室的填料用来防止所收集的泄漏的气体外溢，称为前置填料。
填料小室的数目与密封的压力及活塞杆直径有关，一般为2~6组。
第一、二级取2~3组，三、四级取3~4组，五、六级取5~6组。
4.辅助设备
4．1润滑及润滑设备
往复式机器的各相对运动零部件表面，除采用自润滑材料外，都需要进行润滑。
润滑剂大多为液体，只有少数情况采用润滑脂。
液体润滑剂不仅能润滑摩擦表面，减少摩擦和磨损，还能改善气缸的密封作用，带走摩擦热和磨屑，使摩擦表面保持比较低的温度及清洁。
（1）润滑方式按照润滑油到达工作表面的方式可分为飞溅润滑、压力润滑和喷雾润滑。
图2.1-20飞溅润滑的压缩机
a．飞溅润滑一般小型压缩机采用飞溅润滑（见图2.1-20）。
工作腔的润滑原理是曲轴箱中飞溅的油雾及油滴，在活塞接近上止点时，落在气缸未被活塞遮盖的镜面上。
并在活塞下一个循环中进入活塞环槽中，再由活塞环分布到需要润滑的表面。
低压的一级，在吸气过程中气缸里能产生真空度，故润滑油很容易被吸入气缸中，并在压缩气体的高温作用下挥发，然后和被压缩气体一起排出压缩机。
而运动部分的润滑则靠飞溅的润滑油经过连杆大、小头上的导油孔，将润滑油带到摩擦表面。
飞溅润滑结构简单，但耗油不稳定且供油量很难控制，一般用于小型单作用压缩机。
b．喷雾润滑在机器工作腔进口处，喷入一定量的润滑油，油和工作介质相混合，进入工作腔，然后一部分粘附在工作腔表面进行润滑。
喷雾润滑结构简单，但一部分润滑油会和压缩气体一起排出而得不到利用，通常在一些特殊情况时应用。
c．压力润滑压力润滑是将润滑油由专门的注油器在一定压力下注入工作腔。
而运动部件的润滑则靠油泵将润滑油输送至各个摩擦表面，常用于大型压缩机。
注油点和注油量可以控制。
图2.1-21为大型氢气压缩机润滑系统。
由油泵、油冷却器、油过滤器等组成油的供给系统（图中虚线内部分）。
油液分别供至四列活塞的十字头滑道和曲轴的主轴颈上。
连杆小头和大头轴承上的润滑油通过十字头送来。
进油路上的三只压力开关PS，当油压过低（LL）时会自动报警。
同时，该油路还设有油压报警PAS，油压变送PT、数显开关PIS和压力表盘显示PI。
在压缩机机身上装有油位显示LG和油温显示TI。
一般润滑系统的油压应保持在0.2~0.4MPa。
高转速压缩机应取较高油压值。
气缸润滑的耗油量，一般按照摩擦表面来估计，对于低、中压压缩机，卧式压缩机每平方米摩擦面积每小时耗油量为0.025g，立式压缩机每平方米摩擦面积每小时耗油量为0.02g；
终了压力（5~10）MPa，油耗量增加1.5~2.0倍，终了压力（22~35）MPa，油耗量增加3~4倍。
填料的润滑油耗量，每100m2活塞杆表面为1~3g，高压级选大值。
新压缩机在气缸和活塞跑合期间，润滑油的供给应加倍。
运动部分润滑时的供油量，一般按照润滑油从摩擦表面导走的热量来确定
（2.1-21）
式中Q——供油量，l/min；
N——压缩机轴功率，W；
——润滑油密度，kg/m3；
——压缩机机械效率；
c——润滑油比热，c1884J/kg·
C；
t——润滑油温升，一般取t=15~20C，无油冷却器时取较小值，有油冷却器时取较大值。
（2）润滑油的选择选择压缩机润滑油时要考虑到压缩机的不同结构参数、性能和被压缩介质，以便满足压缩机性能要求和工作条件。
对于空气压缩机，除了要求润滑油有必要的粘度外，对于容易形成积炭的场合宜用环烷基矿物油，并可加抗积炭的添加剂；
为防止气路系统中锈蚀，可加抗氧、抗锈剂；
气缸壁面容易凝结水的，用乳化油比较好；
对于高压压缩机，为形成油膜和防止泄漏，也应用高粘度的石蜡基油。
制冷压缩机（冷冻机），对于以氨为工质的小型冷冻机用13号冷冻机油；
以氟里昂为工质的冷冻机用18号及25号冷冻机油。
对高于35MPa的空气压缩机及易溶解润滑油的石油气压缩机，用合成润滑剂硅酮油很合适，它不溶于气体和油类，具有独特的化学惰性，低挥发性，高闪点，好的低温流动性，而承载能力及摩擦系数和普通润滑油相仿。
4．2冷却系统
压缩机的气缸一般需要冷却；
多级压缩时，被压缩的气体需进行中间冷却；
此外，在一些压缩机装置中最后排出的气体还需要进行后冷却，以分离气体所含的水和油。
在大型压缩机装置中，润滑油也需要专门的冷却，以使润滑油有良好的润滑性能，又能对摩擦表面起到冷却作用。
（1）风冷系统风冷系统是利用空气作为冷却剂对机器进行冷却。
小型移动式压缩机及中型压缩机在缺水的地区运行时采用风冷系统。
风冷的效果较差，并且消耗的动力费用一般较水冷系统大；
此外在室外运行时，温度将难以控制。
风冷系统包括风扇、冷却器及机器本身的散热装置。
大多数风扇采用轴流式，冷却器采用有肋片的列管式或板式冷却器。
（2）水冷系统这里的水冷系统仅指冷却管道的连接方式。
在所有冷却器中，中间冷却器的好坏对压缩机性能影响最大，一般要求最冷的水先进中间冷却器。
气缸的冷却通常只能带走摩擦热，使缸壁不致因温度过高而影响润滑油性能，所以要求并不高，甚至压缩湿气体时过度的冷却反而有害。
因为湿气体经压缩后水蒸气分压提高，当气缸壁面温度低时，与缸壁接触的那部分气体中的水份便会在缸壁表面凝结，凝结水能使润滑恶化并由此增加气缸的磨损，当水份排不出去时会越积越多，若其容积超过余隙容积便造成水击现象，从而使机器遭至破坏。
因此建议冷却水套中的水温不低于30C。
对于压缩临界温度高的气体，气缸冷却水温应提高到60C~80C。
后冷却一般能将排出的气体冷却至60C左右即可。
油冷却器要求出口油温保持为50C~60C左右。
压缩机常见的冷却系统有串联式、并联式和混联式三种。
图2.1-22串联式冷却系统
图2.1-23并联式冷却系统
图2.1-24两级混联冷却系统
串联式如图2.1-22所示，冷却水首先进入中间冷却器，然后通过气缸水套，在进入二级气缸水套，从二级气缸水套出来的水再通入后冷却器。
串联式冷却系统最简单，但只适合两级压缩机，级数多时后面各级的冷却较差，且所有冷却水管道尺寸一样大，不仅增加机组重量而且也不经济，特别是当中间冷却器距离主机远时，此外，发生故障时检查也很不方便。
并联式如图2.1-23所示，冷却水分别通过各冷却部位。
它适合多级压缩机，因为各中间冷却器都能得到较好的冷却，且可方便地调节各处水量，发生故障检查方便。
但并联式配管比较复杂。
混联式冷却水先通入各中间冷却器，然后进入其前各个气缸的冷却水套。
混联式级数不受限制，且具有串联和并联的优点。
两级压缩机时还可采用冷却水先进入中间冷却器，然后分别通入一、二级气缸水套，最后进入后冷却器的布置。
如图2.1-24所示。
4．3管路系统
管路及管系设备的作用主要是将气体引入压缩机，经过压缩后，再引向使用场所。
从压缩机第一级前（工艺流程中为自进气管截止阀开始），到压缩机末级排气管的截止阀为止，其中的管道、阀门、滤清器、缓冲器、冷却器、液气分离器以及储气罐等设备，组成压缩机的主要气体管路。
此外，还有一系列辅助气体管路，如通向安全阀及压力表的气体管路，用来调节气量及放空用的气体管路，接引置换气或保护气的管路，工艺流程所需要的抽气管路，以及排放游水的排污管路等。
管路设计主要是按照压缩机的要求及安装现场的情况来确定管径，计算管道阻力损失，进行管路布置。
进行管路设计时要注意：
一、管道布置尽可能短，管道截面和走向的变化要尽量平缓，以减少管道的阻力损失；
二、管道设计要尽力控制管道的振动，以确保设备安全可靠。
对于气流脉动引起的管道振动可通过合理设计管系、气腔容积和现场采取消振措施，如设置缓冲器或调整缓冲器的位置、在管道中的特定位置设置孔板等来解决；
由于管道结构发生共振而引起的振动，可采取添加支承和改变支承等方式来消除。
三、管路的热膨胀要有必要的补偿
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