活塞式空压机

活塞式空压机海油服股行字〔2013〕16号附件2：活塞式空压机的运行操作与维护保养活塞式空压机的工作原理活塞式空压机常见故障及解决方法活塞式空压机的工作原理21.理论工作循环活塞式压缩机的结构和工作原理与往复泵颇为相似，但也有某些差别。首先了解单级活塞式压缩机的理想工作循环。假定：（1）气缸没有余隙容积，即活塞到达上死点时气体完全被排出气缸；（2）吸、排气过程没有压力损失和压力脉动；（3）工作过程没有气体泄漏；（4）气体与缸壁无热量交换。如图4.5-1压缩机理论工作循环，气缸内压力P为纵坐标，气缸内容积V横坐标。活塞式空压机的工作原理3当活塞从上死点（活塞离开曲轴中心线的最大距离）向下死点（活塞离开曲轴中心线的最近距离）移动时，压缩机处于吸气过程，吸气阀K1打开，排气阀K2关闭，根据假设气缸内压力始终与吸气管中压力Ps（吸入压力）相等。最大吸气容积（进气为标准大气压，即是每循环的理论排量）就是气缸工作容积Vp-—活塞在一个行程中所扫过的容积。在P-V图中吸气过程如图4.5-1所示。当活塞从下死点回行时，吸气阀K1关闭，气体在气缸内被压缩。当压力升高到排出管中压力Pd（排出压力）时，排气阀K2打开，压缩过程结束，这时缸内气体体积被压缩至V2。在P-V图上，压缩过程由1-2表示。排出阀开启后，缸内压力保持Pd不变，直到活塞行至上死点，气体全部被挤出，排气过程结束。在P-V图上，排气过程由2-3表示。活塞式空压机的工作原理4压缩过程线1-2是按气体与缸壁不存在任何热交换的绝热过程，如果压缩过程冷却极其良好，缸内气体温度始终保持不变，则压力的升高要平缓很多，等温压缩线1-2”表示。通常缸壁有一定程度的冷却，气体压缩终点2’的温度介于等温压缩和绝热压缩之间，1-2’是多变压缩过程。P-V图上循环过程线4123所包围的面积，代表每一循环耗功的大小，说明气缸冷却越好，压缩过程越接近等温过程，压缩机耗功越少。活塞式空压机的工作原理52.实际工作循环其实前面的四点假设是不成立的，活塞式压缩机的实际工作循环在P-V图上如图4－6所示，造成实际过程不同于理论过程的各种因素如下：1）余隙容积的影响为了防止活塞与缸盖发生碰撞或发生液击，活塞到达上死点时必须与缸盖保留一定的间隙（余隙），气阀通气缸的通道也有一定的容积。活塞在上死点时缸内留有的全部容积为余隙容积，用Vc表示。当排气行程结束，活塞从上死点回行时，残存在余隙容积中的压力较高的气体开始膨胀，只有当活塞回行至某一位置，缸内压力降至低于吸入管中的压力Ps一定压力植时（因为吸气阀开启有阻力），气体才顶开吸气阀进入气缸内。这一膨胀过程在P-V图上由3’-4表示。由于余隙容积的存在，压缩机的实际吸气容积比气缸工作容积Vp小，压缩机每转减少的排气量是按气体进口状态计算的，如图4－6中的ΔV’表示。图4－6活塞式空压机的工作原理6余隙容积VC使压缩机流量减少的程度用容积系数λv来衡量；λv=V’/Vp=（Vp-ΔV’）/Vp余隙容积一般低压级为0.07－0.12，中压级为0.09－0.14，高压级为0.11－0.16，容积系数λv＝0.65－0.9。余隙容积大致可用余隙高度（活塞上止点时与缸盖间的距离）来衡量，一般为0.4－2.5mm。在使用中，如果连杆两端轴承过度磨损，使用了较厚的缸盖垫片等，余隙高度有可能增大而使容积系数λv降低。检修时要按照说明书要求用压铅法测量余隙高度。活塞式空压机的工作原理72）进、排气阻力的影响在吸气过程中，由于吸气阀和吸气通道的流动阻力，缸内压力要比吸入管中的压力Ps低。在吸入行程结束时，缸内压力是P’1，活塞回行必须走过一段行程后，缸内压力才能升高到吸入压力Ps，这相当于每转排量又减少了图中所示ΔV″部分，吸气过程的压力损失使压缩机流量减少的程度可用压力系数λp来衡量：λp=V″/V’=（V’-ΔV″）/V’在排气行程中，缸内压力也要比排出管压力Pd略高。这样由于吸、排气阻力的影响，压缩机每转消耗功将增加（如图５.2-2中阴影部分所示）而流量则减少。活塞式空压机的工作原理83）吸气预热的影响压缩机工作一段时间后气阀、缸体及活塞温度升高，气体吸入过程中被加热，比容增大，使实际容积流量进一步减少，这部分损失是预热损失。预热损失在示功图上看不出来，它使压缩机容积流量减少的程度可用温度系数λt来衡量。一般λt＝0.90－0.95，随压力比的增高而减小。4）泄漏的影响泄漏损失是因吸入排气阀、活塞环等密封不严而造成的容积流量损失，它可用气密系数λl来衡量，λt一般为0.9－0.98。泄漏也会造成功率损失。活塞式空压机的工作原理93.容积流量和输气系数活塞式空压机的理论容积流量是由第一级的气缸工作容积、缸数和转速决定的，即：Vt=πD2Szn/240m2/s式中；D、S、n、z为第一级气缸直径（m）、活塞行程（m）、转速(r/min)、缸数。由于余隙容积、吸气阻力、吸气预热和泄漏的影响，压缩机实际容积流量Vs比理论容积流量Vt要小，两者的比值用输气系数λ来表示，即：λ＝Vs/Vt＝λvλpλtλl输气系数λ一般在0.65－0.80范围内。在实际管理管理工作中，为维护输气系数不致降低，最重要的是减少气阀、活塞环等引起的漏泄损失；其次是及时清洗吸气滤器，减少吸气阻力损失；此外要保持气缸冷却良好。必要时可以压铅丝检查余隙高度是否合乎设计要求。活塞式空压机的工作原理104.功率和效率压缩机用于压送气体的功率称为指示功率，用Pi表示。实际工作循环的每一循环所用的指示功，乘以转速即可求出指示功率。按压缩机理论循环计算所需功率称为理论功率。理论功率小于指示功率，它与指示功率之比称为指示效率，用ηi表示。理论功率可以按等温理论循环或绝热理论循环计算，分别称为等温理论功率（PT）和绝热理论功率(PS)。相应求出的指示效率称为等温指示效率(ηiT)和绝热指示效率(ηis)。ηiT=PT/Piηis=PS/Pi指示功率反映了实际气体在工作过程中由于吸、排气阻力及气体的摩擦、旋涡等流动损失造成的能量损失的大小.其中等温指示效率除反映上述损失外，还反映冷却达不到等温压缩的能量损失，故比绝热指示效率更低。活塞式空压机的工作原理11压缩机曲轴所得到的输入功率称为轴功率，用P表示。空压机铭牌上标注的或说明书给出的都是轴功率。由于压缩机运动部件磨损及附属设备（润滑油泵、冷却风机等）要消耗功率，轴功率大于指示功率，二者之比称为机械效率，用ηm表示，即；ηm＝Pi/P一般压缩机的机械效率ηm，微型机0.82－0.90、小型机0.85－0.92、大、中型机0.90－0.96压缩机总效率为理论功率与轴功率之比。由于等温利率论功率PT和绝热理论功率PS不同，有等温效率（用ηT表示）和绝热效率（ηS）之分。ηT=PT/P=ηiTηmηS=PS/P=ηisηm一般压缩机ηT为0.60－0.75（小型）、0.70－0.80（中型）、0.80－0.85（大型）。一般水冷空压机常以ηT为评价指标，风冷空压机常以ηS为评价指标。活塞式空压机的工作原理125.多级压缩活塞式空压机排出压力较高时都采用多级压缩和中间冷却。船用有风冷和水冷两种形式。两级压缩按气缸布置分并列气缸式与级差活塞式两类。并列活塞式的一级缸与二级缸并列布置，由双拐曲轴带动；级差活塞式由直径较大的活塞上部与气缸和缸盖间形成低压级工作空间；直径较小的活塞下部与气缸之间的环形空间为高压级工作空间。外界空气经滤器A由低压级吸入，压缩后经中间冷却器E进入高压级，排出后通过后冷器H进入气瓶。活塞式空压机的工作原理13采用多级压缩与中间冷却的好处是：（1）降低排气温度，改善润滑条件；（2）提高输气系数；（3）节省压缩耗功；（4）减轻主要部件的受力。活塞式空压机的工作原理146.活塞式空压机的基本结构活塞式空压机的结构与往复泵有许多相似的地方，但由于排送的工作介质是空气，因而结构上也有其特点。钻井平台使用的活塞式空气压缩机有一级压缩、二级压缩和三级压缩。一级压缩、二级压缩和三级压缩分别应用在低压空气系统、中压空气系统和高压空气系统中。现结合CZ60/30型空压机（右图4-8）予以说明。图4-8活塞式空压机的工作原理15曲轴13只有一个曲轴，输入端装有联轴器的飞轮，电动机通过弹性联轴器带动曲轴旋转，铝合金铸造的活塞6为级差式，上下两段直径不同（上大下小）；气缸8直径相应也不相同。活塞顶部以上为一级工作空间，活塞过渡锥面以下的环形空间为二级工作空间。活塞上段和下段分别有6道气环和1道油环。一级吸气阀4和排气阀7安装在气缸盖5上，升程为3mm，安全阀10安装在第二级入口处，开启压力0.7MPa，（一般比额定排压约高15%）；二级的吸气阀9和排气阀17装在气缸中部的阀室内，升程2.1mm，安全阀16装在排气阀室出口处，开启压力3.3MPa（一般比额定排压约高10%）。气缸8与曲轴箱之间的垫片厚度影响二级工作空间的余隙容积，气缸与气缸盖间的垫片厚度影响第一级工作空间的余隙容积，活塞在上死点时与气缸盖间隙应保持在0.5-1.0mm。活塞式空压机的工作原理167.空压机结构的其他特点：气阀：气阀使压缩机中最重要的易损件，其工作好坏直接影响压缩机的容积流量和效率。对气阀的要求是：关闭严密、启阀及时、阻力小、结构简单、易于加工及安装维修方便，对气阀通道形成的余隙容积要小。安全阀：为防止空压机排气压力超过允许值发生机械事故，一般空压机各级均设通大气的安全阀。空压机的安全阀应动作灵活、可靠。国标规定，当排气截止阀关闭后，空压机的排气压力升至额定排气压力的110％时，最后级安全阀开启则排气压力不再上升；级间安全阀的跳起压力不应超过该级额定排气压力的120％。润滑设备：空压机的润滑目的在于减小相对运动部件的摩擦，带走部分摩擦热量，增加气缸壁和活塞环间的气密性。主要润滑部位包括：主轴承、连杆大、小端轴承及活塞与气缸壁之间。润滑形式有飞溅润滑和压力润滑。曲轴箱油位控制在油尺两刻度中间。油位过低，溅油量不足；油位过高，活塞式空压机的工作原理17则溅油量过大，耗油、耗功。过多的润滑油窜入气缸会产生结炭，使气阀、活塞环漏气，排气携油过多还会使气道中积炭过多。冷却系统：冷却对空压机十分重要。空压机的冷却系统主要包括：（1）级间冷却——级间冷却效果越好，降低排气温度和减少功耗的效果越显著；（2）后冷缺——最后一级排气流经后冷却器是为了减小最后排气的比容，提高气瓶储气量，减轻气压降低程度，并使排气中的油和水蒸汽冷凝而便于分离；（3）气缸冷却——空压机工作温度较高，气缸和缸盖都需要冷却，以利于减少压缩功，降低排气温度及避免润滑油温度过高。过渡冷却会使缸壁温度过低，湿空气会在缸壁结霜，还可能造成水击；（4）润滑油冷却——使润滑油保持良好的的润滑和气密作用，还有助于带走摩擦产生的热量，并能减缓油氧化变质的速度。液气分离器：液气分离器的作用主要是分离出空压机排气中细小的油滴和空气被压缩冷凝后析出的水分。活塞式空压机的工作原理188.空压机自动控制应满足一下基本要求：自动启动和停机——通常由安装在气瓶上的压力继电器控制。每台空压机各由一个压力继电器控制，其接通和切断值都相差一定值，根据说明书和生产需要进行调节。自动卸荷和泄放——启动时常用卸载电磁阀控制压缩机空气使第一级吸气阀常开，或将各级冷却器的泄放电磁阀打开，实现卸载启动，减轻启动负荷的冲击。自动保护和报警——通常设有下列自动保护，其中有的有显示故障的报警指示灯：（1）电机过载保护。常用热机电器实现，同时还兼有电源缺相保护作用；（2）过电流保护。常用空气开关或过电流继电器实现；（3）润滑油低压保护。压力润滑的压风机当润滑油压力低于调定值时，油压继电器即断电停机；（4）排气高温保护。空压机在后冷器排出口必须安装温度检测装置，超过额定温度设定值时，温度计电器动作使压缩机停机。活塞式空压机的运行操作与维护保养191.启动：1)一般性检查：底座及机体本身螺栓应无松动，无妨碍物影响运转，仪表和装置正常，手动盘车1－2圈，证实内部无异常。2)检查曲轴箱油位：油位应保持在油尺规定的范围内。