4L-20丨8活塞式压缩机过程流体机械课程设计说明书

目录

第一章概述 (2)

1.1压缩机简介 (2)

1.2压缩机分类 (2)

1.3活塞式压缩机特点 (2)

第二章总体结构方案 (3)

2.1设计基本原则 (3)

2.2气缸排列型式 (3)

2.3运动机构 (3)

第三章设计计算 (4)

3.1 设计题目及设计参数 (4)

3.2 计算任务 (4)

3.3 设计计算 (4)

3.3.1 压缩机设计计算 (4)

3.3.2 皮带传动设计计算 (8)

第四章压缩机结构设计 (11)

4.1气缸 (11)

4.2气阀 (12)

4.3活塞 (12)

4.4活塞环 (13)

4.5填料 (13)

4.6曲轴 (13)

4.7中间冷却器 (13)

参考文献 (14)

第一章概述

1.1压缩机简介

压缩机（compressor），是将低压气体提升为高压气体的一种从动的流体机械，是制冷系统的心脏。它从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体，通过电机运转带动活塞对其进行压缩后，向排气管排出高温高压的制冷剂气体，为制冷循环提供动力，从而实现压缩→冷凝（放热）→膨胀→蒸发 ( 吸热 ) 的制冷循环。作为一种工业装备，压缩机广泛应用于石油、化工、天然气管线、冶炼、制冷和矿山通风等诸多重要部门；作为燃气涡轮发动机的基本组成元件，在航空、水、陆交通运输和发电等领域随处可见；作为增压器，已成为当代内燃机不可缺少的组成部件。在诸如大型化肥、大型乙烯等工艺装置中，它所需投资可观，耗能比重大，其性能的高低直接影响装置经济效益，安全运行与整个装置的可靠性紧密相关，因而成为备受关注的心脏设备。

1.2压缩机分类

压缩机按工作原理可分为容积式和动力式两大类；按压缩级数分类，可分为单级压缩机、两级压缩机和多级压缩机；按功率大小分类，可分为微小型压缩机、中型压缩机和大型压缩机。按压缩机的结构形式可分为立式、卧式。压缩机具有其鲜明的特点，根据其工作原理的不同决定了其不同的适用范围。

1.3活塞式压缩机特点

活塞式压缩机与其他类型的压缩机相比，特点是：

（1）压力范围最广。活塞式压缩机从低压到超高压都适用，目前工业上使用的最高工作压力达350MPa，实验室中使用的压力则更高。

（2）效率高。由于工作原理不同，活塞式压缩机比离心式压缩机的效率高很多。而回转式压缩机由于高速气流阻力损失和气体内泄漏等原内，效率亦较低。

（3）适应性强。活塞式压缩机的排气量可在较广泛的范围内进行选择；特则是在较小排气量的情况下，要做成速度型，往往很困难，甚至是不可能的。此外，气体的重度对压缩机性能的影响也不如速度型那样显著，所以同一规格的压缩机，将其用于不同介质时，较易改造。

第二章总体结构方案

2.1设计基本原则

设计往复活塞式压缩机时应符合以下基本原则：（1）满足用户提出的排气量、排气压力，及有关使用条件的要求；（2）有足够长的使用寿命，足够高的使用可靠性；（3）有较高的运转经济性；（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、新技术、新材料；（7）制造工艺性良好；（8）机器的尺寸小、重量轻。

2.2气缸排列型式

压缩机气缸有多种排列型式，按气缸轴线布置的相互关系分为：卧式、立式、L型、V 型、W型、星型和对称平衡型。

卧式、对称平衡型压缩机动力平衡性能较好；立式压缩机现仅用于中、小型和微型，使机器高度均处于人体高度便于操作的范围内；L型、V型、W型、星型等角度式压缩机则适用于中、小型和微型。

L型、V型、W型、星型等角度式压缩机共同的优点是：

（1）各列的一阶惯性力的合力可用装在曲轴上的平衡重达到大部分或完全平衡。因此，机器可取较高的转数。

（2）气缸彼此错开一定角度，有利于气阀的安全与布置。因而使气阀的流通面积有可能增加。中间冷却器和级间管道可以直接装在机器上，结构紧凑。

（3）角度式压缩机可以将若干列的连杆连接在同一曲拐上，曲轴的拐数可减少，机器的轴向长度可缩短，因此主轴颈能采用滚动轴承。

而本次课程设计用的是L型活塞式压缩机。

2.3运动机构

带十字头运动机构的特点是：由于带有十字头，气缸工作表面不承受连杆传来的侧压力，所以，气缸与活塞间的摩擦和磨损较小，充分利用了气缸容积，润滑油易于控制；可以设置填料密封，所以，气体地泄漏量较小，特别是对于易燃、易爆、有毒的气体，只能采用此种结构。当然，带十字头的压缩机增多了十字头、活塞杆及填料等部件，使机器的结构复杂，高度和重量也相应增加。化工、石油等部门工艺流程中使用的压缩机都带有十字头。

本次课程设计中采用的是带十字头的活塞式压缩机。

第三章设计计算3.1 设计题目及设计参数

题目：

4L---20/8 活塞式压缩机设计

参数：

（1）排气量：有效排气量 21.5m³/min

（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

3.2 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。

3.3 设计计算

3.3.1 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

1)理论排气量1vn q 、2vn q 的计算

n ——压缩机转速 400 rpm

mm D 4201=,mm D 2502=,mm d d 4521==,rpm n 400= ()()min

/084.264002404542024

2432221211m n L d D q vn =⨯⨯-⨯⨯=⋅⋅-=

π

π ()()min

/304.94002404525024

2432222222m n L d D q vn =⨯⨯-⨯⨯=⋅⋅-=

π

π

2） 实际排气量的计算

v vn v

q q η⋅= 式中 v η—容积效率，l

T p v v λλλλη= 其中

v λ—容积系数，)1(11--=n v εαλ，α为相对余隙系数，低压级1.0=α，中压级11.0=α，ε为名义压力比。

p λ—压力系数，

98.095.0～=p λ； T λ—温度系数，98.092.0～=T λ；

容积流量的计算

l λ—泄露系数，98.090.0～=l λ；

1.01=α 11.02=α

2.11=n 25.12=n 7.21=ε 96.22=ε 由 )1(11--=n

v εαλ 算得

0.81=v λ0.871 0.82=v λ0.848 取 0.91=p λ0.96 .901=T λ0.96 9.01=l λ0.971

0.92=p λ0.98 .902=T λ0.98 9.02=l λ0.973

由 l

T p v v λλλλη= 算得 0.8

1=v η0.780 0.72=v η0.792

则 0.815626.431vn11=⨯=⋅=v v q q η26.48×0.780=20.618

0.79872.92vn2v2=⨯=⋅=v q q η9.304×0.792=7.347

3）各级行程容积s V 的计算

由 v v s n q V η=

（n 为压缩机转速） 算得

40026.431==s V 0.066

4009.272==

s V 0.023

（3）排气温度计算

m m s d T T 1-=ε

式中 m ——压缩过程指数，一般压缩过程指数取低压级k m )99.095.0(～=，中、高压级m=k （k=1.35）

注意：压缩终温不能超过160℃

第一级 293K s 1=T 32.135.198.0m 1=⨯= K 406.733 2.7

293 1.321

-1.321

111=⨯==-m

m s d T T ε

第二级 298K s 2=T 1.35m 2=

℃160℃967.123K

097.397 2.96

298 1.351

-1.351222<==⨯==-m

m s d T T ε

（4）估算轴功率（≤ 118 KW ） }

1)]1({[1)1(60110-+--=-j j

m m j j j j sj sj vj j ij m m V p s n N δελδ

本设计中，sj δ-1和j 01δ+均取为1。 ()84

.4212.71-1.321.320.6610.10.87140060132.11-1.321=-⨯⨯⨯⨯⨯=i N =42.81 ()KW

34.4412.71-1.41.40.0230.10.8484006014.11

-1.42=-⨯⨯⨯⨯⨯=i N =44.34KW 78.8600.4478.42i =+=N 42.81+44.34=87.15KW

取机械效率 0.94m =η

KW 118KW 71.920.94N N i z ≤=÷=

3.3.2 皮带传动设计计算

已知条件：P=130KW ， rpm n 7301=，rpm n 4002=

(1)求计算功率

p k P A d =

本设计为软起动，连续工作，工作时间≥16h ，查表可得3.1=A k 由此可得

KW

P d 1691303.1=⨯= (2)由计算功率d P 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

mm dd 4001=

由825.140073021===

n n i ，可计算出从动轮直径2dd mm idd dd 73012==

2） 验算带速

SPC 型窄V 带带速范围s m 255～ s

m s m n dd V 25/29.151000601

11≤=⨯=π

(4)确定中心距a 和带轮基准长度d L

1）确定带轮d L 基准长度

)

(2)(7.021021dd dd a dd dd +<<+ 取

1130730400210=+=+=dd dd a 4000mm L 4059mm 1130

440073011302113024)()(22d 202

122100==⨯-+⨯+⨯=-+++=）（π

π

a dd dd dd dd a L

2）确定实际中心距a 1101mm 2

0=-+

=L L a a d 由 d L a a 015.0min -= 以及 d L a a 03.0max += 可得

m m 1040min =a mm 1220max =a

180m m 045.0==∆d L a

(5)计算小带轮包角1α ︒>︒=︒⨯--︒=⨯--

=120162.8157.31101

)400730(1803.57180121o

o a

dd dd α (6)求V 带根数Z k p k k p p Z l d )(00∆+=

α

查表得式中

0.96=αk 0.94L =k

1=k 20.41KW 0=p

1.600=∆p

根

取9Z 8.35

1

1.60)0.940.96(20.41169

)(00==⨯+⨯⨯=∆+=

k p k k p p Z l d α

(7)单根带的预紧

0.37kg/m q = 15.29m/s v = 1071.55N 15.290.371－0.96

2.5915.29169500qv 1)－k 2.5(vZ P 500F 2

2αd 0=⨯+⨯⨯⨯=+⨯

=）（

(8)轴上的压力 N 20.19071sin81.491071.5522

sin 21

0=︒

⨯⨯⨯=⨯=z F F z α

第四章压缩机结构设计

本课程设计所设计的压缩机是如图2所示的L型空气压缩机。其主要零部件包括气缸、活塞、吸气阀、排气阀等。

4.1气缸

（1）基本结构型式

采用双作用式铸铁气缸，冷却方式为水冷，不采用缸套。

（2）气阀在气缸上的布置

要求气阀在气缸上设置的通道截面尽量大，气流阻力小以及安装检修方便。气缸顶部的两个气阀在气缸盖上作轴向布置，底部两个气阀作倾斜布置。

气阀在缸盖上的布置气缸壁厚

（3）主要尺寸

进气口和出气口直径Ф140 mm

气缸壁厚 L1＝14～16 mm L2＝12～14 mm

机身壁厚工作面 14～16 mm

非工作面 12～14 mm

要求壁厚均匀，美观，便于铸造。

4.2气阀

进气阀和排气阀均采用标准件。目前压缩机都使用随管路中气体压力变化而自动启闭的自动阀。本设计采用的是结构较简单，制造容易的环状阀。

环状阀

4.3活塞

活塞分为桶形活塞、盘形活塞、级差式活塞、隔距环组合式活塞和柱塞等几种。本设计采用的是盘形铸铁活塞，两端壁间按直径大小配加强筋3～8条，筋不能与毂部和外壁相联。

4.4活塞环

要求密封可靠并耐磨，采用铸铁环开切口的结构。一级活塞和二级活塞都采用两个活塞环。

4.5填料

压缩机中的填料多采用自紧式密封。密封圈按结构分为平面和锥形两类，采用金属或非金属作为密封圈的材料。本设计采用铸铁平面式密封圈。

4.6曲轴

曲轴是发动机中最重要的部件。它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作。曲轴受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲扭转载荷的作用。因此要求曲轴有足够的强度和刚度，轴颈表面需耐磨、工作均匀、平衡性好。

4.7中间冷却器

中间冷却器的作用多级压缩时，制冷剂气体在高、低压缩级之间进行的冷却称为中间冷却。中间冷却器应设置自动液位控制器和超高液位报警。正常液位可按制造厂规定的液位高度进行控制。报警液位控制在桶身高度2/3处。中间冷却器必须设置安全阀（或自动旁通阀）、压力表和液面指示器。

参考文献：

【1】濮良贵陈国定吴立言《机械设计》高等教育出版社，2013【2】李云姜培正《过程流体机械》化学工业出版社，2008

【3】朱家诚《机械设计课程设计》合肥工业大学出版社，2005【4】刘炀《现代机械工程图学》机械工业出版社，2011

【5】汉隆《压缩机手册》中国石化出版社 2003

【6】闻邦椿《机械设计手册》机械工业出版社，2015