空气压缩机课程设计
过程流体机械课程设计
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目录
1 课程设计任务 (3)
1.已知数据 (3)
2.课程设计任务及要求 (4)
2 热力计算 (5)
1.初步确定压力比及各级名义压力 (5)
2.初步计算各级排气温度 (5)
3.计算各级排气系数 (6)
4.计算各级凝析系数及抽加气系数 (8)
5.初步计算各级气缸行程容积 (8)
6.确定活塞杆直径 (9)
7.计算各级气缸直径 (10)
8.实际行程容积及各级名义压力 (10)
9.计算缸内实际压力 (12)
10.计算各级实际排气温度 (13)
11.缸内最大实际气体力并核算活塞杆直径 (13)
12.复算排气量 (15)
13.计算功率，选取电机 (15)
14.热力计算结果数据 (16)
3 动力计算 (18)
1.第Ⅰ级缸解析法 (18)
2.第Ⅰ级缸图解法 (28)
3.第Ⅱ级缸解析法 (31)
4.第Ⅱ级缸图解法 (40)
4 零部件设计 (44)
1 课程设计任务
1.已知数据
1.1结构型式
3L-10/8空气压缩机的结构型式为二列二级双缸双作用L型压缩机1.2工艺参数
Ⅰ级名义吸气压力：P
1I =0.1MPa（绝），吸气温度T
1I
=40℃
Ⅱ级名义排气压力：P
2II =0.9MPa（绝），吸入温度T
2II
=50℃
排气量（Ⅰ级吸入状态）:V d =10 m3/min 空气相对湿度: φ=0.8
1.3结构参数
活塞行程： S=2r=200mm
电机转速： n=450r/min
活塞杆直径： d=35mm
气缸直径：Ⅰ级，D
I =300mm ；Ⅱ级，D
II
=180mm ；
相对余隙容积：α
1=0.095，α
II
=0.098；
电动机：JR115-6型，75KW；
电动机与压缩机的联接：三角带传动；连杆长度：l=400mm；运动部件质量（kg）：见表2-1
表2-1 运动部件质量
2.课程设计任务及要求
a. 热力计算：包括压力比分配，气缸直径，排气量，功率，各级排气温度，缸内实际压力等。
b.动力计算：作运动规律曲线图，计算气体力，惯性力，摩擦力，活塞力，切向力，法向力，作切向力图，求飞轮矩，分析动力平衡性能。
2 热力计算1.初步确定压力比及各级名义压力(1)按等压力比分配原则确定各级压力比：
两级压缩总压力比
取
(2)各级名义进、排气压力如下：
P 2k =P
1k
ε
k
， P
1(k+1)
=P
2k
表2-2 各级名义进、排气压力（MPa)
级次名义排气压力P
1名义排气压力P
2
Ⅰ0.10.3
Ⅱ0.30.9
2.初步计算各级排气温度
按绝热过程考虑，各级排气温度可用下式求解：
介质为空气，k=1.4。
计算结果如表2-3所示。计算结果表明排气温度T
2
<160℃，在允许使用范围内。
表2-3 各级名义排气温度
级次
名义吸气温度计算参数名义排气温度
℃K
εk ε(k-1)/k K ℃Ⅰ403133 1.4 1.321413140Ⅱ503233 1.4 1.321427154 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。
由排气系数的计算公式：
分别求各级的排气系数。
(1)计算容积系数：
其中，多变膨胀指数m的计算按表1-3查得：
I级多变膨胀指数m
I
：
II级多变膨胀指数m
II：
则各级容积系数为：
(2)压力系数λ
p
的选择：
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 λpI =0.97，λpII =0.98。 (3)温度系数λT 的选取：
考虑到压缩比不大，气缸有较好的水冷却，气缸尺寸及转速中等，从图1-6查得λT 在0.935-0.975范围内，可选取λTI =λTII =0。96。 (4)泄漏系数λ1的计算：
用相对漏损法计算λ1：
a. 考虑气阀成批生产，质量可靠，阀弹簧力中等，选取气阀相对泄漏值V vI =V vII =0.02
b. 活塞均为双作用，有油润滑，缸径中等，压力不高。选活塞环相对泄漏值V r1=0.005，V rII =0.006
c. 因有油润滑，压力不高，选取填料相对泄漏值V pI =0.005，V pII =0.001 由于填料为外泄漏，需在第Ⅰ级内补足，所以第Ⅰ级相对泄漏中也包括第Ⅱ级填料的外泄漏量在内，泄漏系数的计算列入表2-4。
泄损部位
相对泄漏值 Ⅰ级 Ⅱ级 气阀 v vI 0.02 v vII 0.02 活塞环 v rI 0.005 v rII 0.006 填料
v pI 0.0005 v pII
0.001 0.001 总相对泄漏 ∑v
0.0265 0.027 泄漏系数
λI =1/(1+∑v i ) 0.974
0.973
(5)各级排气系数计算结果列入表2-5
级
数λ
v
λ
p
λ
T
λ
l
λ=λ
v
λ
p
λ
T
λ
l Ⅰ0.8580.970.960.9740.778
Ⅱ0.8650.980.960.9730.789
4.计算各级凝析系数及抽加气系数
(1)计算各级凝析系数
a. 计算在级间冷却器中有无水分凝析出来
查表1-5得水在40℃和50℃时的饱和蒸汽压:
P
bI
=7.375kPa （40℃）
P
bII
=12.335kPa （50℃）
则:
所以在级间冷却器中必然有水分凝析出来，这时φ
1II
=1。
b. 计算各级凝析系数
(2)抽加气系数μ
o
因级间无抽气，无加气，故μ
oI
=μ
oII
=1
5.初步计算各级气缸行程容积
6.确定活塞杆直径
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）计算任一级活塞总的工作面积
，（z-同一气缸数）有：
（2）暂选活塞杆直径
根据双作用活塞面积和两侧压差估算出该空压机的最大气体力约为1.5吨左右，由附录2，暂选活塞杆直径d=35mm。
活塞杆面积
（3）非贯穿活塞杆双作用活塞面积的计算
盖侧活塞工作面积: F
g =0.5(F
k
+f
d
)
轴侧活塞工作面积: F
z =0.5(F
k
-f
d
)
Ⅰ级：
Ⅱ级：
（4）计算活塞上所受气体力计算
a. 第一列（第Ⅰ级）：
外止点：
P
I外=P
1I
F
ZI
-P
2I
F
gI
=1×105
×710×10
-4
-3×10
5
×720×10
-4
=-14500N
内止点：
P
I内=P
2I
F
ZI
-P
1I
F
gI
=3×105
×710×10
-4
-1×10
5
×720×10
-4
=14100N
b. 第二列（第II级）：
外止点：
P
II外=P
1II
F
ZII
-P
2II
F
gII
=3×105
×233×10
-4
-9×10
5
×243×10
-4
=-14880N
内止点：
P
II内=P
2II
F
ZII
-P
1II
F
gII
=9×105
×233×10
-4
-3×10
5
×243×10
-4
=13680N
由以上计算可知，第二列的气体力最大，为-14880N，约合1.5吨。由附表2可知，若选取活塞杆直径d=30mm是可以的，但考虑留有余地，取d=35mm。
7.计算各级气缸直径
（1）计算非贯穿活塞杆双作用气缸直径
根据，有：
（2）确定各级气缸直径
根据查表1-6，将计算缸径圆整为公称直径：
D I =300mm；D
II
=180mm
8.实际行程容积及各级名义压力
（1）计算各级实际行程容积V
h
'
非贯穿活塞杆直径双作用气缸行程容积：
（2）各级名义压力及压力比
因各级实际行程容积V
hk '与计算行程容积V
hk
不同，各级名义压力及压力
比必然变化。各级进、排气压力修正系数β
k 及β
k+1
分别为：
a. 各级进气压力修正系数：
b. 各级排气压力修正系数：
c. 修正后各级名义压力及压力比:
P 1k '=β
k
P
1k
P 2k '=β
k+1
P
2k
ε'=P
2k '/P
1k
'
计算结果列入表2-6。
级次ⅠⅡ
计算行程容
积V
hk
m30.028560.00953
实际行程容
积V
hk
' m30.0280.01
9.计算缸内实际压力缸内实际压力：
P s =P
1
'(1-δ
s
) P
d
=P
2
'(1+δ
d
)
由图1-10，查得δ
s ，δ
d
，计算各级气缸内实际压力，结果见下表。
表2-7 考虑压力损失后的缸内实际压力
比
10.计算各级实际排气温度
按k=1.4和m=1.3两种情况计算，计算结果见下表。从中可以看出，按k=1.4计算出的排气温度超过了180℃的允许范围，但实际测出的排气温度接近多变压缩m=1.3的结果，认为在允许的范围内。
表2-8 根据实际压力比求得各级实际排气温度
级次吸气温度实际
压力
比ε
'
k=1.4m=1.3
(℃) (K)ε'(k-1)/k
T
2
(K)
T
2
(℃) ε'(m-1)/m
T
2
(K)
T
2
(℃)
Ⅰ40313 3.2 1.394436163 1.308409136
Ⅱ50323 3.54 1.434462189 1.338431158
11.缸内最大实际气体力并核算活塞杆直径
气缸直径的圆整，活塞杆直径的选取及各级吸排气压力的修正都直接影响到气体力，需重新计算如下：
（1）第Ⅰ列(第Ⅰ级)
a. 活塞面积
盖侧：
轴侧：
b. 压力:P
SI
=0.95×105Pa
P
dI
=3.04×105Pa c. 气体力:
外止点：P
I外=P
SI
F
ZI
-P
dI
F
gI
=0.95×105×697×10-4-3.04×105×707×10-4
=-14870N
内止点: P
I内=P
dI
F
ZI
-P
SI
F
gI
=3.04×105×697×10-4-0.95×105×707×10-4
=14480N
（2）第Ⅱ列(第Ⅱ级)
a. 活塞面积
盖侧：
轴侧：F
ZII =F
gII
-f
d
=0.0254-9.62×10-4=244×10-4m2
b. 压力
P
SII
=2.7×105Pa
P
dII
=9.59×105Pa c. 气体力
外止点：P
II外=P
SII
F
ZII
-P
dII
F
gII
=2.7×105×244×10-4-9.59×105×254
×10-4
=-17800N
内止点：P
II内=P
dII
F
ZII
-P
dII
F
gII
=9.59×105×244×10-4-2.7×105×254
×10-4
=16640N
由以上计算表明，最大气体力在第Ⅱ列外止点（-17800N），约为1.8吨，没有超过活塞杆的允许值，可用。
12.复算排气量
气缸直径圆整后，压力比发生变化，引起容积系数相应的变化。
如其它系数不变，则排气系数为：
经上述修正后的排气量为：
V
d =V
hI
'λ
I
'n=0.028×0.79×450=9.96m3/min
计算结果与题目要求接近，说明所选用的气缸是合适的。
13.计算功率，选取电机
（1）计算各级指示功率
（2）整机总指示功率：
N i =N
iI
+N
iII
=24+26.5=50.2 KW
（3）轴功率Nz：
因本机为中型压缩机，取机械效率η
m
=0.92，则：
（4）所需电机功率：
因本机是三角皮带传动，取传动效率η
e
=0.97，则：
实际本机选用JR1156型三相绕线式感应电动机，功率为75KW是足够的，说明以上计算可用。
14.热力计算结果数据
（1）各级名义，实际压力及压力比见下表
表2-9 各级名义、实际压力及压力比
级次
名义压力(MPa)实际压力(MPa)
P
1
P
2
εP
s
P
d
ε'
Ⅰ0.10.28 2.80.0950.304 3.2
Ⅱ0.280.9 3.210.270.959 3.64（2）各级实际排气温度:
T
2I =409K 或 T
2I
=136℃
T
2II =431K 或 T
2II
=158℃
（3）气缸直径:
D I =300mm D
II
=180mm
（4）气缸行程容积:
V hI '=0.028m3V
hII
'=0.01m3
（5）实际排气量:
V
d
'=9.96m3/min
（6）活塞上最大气体力:
P
max =P
II外
=-17800N
（7）电动机功率:
N
e
=75KW
（8）活塞杆直径：d=35mm
3 动力计算
1.第Ⅰ级缸解析法
1.1 运动计算
（1）曲柄运动状态：
r=s/2=200/2=100mm ω=2πn/60=450π/30=47.2
rω=0.1×47.2=4.72m/s
rω2
=0.1×47.22=222.8m/s 2
（2）位移：
盖侧：(
)()
2111cos 1g X r k r ααλ??
=-+=????
轴侧：z g X S X =-
速度：1
(sin cos 2)2
c r ωαλα=+
加速度: 2(cos sin 2)a r ωαλα=+
每隔10s 按上述计算g x ,z x ,c ,a 将结果列入表2-11，其中α是第Ⅰ列及第Ⅱ列本列的曲柄转角，两者结果一样，故共用一个表。
1.2 气体力计算
用列表计算法作各级气缸指示图及气体力展开图。 （1） 各过程压力：
膨胀过程: 00m
i s i s P P s x ??
= ?+??
进气过程: P i =P s
压缩过程: 00m
i s i s s P P s x ??
+=
?+??
排气过程: P i =P d
本机属于中型压缩机，取m=m ＇=1.4，x i 是活塞位移，用运动计算中各点的位移值。因本机为双作用活塞，盖侧气体力与轴侧气体力应分别列表计算。 （2）气体力：
盖侧 i i g P p F =-
轴侧 i i z P p F =-
对双作用活塞盖侧与轴侧气体力应分别计算，然后将同一转角时两侧气体力合成。
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。
（3）将计算结果列入表中：
Ⅰ级盖侧气体力列入表2-12，Ⅰ级轴侧气体力列入表2-13，合成气体力列入表2-16。