活塞式压缩机课程设计说明书051201.docx
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活塞式压缩机课程设计说明书051201
合肥工业大学过程装备与控制工程专业
过程流体机械课程设计
设
计
题
目4L-20/8活塞式压缩机设计
学
院
名
称
专
业
（班
级）
姓
名
（学
号）
指
导
教
师
第一章概述3.
1.1压缩机的分类3
1.2压缩机的基本结构4
1.3活塞式压缩机的工作原理5
1.4活塞式压缩机设计的基本原则5
1.5活塞式压缩机的应用5
第二章设计计算7.
2.1设计参数7
2.2计算任务7
2.3设计计算7
2.3.1压缩机设计计算7
2.3.2皮带传动设计计算10
第三章结构设计1.3
3.1气缸13
3.2气阀14
3.3活塞14
3.4活塞环14
3.5填料14
参考文献15
第一章概述
1.1压缩机的分类[2]
1.1.1按工作原理分类
按工作原理，压缩机可分为“容积式”和“动力式”两大类。
容积式压缩机直接对一可变容积工作腔中的气体进行压缩，使该部分气体的容积缩小、压力提高，其特点是压缩机具有容积可周期变化的工作腔。
容积式压缩机工作的理论基础是反映气体基本状态参数P、V、T关系的气体状态方程。
动力式压缩机首先使气体流动速度提高，即增加气体分子的动能，然后使气
流速度有序降低，使动能转化为压力能，与此同时气体容积也相应减小，其特点是压缩机具有驱使气体获得流动速度的叶轮。
动力式压缩机工作的理论基础是反映流体静压与动能守恒关系的流体力学伯努利方程.
1.1.2按排气压力分类
见表1,按排气压力分类时，压缩机的进气压力为大气压力或小于0.2MPa对于进气压力高于0.2MPa的压缩机，特称为“增压压缩机”
«1-1播排咒压力对压缩机分类
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1.1.3按压缩级数分类
在容积式压缩机中，每经过一次工作腔压缩后，气体便进入冷却器中进行一次冷却，这称为一级。
而在动力式压缩机中，往往经过两次或两次以上叶轮压缩后，才进人冷却器进行冷却，把每进行一次冷却的数个压缩“级”合称为一个“段”
单级压缩机一一气体仅通过一次工作腔或叶轮压缩；
两级压缩机一一气体顺次通过两次工作腔或叶轮压缩；
多级压缩机一一气体顺次通过多次工作腔或叶轮压缩，相应通过几次便是几级压缩机。
1.1.4按功率大小分类
压缩机按功率大小分类见表1—2。
ai-2压埠机拣功率大小分类
宕称
小曜用st机
<5
5~SO
aaa
丸囉IE轴肌
30CP直EMO
1.1.5压缩机分类及命名
压缩机按结构或工作特征分类和命名见表1—3
1.2压缩机的基本结构[2]
其组成大致可以分为三个部分：
（1）工作腔部分
工作腔部分是直接处理气体的部分，包括汽缸、活塞、气阀等，构成有进、出通道的封闭空间。
活塞杆穿出工作腔端板的部位设有填料，用以密封问隙，活
塞上设置的活塞环也是起密封作用的。
（2）传动部分
传动部分把电动机的旋转运动转化为活塞的往复运动，包括曲轴、连杆、十
字头等，往复运动的活塞通过活塞杆与十字头连接。
（3）机身部分
机身部分是用来支承（或连接）汽缸部分与传动部分的零部件，包括机身（或称曲轴箱）、中体、中问接筒等，其上还可能安装有其他附属设备
1.3活塞式压缩机的工作原理
（1）膨胀过程
当活塞向左边移动时，缸的容积增大，压力下降，原先残留在气缸中的余气不断膨胀。
（2）吸入过程
当压力降到稍小于进气管中的气体压力时，进气管中的气体便推开吸入气阀进入气缸。
随着活塞向左移动，气体继续进入缸内，直到活塞移至左边的末端（又称左死点）为止。
（3）压缩过程
活塞从下止点向上运动，吸、排气阀处于关闭状态，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。
（4）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膨胀，吸气，压缩和排气四个过程组成的工作循环。
此后，活塞又向下运动，重复上述四个过程，如此周而复始地进行循环。
这就是活塞式压缩机的工作原理。
1.4活塞式压缩机设计的基本原则
（1）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；
（2）有足够长的使用寿命（压缩机需要大修被迫停车的次数）；
（3）有良好的运转经济性；
（4）有良好的动力平衡性；
（5）维护检修方便；
（6）尽可能米用新结构；
（7）制造工艺性良好；
（8）机器尺寸小。
1.5活塞式压缩机的应用
压缩机的用途极为广泛，遍布工农业、交通运输、国防甚至生活的各个领域按照气体被压缩的目的，大致可区分为如下四类。
（1）动力用压缩机
利用压缩空气驱动各种工具和器械已经应用得非常广泛，如风镐、风钻、气
力扳手、造型机、车辆制动、仪表控制等。
纺织工业中利用压缩空气吹送纬线以替代梭子，食品和制药工业用压缩空气搅拌浆液，中大型发动机用压缩空气启动，高压空气爆破采煤，鱼雷发射，潜艇沉浮等。
这些场合均需用到不同压力的压缩空气，具有安全、可靠、方便、洁净等优点。
（2）化工工艺用压缩机
在化学工业中将气体压力提高有利于化学反应的进行，提高反应速度和产率，并可相应减小设备尺寸，降低工程造价。
如化肥生产中的合成氨工艺要使氢气和氮气在15〜lOOMPa勺压力下反应，尿素生产需要在21MPa下使二氧化碳和氨发生化学反应，而由乙烯聚合生产塑料的工艺则需要高达280MPa勺工作压力，石油加氢精炼则需要7〜32MPa勺压力。
（3）制冷和气体分离用压缩机
制冷设备中需要提高制冷剂的压力，以将其冷却成液态，这需要压缩机提供约1.5〜12MPa勺压力。
在气体分离工业（如空分），需要用压缩机先将混合气体提高压力，然后进行冷却和膨胀降温并变成液态，最后利用不同组分沸点差将其蒸发分离。
（4）气体输送用压缩机
气体输送有管道输送和装瓶输送两种方式。
气量大时由管道输送，此时压缩气体的目的是提高气体压力以克服流动过程中的管道阻力，并使较小的管径输送尽可能多的气体，如天然气的管道输送需要1〜1OMP的压力。
气量小时用容器装运，因容器一般体积有限，所以为装运更多的气体，往往将充气压力定得高一些，如天然气汽车加气子站气体转运槽车的运输压力是20MPa而燃料电池汽车车载氢气瓶的充装压力是35〜70MPa
第二章设计计算
2.1设计参数
（1）排气量：
有效排气量21.5m3min
（2）进气压力：
O.IMPa
（3）排气压力：
0.8MPa
（4）轴转速：
400rpm
（5）行程：
240mm
（6）气缸数：
一级压缩1
二级压缩1
（7）气缸直径：
一级420mm
二级250mm
（8）轴功率：
<118kW
（9）电机：
功率130KW
转速730rpm额定电压380V
（10）排气温度：
<160C
（11）冷却水量：
4吨/小时
2.2计算任务
（1）对实际排气量，排气温度和功率进行复算
（2）主、从动皮带轮的设计计算。
2.3设计计算2.3.1压缩机设计计算
（1）结构型式及方案选择
根据总压力比£=8,压缩机的级数取两级比较合适。
本设计为固定式压缩机，为了获得较好的运转平稳性，结构型式采用L型，而且I、U级采用双作用气缸。
另外，压缩机采用水冷方式。
22
qvnj2D1d1Ln
4
22
242040240400
4
3
26.480m/min
22
qvn22D2d2Ln
4
22
225040240400
4
3
9.304m/min
2）实际排气量的计算
qvqvn
式中v—容积效率,
0.1，中压级0.11，为名义压力比
qv1qvn1v126.4-8>0（8747=19.781qv2qvn2v29.304>79750=6.978
3）各级行程容积Vs的计算
算得
（3）排气温度计算
m1TdTs百
式中m――压缩过程指数，一般压缩过程指数取低压级m（0.95〜0.99）k,
中、高压级m=k
注意：
压缩终温不能超过160C
第一级Ts1293Km11.33
m1
Td1Ts11m
1..3-1
2932.7芯
374.88K
第二级Ts2298Km21.4
m1
Td2Ts22m
1.4-1
2982.961.4
406.32K
133.32C160C
（4）估算轴功率（w118KW）
Nj60n（1sj）vjPsjVsjjl{[j（10屮5°
Ni43：
77+4446fi=87563KW
取机械效率m0.94
NzNi/0.94§2?
-327KW<118KW
2.3.2皮带传动设计计算
已知条件：
P=130K,n1730rpm,n2400rpm
（1）求计算功率
PdkAP
本设计为软起动，连续工作，工作时间》16h，查表可得kA1.3
由此可得
Pd1.3130169KW
⑵由计算功率Pd和小带轮转速的型号，选SPC型窄V带。
（3）带轮直径计算
1）初选主动轮基准直径
dd1400mm
由i匹.空1.825，可计算出从动轮直径dd2
n2400
dd2idd1730mm
2）验算带速
SPC型窄V带带速范围5〜25ms
dd1n1‘
V11115.29m/s25ms
601000
⑷确定中心距
a和带轮基准长度Ld
1）确定带轮Ld基准长度
0.7（dd1dd2）a02（dd1dd2）
取a0dd1dd24007301130
2.2a（dddd、（dd2dd1）L02a0—（dd1dd2）
24a0
211301130
2
（730400）2
4
1130
4059mm
Ld
4000mm
2）确定实际中心距
a
_-Ld
L0
aa°
2
1101mm
由amin
a0.015Ld
以及amaxa0.03Ld可得
amin
1040mm
amax1220mm
a0.045Ld180mm
（5）计算小带轮包角1
o
180
dd2dd^i
57.3°
180
（Z^0m57.3
1101
162.81120
⑹求V带根数Z
Pd
（p°kkP0）k
查表得式中k0.96kL0.94
P0
20.41KW
（p°kkiPo）k
169
（20.410.960.941.60）1
8.44
取Z9根
（7）单根带的预紧
q0.37kg/mv15.29m/s
F。
500-
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