压缩机基础理论及应用

往复式压缩机——理论及应用——理论及应用0往复式压缩机•压缩机分类•往复式压缩机基本工作原理•压缩机热力计算及动力计算•压缩机的主要零部件及易损件•常见故障的判断和分析0.1内容提要4容积式压缩机－活塞式压缩机、膜式压缩机－回转式压缩机(转子式、滑片式、液环式、罗茨鼓风机、螺杆式)速度式压缩机－离心式压缩机－轴流式压缩机－喷射泵压缩机分类活塞式压缩机膜式压缩机压缩机分类2.5.3罗茨鼓风机转子式压缩机螺杆式压缩机y滑片式压缩机压缩机分类2.5.5离心式压缩机轴流式压缩机压缩机分类81.按排气压力分：3bar鼓风机3－10bar低压压缩机10－100bar中压压缩机100－1000bar高压压缩机1000bar超高压压缩机2.按排气量分：1Nm3/min微型压缩机1－10Nm3/min小型压缩机10－60Nm3/min中型压缩机60Nm3/min大型压缩机活塞式压缩机的分类V型W型立式卧式3.按气缸中心线与地平面的相对位置分：活塞式压缩机的分类104.按压缩级数分：单级压缩机两级压缩机多级压缩机5.按活塞在气缸内实现的气体压缩循环分：单作用式压缩机双作用式压缩机级差式压缩机活塞式压缩机的分类驱动装置气缸单作用式往复机双作用式往复机盖侧轴侧“曲拐”“十字头”驱动装置气缸活塞式压缩机的分类3.3.31级2级级差式压缩机级差式压缩机活塞式压缩机的分类136.按列数分：单列压缩机两列压缩机多列压缩机活塞式压缩机的分类14活塞式压缩机的其它分类方法有油润滑压缩机和无油润滑压缩机有十字头和无十字头压缩机空冷压缩机和水冷压缩机固定式压缩机和移动式压缩机15压缩空气作为传递力能的介质使气体液化（LPG、LNG）压缩气体利于合成（石油化工）输送气体（CNG）吹瓶（PET）…………压缩机的用途16LNG（液化天然气）气田液化船运LNG接收站终端用户净化、脱水、液化储槽储存、汽化、BOG处理压缩机的应用17地下储气CNG（压缩天然气）压缩机的应用18CNG汽车加气站压缩机的应用19PET吹瓶PET吹瓶油田注气油田注气压缩机的应用20压缩机的应用带有气瓶的氢气汽车带有气瓶的氢气汽车林德公司已建设完成了世界上首座使用超高压（700bar）技术的氢气加气站，是全球推广使用氢能源汽车的一个重要里程碑。相对于通常的加气系统，这种超高压加气系统可以使燃料电池型车辆的行驶里程增加60%至70%，达到甚至超过400公里（250英里）。该加气站采用带有优化能源消耗的智能压缩技术，耗能比一般加气站要低得多，同时也比常规加气站更具严格的保护措施，尤其在防止燃料泄漏和误操作方面。林德公司已建设完成了世界上首座使用超高压（700bar）技术的氢气加气站，是全球推广使用氢能源汽车的一个重要里程碑。相对于通常的加气系统，这种超高压加气系统可以使燃料电池型车辆的行驶里程增加60%至70%，达到甚至超过400公里（250英里）。该加气站采用带有优化能源消耗的智能压缩技术，耗能比一般加气站要低得多，同时也比常规加气站更具严格的保护措施，尤其在防止燃料泄漏和误操作方面。21压缩机的应用22三、四千年前用“皮老虎”压气鼓风从事冶炼技术木制“风箱”是现代活塞式压缩机的雏形1757年英国人Wilkinson提出“金属风箱”专利1777年Watt设计蒸汽驱动的压缩机1834年医生Perking发明第一台活塞制冷机1874年Linde制造第一台氨压缩式制冷机1939年第一台超高压压缩机问世1894年Hoerbiger发明网状阀1916年Corblin发明膜式压缩机1934年石墨作密封元件实现气缸无油润滑1935年Sulzer研制成迷宫式压缩机1952年PTFE用于压缩机密封元件压缩机的发展历史2.1.1通过曲轴连杆机构将旋转运动转化为往复运动往复式压缩机的工作原理2.1.2气阀气缸活塞膨胀及吸气过程膨胀及吸气过程压缩及排气过程压缩及排气过程往复式压缩机的工作原理2.1.4膨胀过程吸气过程压缩过程排气过程往复式压缩机的工作原理2.1.5cmaxcm=s.n301排气压力p2进气压力p1234活塞行程活塞速度s...行程n...转速pv示功图进气压力p1排气压力p2cv往复式压缩机的工作原理27•排气压力•排气温度•排气量•功率和效率压缩机的热力性能289压缩机的排气压力由压缩机排气系统内的气体压力决定，即由“背压”决定。9排气温度与入口温度、压缩比及气体特性有关：T2＝T1(P2/P1)k-1/k9排气温度应进行监控：9排气温度过高会造成润滑油润滑性能下降，润滑油积碳堵塞阀槽，活塞环软化或加速磨损，非金属阀片融化等。排气压力/温度29排气量通常指标准吸气状态下(1大气压，0oC)的气量,Nm3/min热力计算时是要把它转换到入口状态下的气量(Vm)。排气量Vt-----气缸的行程容积µdi-----i级干气系数µoi-----i级抽气系数Ps1Psi-----I级和i级公称吸气压力Ts1Tsi-----I级和i级公称吸气温度Kξs1ξsi-----I级和i级在吸气状态下的压缩性系数Vt-----气缸的行程容积µdi-----i级干气系数µoi-----i级抽气系数Ps1Psi-----I级和i级公称吸气压力Ts1Tsi-----I级和i级公称吸气温度Kξs1ξsi-----I级和i级在吸气状态下的压缩性系数mssissisisioiditiVTTPPV×××××=111ξξλμμλi-----i级的排气系数,λi=λvλpλTλgλv-----i级的容积系数λp-----i级的压力系数λT-----i级的温度系数λg-----i级的泄漏系数30λv=1-αx(ع1/m-1)α-----相对余隙容积ع-----名义压力比m-------膨胀指数α;ع;越大,容积系数越小;m越大,容积系数越大p-V图容积系数行程容积Vswept吸气容积VsuctionPressurepShowninidealform0°Crankangle180°360°余隙容积VcTDCBDCλv=VsuctionVsweptα=VcVswept31ƒ气阀阻力,ƒ气阀提前关闭ƒ阀窝阻力,ƒ进气管线压力脉动进气腔内吸气终了压力越低,吸气量减小,压力系数越小.压力系数1.2.5整个进排气功效损失发生在...气阀功效损失发生在气阀内排气腔内管线缓冲罐内进气腔内阀窝内排气阀内进气阀内阀窝内进气阀:吸气过程排气阀:排气过程进排气功效损失的组成33排气压力(名义)气阀中的损失管道及脉动损失排气室中的脉动压力阀窝中的损失排气阀功效损失的构成34ƒ吸气阻力ƒ余隙容积ƒ与气缸,缸头的温差;ƒ传热面积;ƒ冷却效果ƒ介质传热特性吸气过程吸热越多,吸气温度越高,温度系数越小温度系数35压缩机泄漏分为两种:ƒ外泄漏---直接漏入大气或一级进气管线•一级进,排气阀•一级活塞环•各级填料ƒ内泄漏•其余级的进排气阀•其余级的活塞环ƒ外泄漏越大,泄漏系数越小;ƒ内泄漏不直接影响排气量,但影响级间压比,排气温度和功率泄漏系数36摩擦功率-----克服机械摩擦消耗的功率轴功率＝指示功率+摩擦功率+轴驱动设备耗功功率和效率sidinnpvtsinnVPNξξελλ⎟⎠⎞⎜⎝⎛−−⋅=−111001KwKw原动机功率=(1.05~1.2)倍轴功率/传动效率一般估算：轴功率=等温功率/等温效率等温轴效率-----等温功率/轴功率,0.6~0.75绝热轴效率-----绝热功率/轴功率,0.65~0.72传动效率-----0.96~0.99原动机功率=(1.05~1.2)倍轴功率/传动效率一般估算：轴功率=等温功率/等温效率等温轴效率-----等温功率/轴功率,0.6~0.75绝热轴效率-----绝热功率/轴功率,0.65~0.72传动效率-----0.96~0.99指示功率Ni-----实际循环消耗的功率指示功率Ni-----实际循环消耗的功率37惯性力：由往复和不平衡旋转质量造成的气体力：由气体压力所造成的作用力摩擦力：由接触表面相对运动时产生的压缩机中的作用力活塞杆受力=气体力+惯性力活塞杆受力2.4.6改变压缩机的负荷调节方式会改变活塞杆的负荷变向。设计压缩机时必须保证活塞杆的负荷变向。活塞杆的负荷变向保证在十字头销上的润滑油膜的维持。否则会造成连杆轴承咬死损坏，以及其它一系列故障。-200-1000100200TDCBDCTDCLoad-reversal受压受拉活塞杆的负荷变向某一气缸卸载时的活塞杆受力2.4.741气缸直径D活塞行程s转速n活塞平均速度vm=sn/30气体组份...压缩机的其它参数当实际工况发生重大改变时,如:各段气体成分改变;中间抽气量改变;排气压力改变或气量调节引起压力比重新分配等,压缩机的各项性能参数都会发生变化当实际工况发生重大改变时,如:各段气体成分改变;中间抽气量改变;排气压力改变或气量调节引起压力比重新分配等,压缩机的各项性能参数都会发生变化42压缩机的主要零部件及易损件™机身、中体、气缸、缸套™曲轴、连杆、十字头™活塞、活塞杆™气阀™活塞环、支承环™填料、刮油环、挡油环2.4.2曲轴十字头滑道连杆大头瓦连杆十字头销连杆小头瓦十字头主轴承活塞活塞杆双作用气缸压缩机曲轴十字头滑履连杆大头瓦连杆曲轴箱十字头销十字头主轴承连杆小头瓦连杆螺栓十字头滑道机身、曲轴、十字头机身、曲轴机身材料:一般为铸铁也有焊接式机身主轴承曲轴材料:45#,42CrMo锻件;球铁主轴承:滚动轴承滑动轴承曲轴活塞杆挡油圈中间填料盒刮油填料盒12主填料盒中体3.3.1冷却水管气缸直径吸气管道排气管排气阀阀窝排气阀压阀罩阀压盖阀压盖压阀罩吸气阀吸气阀阀窝活塞活塞环气缸盖缸套卸荷器执行机构卸荷器活塞杆中体填料气缸3.3.4•易于气阀拆装•减小气流在气阀和阀窝中的损失•余隙容积小气缸设计要求:气缸中的阀窝和压阀罩3.3.73.气阀的正确安装方向排气阀阀窝4.正确地压紧气阀排气阀阀窝1.气阀的正确组装2.不要混淆吸/排气阀.SD气阀盖侧轴侧3.3.2气缸材质API:•=70bar:铸铁•70bar:铸钢•180bar:锻钢国内:•=50bar:铸铁•50bar:铸钢•100bar:锻钢缸套3.3.11缸套材质通常为铸铁，也有铸钢的。为保证常用的非金属活塞环的长周期运行，通常希望表面不镀铬。缸套3.2.5连杆连杆体材料:45#锻件;合金钢锻件;球铁;锻铝连杆螺栓材料:优质合金钢40Cr,35CrMoA小头瓦材料:铜合金;钢浇巴氏合金大头瓦:一般与主轴承相同3.2.6十字头销十字头的作用:气缸利用率高气体泄漏少润滑油可控制导向作用使气缸与活塞磨损小一般用于工艺压缩机、中型空压机.十字头材料:铸钢,铸铁;十字头销材料:45#表面淬火十字头3.3.12活塞型式：•筒形活塞•盘形及鼓形活塞•级差式活塞•柱塞活塞材质：铸铝;灰铸铁;20#16Mn焊接;锻钢;35(38)CrMoAIA活塞55级差式活塞一第一级第二级56级差式活塞二第四级平衡腔第三级3.3.16活塞杆活塞杆材料一般为35＃，45＃钢，填料配合处表面淬火高压和腐蚀气体时，用38CrMoAlA，表面氮化处理;国外多用合金钢锻件，如42CrMo调质后表面淬火或TC3处理。活塞杆3.3.14越程问题余隙改变问题活塞环和支承环3.3.17.冷却水漏气回收填料盒Pressure填料环3.3.19单作用密封环组填料盒气体压力密封环磨损后有补偿轴向/径向密封气体压力气体压力PTFE材质的密封环组环型安装弹簧活塞杆气体压力填料环的工作原理3.3.20含添加成分的PTFE环铜环环型安装弹簧63◆驱动机◆压缩机主机◆气路系统◆润滑系统---气缸填料(注油器)；运动件(主/辅泵)◆冷却系统---气缸填料(软化水)；冷却器等（循环水）◆仪控系统压缩机组的构成64电动机0.5~7000kW80%的压缩机采用电机驱动内燃机500kW多用于小型压缩机装置汽轮机400~2500kW压缩机的驱动方式采用汽轮机驱动的压缩机采用汽轮机驱动的压缩机65™主工艺气管线：进气过滤器、缓冲器、冷却器、分离器等气量调节系统™充氮管线™卸