空气压缩机课程设计

过程流体机械课程设计

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1 课程设计任务错误!未定义书签。

1.已知数据错误!未定义书签。

2.课程设计任务及要求错误!未定义书签。

2 热力计算错误!未定义书签。

1.初步确定压力比及各级名义压力错误!未定义书签。

2.初步计算各级排气温度错误!未定义书签。

3.计算各级排气系数错误!未定义书签。

4.计算各级凝析系数及抽加气系数错误!未定义书签。

5.初步计算各级气缸行程容积错误!未定义书签。

6.确定活塞杆直径错误!未定义书签。

7.计算各级气缸直径错误!未定义书签。

8.实际行程容积及各级名义压力错误!未定义书签。

9.计算缸内实际压力错误!未定义书签。

10.计算各级实际排气温度错误!未定义书签。

11.缸内最大实际气体力并核算活塞杆直径错误!未定义书签。

12.复算排气量错误!未定义书签。

13.计算功率，选取电机错误!未定义书签。

14.热力计算结果数据错误!未定义书签。

3 动力计算错误!未定义书签。

1.第Ⅰ级缸解析法错误!未定义书签。

2.第Ⅰ级缸图解法错误!未定义书签。

3.第Ⅱ级缸解析法错误!未定义书签。

4.第Ⅱ级缸图解法错误!未定义书签。

4 零部件设计错误!未定义书签。

1 课程设计任务

1.已知数据

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

工艺参数

Ⅰ级名义吸气压力：P1I=（绝），吸气温度T1I=40℃

Ⅱ级名义排气压力：P2II=（绝），吸入温度T2II=50℃

排气量（Ⅰ级吸入状态）:V d =10 m3/min

空气相对湿度: φ=

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：α1=，αII=；

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：

P2k=P1kεk，P1(k+1)=P2k

表2-2 各级名义进、排气压力（MPa)

级次名义排气压力P1

名义排气压力P2

Ⅰ

Ⅱ

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=。

计算结果如表2-3所示。计算结果表明排气温度T2<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 ℃

Ⅰ403133413140

Ⅱ503233427154

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λp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=，λpII=。

(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=

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=，V rII=

c. 因有油润滑，压力不高，选取填料相对泄漏值V pI=，V pII=

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 v vII

活塞环v rI v rII

填料v pI v pII

总相对泄漏∑v

泄漏系数λI=1/(1+∑v i )

(5)

级数λvλpλTλlλ=λvλpλTλl Ⅰ

Ⅱ

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= （40℃）

P bII= （50℃）

则:

所以在级间冷却器中必然有水分凝析出来，这时φ1II=1。

b. 计算各级凝析系数

(2)抽加气系数μo

因级间无抽气，无加气，故μoI=μoII=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=(F k+f d)

轴侧活塞工作面积: F z=(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

=1×105×710×10-4-3×105×720×10-4

=-14500N

内止点： P I 内=P 2I F ZI -P 1I F gI

=3×105×710×10-4-1×105×720×10-4

=14100N

b. 第二列（第II 级）： 外止点：

P II 外=P 1II F ZII -P 2II F gII

=3×105×233×10-4-9×105×243×10-4

=-14880N

内止点：

P II 内=P 2II F ZII -P 1II F gII

=9×105×233×10-4-3×105×243×10-4

=13680N

由以上计算可知，第二列的气体力最大，为-14880N ，约合吨。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βk 及βk+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:

P1k'=βk P1k

P2k'=βk+1P2k

ε'=P2k'/P1k'

计算结果列入表2-6。

级次ⅠⅡ计算行程容积 V hk m3

实际行程容积 V hk' m3

修正系数

βk=V hI'V hk/ (V hI V hk')

1

βk+1=V hI'V h(k+1)/

(V hI V h(k+1)')1

名义吸气压力（MPa） P1k

P1k'=βk P1k

名义排气压力（MPa） P2k

P2k'=βk+1P2k

修正后名义压力

比

ε'= P2k'/P1k'

9.计算缸内实际压力

缸内实际压力：

P s=P1'(1-δs) P d=P2'(1+δd)

由图1-10，查得δs，δd，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

级次修正后名义

压力(MPa）

相对压

力损失

1-δs

1-δd

缸内实际压

力损失

(MPa)

实际

压力比P1' P2' δsδd P s P d

ε‘=

P s/P d

Ⅰ

Ⅱ

10.计算各级实际排气温度

按k=和m=两种情况计算，计算结果见下表。从中可以看出，按k=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=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=m=

(℃) (K)ε'(k-1)/k

T2

(K)

T2

(℃) ε'(m-1)/m

T2

(K)

T2

(℃)

Ⅰ40313436163409136

Ⅱ50323462189431158

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=×105Pa

P dI=×105Pa

c. 气体力:

外止点：P I外=P SI F ZI-P dI F gI

=×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

=×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=-4m2 b. 压力

P SII=×105Pa

P dII=×105Pa

c. 气体力

外止点：P II外=P SII F ZII-P dII F gII

=×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

=×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'λI'n=××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+= KW

（3）轴功率Nz：

因本机为中型压缩机，取机械效率ηm=，则：

（4）所需电机功率：

因本机是三角皮带传动，取传动效率ηe=，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)

P1 P2ε P s P dε'

Ⅰ

Ⅱ

（2）各级实际排气温度:

T2I=409K 或T2I=136℃

T2II=431K 或T2II=158℃（3）气缸直径:

D I=300mm D II=180mm （4）气缸行程容积:

V hI'=0.028m3 V 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

运动计算

（1）曲柄运动状态： r=s/2=200/2=100mm ω=2πn/60=450π/30=

rω=×=4.72m/s

rω2=×=222.8m/s 2 （2）位移：

盖侧：(

)(

)2

11

1cos 1g X r k r ααλ

??

=-+=???

?

轴侧：z g X S X =- 速度：1

(sin cos 2)2

c r ωα

λα=+ 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。

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。 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 ＇=，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。

60o 250o 70o 260o 80o

270o

90o 280o 100o 290o 110o 300o 120o 310o 130o 320o 140o

330o

150o 340o 160o 350o 170o 360o

180o

往复惯性力计算

（1）往复运动质量的计算 连杆质量：113m kg =。

取小头折算质量：'

110.30.313 3.9m m kg ==?=

Ⅰ级活塞组件及十字头组件质量： 25.48.233.6P m kg I =+= 于是得到各级往复运动质量：

'133.6 3.937.5S P m m m kg I I =+=+=

（2）活塞加速度

加速度值由运动计算已知。 （3）计算各级往复惯性力：

S I m a I I =

计算结果列入表Ⅱ-2-17。关于惯性力的符号规定：以使活塞杆受拉为正，受压为负，这一规定恰好和惯性力与加速度方向相反的规定一致。

摩擦力的计算 (1)往复摩擦力的计算

取往复摩擦力为总摩擦力的70％ Ⅰ级往复摩擦力：

110.7241600.7(1)600.92487220.2450

i S n N m R N S I ????-?-?

???===??

关于往复摩擦力的符号规定：

a. 仍以使活塞杆受拉为正，受压为负。

b. 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）旋转摩擦力的计算 旋转摩擦力为总摩擦力的30％

110.3(

1)600.3(2426.2)(1)600.922780.2450

n N m R N S ππI I -??+?-?=

==?? 综合活塞力计算

（1）将气体力、往复惯性力及往复摩擦力合成就得到综合活塞力P ∑ P P I R I ∑I I I =++ 计算结果列入表2-18。

120o 130o 140o

150o 160o 170o 180o 190o

200o

210o 220o 230o 240o 250o 260o

270o 280o 290o 300o 310o 320o

330o 340o 350o 360o

切向力的计算

（1）切向力的计算

sin() (sin cos T P P αβαβI ∑I ∑

I ∑+==+

计算结果列入表Ⅱ-2-18。 （4）平均切向力的计算

a. 由列表计算的切向力求平均切向力 m T

36

1

420

11.6736

36

m T

T kN I =

=

=∑ b. 由热力计算所得的轴功率计算平均切向力

'3054.630

11.590.1450

m Nz T kN rn ππI ?=

==??

飞轮矩的计算

（1）压缩机一转中的能量最大变化量L ：

max 0.034920008028577.9I r L m m f N m =?=??=?

（2）旋转不均匀度δ的选取

本压缩机与电机是用三角皮带传动，由教材δ=（1/30）～（1/40）取δ=1/30。 （3）飞轮矩的计算

2222

2236003600577.9

30.231

3.1445030

L MD kgm n πδ?=

==?? 分析本压缩机动力平衡性能

2.第Ⅰ级缸图解法

运动曲线

由表2-11中的值描点连线作出曲线图如图2-2。