活塞式压缩机课程设计说明书

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

目录

第一章概述..................................................................................................................31.1压缩机的分类............................................................31.2压缩机的基本结构........................................................41.3活塞式压缩机的工作原理..................................................51.4活塞式压缩机设计的基本原则..............................................51.5活塞式压缩机的应用......................................................5第二章设计计算..........................................................................................................72.1设计参数................................................................72.2计算任务................................................................72.3设计计算................................................................72.3.1 压缩机设计计算......................................................72.3.2皮带传动设计计算...................................................10第三章结构设计........................................................................................................133.1气缸...................................................................133.2气阀...................................................................143.3活塞...................................................................143.4活塞环.................................................................143.5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”

1.1.3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——气体仅通过一次工作腔或叶轮压缩；

两级压缩机——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。

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）尽可能采用新结构；
（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～IOOMPa的压力下反应，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的工作压力，石油加氢精炼则需要7～32MPa的压力。

（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的压力。在气体分离工业(如空分)，需要用压缩机先将混合气体 最后利用不同组分沸点差将其提高压力，然后进行冷却和膨胀降温并变成液态，
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1～1OMPa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： 0.1MPa
（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： ≤ 160℃
（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ε＝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、Ⅱ级采用双作用气缸。另外，压缩机采用水冷方式。

（2）容积流量（排气量）的计算

n——压缩机转速400rpm

图1 容积流量的计算

D 1

420

mm

,

D

2

250

mm

,

d 1



d

2



40

mm

,

n



400

rpm

qvn 1



2 4

D 1

2



d 1

2



L



n



  4

2



420

2



40

2



240



400



26 . 4 8 0

m 3

/

min

qvn 2



2 4

D 2

2



d

2

2



L



n



  4

2



250

2



40

2



240



400



9 . 304

m

3 /

min

2）实际排气量的计算

1

由v1(n1)算得

v10.871 v20.8670.848

取p10.980.95 T100.95 l10.95

p20.96 T20.960.98 l200.96

由v vpTl 算得

v10.8156 v20.750

则

（3）排气温度计算

中、高压级m=k
注意：压缩终温不能超过160℃

第一级

T

s1 

293K

m1 

1 . 33

T d

1



T s

11

m

1

第二级

m

1..3-1



293



2.7

1..3



3 74 . 88 K

T

s2 

298K

m2 

1.4

T d

2



T s

22

m

1

m

1.4

-1



298



2.96

1.4



4 06 . 32

K



133 . 32℃



160℃

（4）估算轴功率（≤118KW）

本设计中，		1		sj		和	1			0	j	均取为1。						1.33					1.33-1
		1
					400				0.871
N														0.1		0.661						2.7	1 . 33		1
i 1		60																1.33	-	1

43. 17 KW

=43.17KW

			1										1.4					1.4	-1
N					400		0.848		0.1		0.023				2.7	1 . 4			1
i	2		60										1.4	-	1

43. 17 KW

=44.66KW

Ni43.17+44.66=87.83KW42. 7844. 0086. 78 KW

取机械效率 m0.94

NzNi/0.949293.47KW﹤118KW.32KW118KW

2.3.2皮带传动设计计算

(1)求计算功率

由此可得

(3)带轮直径计算

1）初选主动轮基准直径

2）验算带速

SPC 型窄V 带带速范围

5～25

m

s

2）确定实际中心距a

a



a

0



L

d



L 0

2

0 . 03

L d

可得



1101mm

由

a

min



a



0 . 015

L

d

以及

a

max



a



a

min

1040

mm

a

max

1220

mm

a



0 . 045

L d



180mm

(5)计算小带轮包角1

1



180

o



dd

2



dd 1



57 . 3 o

a



180



(

730



400 )



57.3

1101



162.81



120

(6)求V带根数Z

Z



kk

p

d

L

0.94

(

p

0

l



p

0

)

k

k

查表得式中

k



0.96

k

l

k



1

p

0

20.41KW