过程流体机械空气压缩机课程设计

目录

一、热力学计算 (2)

1.1初步确定压力比及名义压力 (2)

1.2初步计算各级排气温度 (3)

1.3计算各级排气系数 (4)

1.4确定气缸行程容积： (6)

1.5确定气缸直径 (7)

1.6修正压力及压力比 (9)

1.7实际压力与压力比 (9)

1.8各级温度 (10)

1.9计算止点活塞力 (10)

1.10复核实际排气量 (11)

1.11计算指示功率 (11)

1.12计算功率 (12)

1.13比功率计算 (12)

二、第一级缸动力分析 (14)

2.1曲柄长度： (14)

2.2余隙容积折合的长度 (14)

2.3气体力分析 (14)

2.4摩擦力的计算 (17)

2.5往复运动质量的计算 (17)

2.6总活塞力的计算 (18)

2.7切向力计算 (18)

三、第二级缸图解法 (20)

3.1运动曲线 (20)

3.2Ⅱ各级气缸指示图 (20)

3.3作气体力展开图 (21)

3.4作切向力图 (22)

参考文献 (24)

一、热力学计算

1.1 初步确定压力比及名义压力 （1） 两级压缩总压力比

964.8009

.1045

.912===

s d P P ε 按等压力比分配原则确定各级压力比：

0.321===εεε

（2） 各级名义进、排气压力如下：

027.30.3009.1111=⨯==εs d P P 081.90.3027.3222=⨯==εs d P P

式中：

ε——两级压缩总压力比

1S P ——第一级名义进气压力

1d P ——第一级名义排气压力 2S P ——第二级名义进气压力

2d P ——第二级名义排气压力

1ε——一级压力比

2ε——二级压力比

故各级名义进、排气压力如下表：

1.2 初步计算各级排气温度

第一级进气温度：

K T s 3001=

第一级排气温度： 由公式k

k s d T T 1-=ε

可得：

K T T k

k s d 4110

.33004

.114.1111=⨯==--ε

由于介质是空气取k=1.4。 第二级进气温度：

K T s 3152=

第二级排气温度：

K T T k

k s d 4310

.33154

.114.1122=⨯==--ε

式中：

1S T ——第一级进气温度 1d T ——第一级排气温度

2S T ——第二级进气温度 2d T ——第二级排气温度

故各级名义排气温度如下表：

1.3 计算各级排气系数

因为压缩机工作压力不高，介质为空气，全部计算可按理想气体处理。

（1） 容积系数：

查表得；

一级压缩膨胀系数2.11=m ； 二级压缩膨胀系数25.12=m

近似取1

(+2

ααα=盖轴）得：

一级相对余隙容积：

111

(+=+=22

ααα=⨯盖轴）（0.1290.1403）0.135

二级相对余隙容积：

211(+=+=22

ααα=⨯盖轴）（0.1430.1955）0.169

由公式⎪

⎪⎭

⎫

⎝⎛--=111m εαλ得: 一级容积系数：

798.010.3135.01112.111111=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯-=⎪

⎪⎭

⎫ ⎝⎛--=m v εαλ 二级容积系数：

762.010.3169.011125.111222=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯-=⎪

⎪⎭

⎫ ⎝⎛--=m v εαλ 式中：

1α——一级缸相对余隙容积 2α——二级缸相对余隙容积

（2） 压力系数：

考虑到用环状阀，气阀弹簧力中等，吸气管中压力波动不大，两级压力差

也不大，可选取 96.01=p λ和98.02=p λ

（3） 温度系数:

考虑到压缩比不大，气缸有较好的水冷却，气缸尺寸及转速等，得T λ在0.835-0.975范围内，可选取1T λ=2T λ=0.90。

（4） 泄露系数:

考虑到活塞双作用，无油润滑，压力不高，缸径中等，选活塞的相对泄漏系数：

参阅文献（1）98.01=l λ和97.02=l λ

（5） 凝析系数：

根据附表可查的在20℃时水的饱和蒸汽压a b b Kp P P 735.721==，若气体经冷却后有冷却水析出，则满足如下公式：

21111b b p p εφ

75.7387.2083.2375.78.01111 =⨯⨯=εφb p ，所以级间必然有水分凝析出来，所以8.0=φ

工程上常忽略抽加气对凝析系数的影响，故把1φU 取为1，即11=φU 所以水份凝析系数2φμ：

99.01

.04

.0002337.08.04.0002337.08.01.0221221212111111

2=⨯⨯-⨯-=⨯--=P P P P P P U b b φφμφϕ

取99.02=p λ无析水要求（第二级）

（6） 排气系数：

由公式L T P V H λλλλλ=得： 一级排气系数：

676.011111==L T P V H λλλλλ

二级排气系数：

652.022222==L T P V H λλλλλ 式中：

H λ——排气系数 V λ——容积系数

P λ——压力系数 T λ——温度系数 L λ——泄漏系数

1.4确定气缸行程容积：

为了计算双作用气缸缸径，必须首先确定活塞杆直径，但活塞杆直径要根据最大气体力来确定，而气体力又需根据活塞面积（气缸直径）来计算，他们是互相制约的。因此需先暂选活塞杆直径，计算气体力，然后校核活塞杆是否满足要求。

（1） 一级气缸行程容积：

2101394.0375

676.0100

m SF n

V V H d

h =⨯=

==

λ

双作用气缸：f F F -='2 式中：

S ——冲程

n ——转数

F ——活塞工作面积

f ——活塞杆截面积

'F ——活塞截面积

d V ——排气量

（2） 二级气缸行程容积：

212212020

2

142.0300

027.3652.0375315009.110099.0m T T P P n V V

s s s s H d h =⨯⨯⨯⨯⨯⨯==λμμϕ 2φμ——水份凝析系数，取0.99；

0μ——抽气系数， 取1；

1.5 确定气缸直径

为了计算双作用气缸缸径，必须首先确定活塞杆直径，但活塞杆直要根据最大气体力来确定，而气体力又需根据活塞面积气缸直径来计算，他们是互相制约的。因此需先暂选活塞杆直径，计算气体力 然后校核活塞杆是否满足要求。 结构参数中活塞行程：

mm S 300=

电机转速：

n=375r/min

连杆长度：

l=760mm

（1） 由公式SF V h =得

一级活塞工作面积：

21131.130

.0394

.0m S V F h ===

二级活塞工作面积：

22247.030

.0142.0m S V F h ===

（2） 活塞力估算：

一级气缸活塞力：

()N P P F P s d 55111110322.110)009.1027.3(31.12

1

21⨯=⨯-⨯⨯=-=

二级气缸活塞力：

()N P P F P s d 55222210423.110)027.3045.9(47.02

1

21⨯=⨯-⨯⨯=-=

根据最大活塞力N P 5max 10423.1⨯=冲程S=300mm 查表得活塞直径取90mm 。 则活塞杆截面积222006.009.0785.04

m d f =⨯==π

（3） 气缸直径计算如下表：

（4） 根据圆整值的直径，复核活塞工作面积及气缸行程容积如下：

1.6 修正压力及压力比

校核系数043.1485.047

.031.141.1'21'=⨯=⨯=ⅡⅠh h F F F F β

所以修正后名义压力比： 一级修正后名义压力比：

1

*1

*1

s d P P =ε 二级修正后名义压力比：

*

1

1*2s d P P =

ε

式中：a s s d kp P P P 157.3027.3043.12*2*1=⨯=⨯==β代入上式中解得：

129.3009

.1157.31*1*1===s d P P ε

865.2157

.3045

.9*

1

1*2==

=

s d P P ε 1.7 实际压力与压力比

查阅文献列表如下（虚线为准）

表中0δ=s δ+d δ其中11P P s ∆=δ；2

2P P

d ∆=δ。 所以：

)1('s s s P P δ-= )1('d d d P P δ-=

式中：

0δ——总的相对压力损失 s δ——吸气相对压力损失 d δ——排气相对压力损失 根据以上数据可得表格如下：

1.8 各级温度

按公式k

k s d T T 1-⨯=ε计算得下表：

1.9 计算止点活塞力

内止点（向轴行程终点）时的活塞力：

’

‘’‘内2s 1d F P F P

P ⨯-⨯= 外止点（向盖行程终点）时的活塞力：

’‘’‘外2d 1s F P F P P ⨯-⨯=

列表如下：

表中“+”表示受拉，“—”表示受压。

所以最大活塞力为173500N 查文献得d=90mm 基本满足要求。

1.10复核实际排气量

近似认为排气系数变化不大，可取为676.01=v λ 则min /88.99394.0375676.03110m nV Q h H =⨯⨯==λ 满足要求

1.11计算指示功率

一级：查文献得公式：

⎥⎦

⎤

⎢⎣⎡--=--1160111

''11'1k k k k nV P N v h s ε

λ 代入数据解得：kw N 2881= 二级：查文献得公式：

⎥⎦

⎤⎢⎣⎡--=--1160111

''22'2k k k k nV P N v h s ε

λ 代入数据解得：kw N 2802=

总功率：kw N N N 56828028821=+=+=

1.12 计算功率

压缩机的机械功率m η：

z

m N N

=

η 该压缩机要求容积流量为min /1003m 为大型压缩机m η取0.90由上面公式解得：

kw N N m

z 63190

.0568

==

=

η 因为连接为电机与压缩机直接相连故0.1=c η

631

=

631kw 1.0

Z C C N N N == 1.13比功率计算

c g N N )15.1~05.1(=

取储备系数为1.1 则：

c g N N 1.1=kw 1.6946311.1=⨯=

所以比功率为：

min /95.688

.991

.6943⋅==

m kw V N d

g 上式中：

1N ——一级指示功率

N——二级指示功率2

N——总功率

η——联轴器效率

c

η——压缩机机械功率m

N——联轴器功率

c

N——轴功率

g

二、第一级缸动力分析

2.1曲柄长度：

150mm 0.30/2s/2r ===

)

5.3/1~6/1(5/1067/150∈===

l

r

λ 随着角度α的变化位移x 根据下公式可以求出：

)]2cos 1(4

1

)cos 1[(x αλα-+-=r

当α=0时 X=0；当90α︒=时 X=0.1647m ；当180α︒=时 X=0.3m

2.2余隙容积折合的长度

s S c ⨯=α

轴侧：

m S c 873.0030.0%90.12=⨯=I

盖侧：

m S cg 0421.030.0%03.14=⨯=

2.3 气体力分析

轴侧气体力q P ： 吸气时：

N F P s 5'

1'q 106746.0P ⨯=⋅=

排气时：

N F p 5'1'

d q 10389.2P ⨯=⋅=

压缩过程：

3

.15'1'q )0387.030.00387.0(106746.0)s (

P i

m i c c s x x s s F p ++⨯⨯=++⋅=

膨胀过程：

3.15'1'

q )0387.00387

.0(10389.2)(

p 'i

m i c c d x x s s F p +⨯⨯=+⋅= 盖侧气体力q P ： 吸气时：

N F P s 5'

2'q 106804.0P ⨯=⋅=

排气时：

N F P 5'2'd q 10409.2P ⨯=⋅=

压缩过程：

3

.15'2'q )0421.030.00421.0(106804.0)s (

P i

m i c c s x x s s F p ++⨯⨯=++⋅= 膨胀过程：

3

.15'2'

q )0421.00421.0(10409.2)(

p 'i

m i c c d x x s s F p +⨯⨯=+⋅=

气体力受力图

气体力符号规定：轴侧气体力使活塞杆受拉，为正；盖侧气体力使活塞杆受压，为负。

上述公式计算结果列于表一

2.4 摩擦力的计算

取往复摩擦力为总摩擦力的65% 即： 往复摩擦力:

f

2n 2)

11

(

)

7.0~6.0(⋅⋅-=s N R m

i s η

KN 55.560

/3750.302)190.01

(28865.0=⨯⨯-⨯⨯=

s R

关于往复摩擦力的符号规定：

1. 仍以使活塞杆受拉为正，受压为负。

2. 在 00-1800 之间为向轴行程，摩擦力使活塞杆受拉，定为正； 在 1800-3600 之间为向盖行程，摩擦力使活塞杆受压，定为负。

2.5 往复运动质量的计算

惯性力s I

图是L 型压缩机，一级缸垂直配置，二级缸水平配置，υ=90°，垂直列常是低压气缸，水平列为高压气缸。设两列的往复运动质量为m s 。

图 L 型压缩机惯性力平衡情况

惯性力：)2cos (cos 2s αλα+⋅⋅=w r m I s

往复运动质量：kg m m l s s 1.432%34115133260m ''=⨯++=+= 角速度： s rad 25.9330

375

4.1330n =⨯==

πω

所以 KN 85.9925.3915.01.432r m 22s =⨯⨯=⋅⋅ω 又5/1==l

r λ

所以 )2cos 2.0(cos 85.99αα+⨯=s I

s I 值随α变化结果列于表二

2.6 总活塞力的计算

s I ++=s q R P P ε

εP 值随α变化结果列于表二

2.7 切向力计算

)

sin 122sin (sin 2

αλα

λαε-+

=P T

式中5

1

=

λT 值随α变化结果列于表二 综合活塞力及切向力计算表 力单位：KN

三、第二级缸图解法

3.1运动曲线

由表2-11中值描点连线作出曲线图如附图1。

3.2 Ⅱ各级气缸指示图

用活塞行程为横坐标，以气体力为纵坐标，将表中的数据在坐标上描点连线即成，Ⅱ级气缸指示图如附图2。