W型空气压缩机设计

1 引言

空气压缩机是指压缩介质为空气的压缩机，主要作用是为生活、生产提供源源不断地、具有一定压力的压缩空气。作为一种工业装备，压缩机广泛应用于石油、化工、天然气管线、冶炼、制冷和矿山通风等诸多重要部门；作为燃气涡轮发动机的基本组成元件，在航空、水、陆交通运输和发电等领域随处可见；作为增压器，已成为当代内燃机不可缺少的组成部件。在诸如大型化肥、大型乙烯等工艺装置中，它所需投资可观，耗能比重大，其性能的高低直接影响装置经济效益，安全运行与整个装置的可靠性紧密相关，因而成为备受关注的心脏设备[1]。

压缩机按工作原理可分为容积式和动力式两大类；按压缩级数分类，可分为单级压缩机、两级压缩机和多级压缩机；按功率大小分类，可分为微小型压缩机、中型压缩机和大型压缩机。按压缩机的结构形式可分为立式、卧式和角度式。而且角度式又可分为L型、V型、W型、扇形和星型等。不同形式的压缩机具有其鲜明的特点，根据其工作原理的不同决定了其不同的适用范围[2]。

空气压缩机的选择主要依据气动系统的工作压力和流量。起源的工作压力应比气动系统中的最高工作压力高20%左右，因为要考虑供气管道的沿程损失和局部损失。如果系统中某些地方的工作压力要求较低，可以采用减压阀来供气。空气压缩机的额定排气压力分别为低压（0.7MPa~1.0MPa）、中压（1.0MPa~10MPa）、高压（10MPa~100MPa）和超高压（100MPa以上），可根据实际需求来选择。常见使用压力一般为0.7~1.25MPa[3]。

空气压缩机应用范围极为广泛，且由资料显示国内需求量呈上升趋势，是中小型工业用压缩机一个庞大的族群。中、小型微型工业用往复活塞式压缩机有着相同的传动部件基础上变换压缩级数和气缸直径，迅速派生出多品种变形产品的便利条件。不仅其容积流量、排气压力变化多端，通过适当调整部分零部件材质还可以压缩多种气体，大为扩展服务领域[4]。

活塞式压缩机与其他类型的压缩机相比，特点是

（1）压力范围最广。活塞式压缩机从低压到超高压都适用，目前工业上使用的最高工作压力达350MPa，实验室中使用的压力则更高。

（2）效率高。由于工作原理不同，活塞式压缩机比离心式压缩机的效率高很多。而回转式压缩机由于高速气流阻力损失和气体内泄漏等原内，效率亦较低。

（3）适应性强。活塞式压缩机的排气量可在较广泛的范围内进行选择；特则是在较小排气量的情况下，要做成速度型，往往很困难，甚至是不可能的。此外，气体的重度对压缩机性能的影响也不如速度型那样显著，所以同一规格的压缩机，将其用于不同介质时，较易改造[5~7]。

根据机械部JB1407-85《微型往复活塞式空气压缩机基本参数》规定，额定排气压力分为0.25MPa、0.4MPa、0.7MPa、1.0MPa、1.25MPa和1.4MPa几个档次，并规定

了相应的单级、双级压缩所对应的公称容积流量（公称排气量）。但目前1.0MPa、

1.25MPa和1.4MPa的压缩机产品相对较少，无法满足用户对不同压力空气气源的需要。因此，本课题设计一种排气压力为1.2MPa，排气量为0.6m3/min的微型压缩机，旨在我国现有的小型压缩机产品品种的基础上，开发相关的压缩系列产品，以填补两级空气压缩机产品的空白，符合压缩机制造行业拓展新产品的开发意向。

本课题的设计任务是在常温下对空气进行压缩，进气压力为大气压，压缩后排气压力为1.2MPa，排气量不低于0.6m3/min。为满足设计及技术要求，综合考虑，本设计采用W型二级压缩，油润滑，冷却方式为风冷式。

设计内容包括总体结构设计、热力学计算、主要零部件结构设计、动力学计算和飞轮设计五个方面。其中总体机构设计方面主要包括结构方案选择、气缸排列形式、运动机构的结构选择、级数选择、压缩机转数、行程的确定和驱动选择；主要零部件结构设计主要包括活塞组件的设计、曲轴结构、连杆部件的设计和气缸设计；动力学计算主要是计算各级平均切向力，然后根据不同方案级数的布置，进行叠加计算总平均切向力，选择最优方案，确定飞轮距；飞轮设计主要是通过根据机器允许的旋转不均匀度、飞轮距的大小和冷却所需风量，参照工厂图纸进行尺寸结构设计[8~12]。

2 总体结构方案设计

设计往复活塞式压缩机时应符合以下基本原则：（1）满足用户提出的排气量、排气压力，及有关使用条件的要求；（2）有足够长的使用寿命，足够高的使用可靠性；（3）有较高的运转经济性；（4）有良好的动力平衡性；（5）维护检修方便；（6）尽可能采用新结构、新技术、新材料；（7）制造工艺性良好；（8）机器的尺寸小、重量轻。

活塞式压缩机的结构方案由下列因素组成：（1）机器的型式；（2）级数和列数；（3）各级气缸在列中的排列和各列间曲柄错角的排列。

选择压缩机的结构方案，应根据压缩机的用途、运转条件、排气量和排气压力、制造厂生产的可能性、驱动方式以及占地面积等条件，从选择机器的型式和级数入手，制订出合适的方案。

总体设计的任务：选择结构方案、主要参数、相应的驱动方式以及大体确定附属装备的布置。

2.1 气缸排列的型式

压缩机气缸有多种排列型式，按气缸轴线布置的相互关系分为：卧式、立式、L型、V型、W型、星型和对称平衡型。

卧式、对称平衡型压缩机动力平衡性能较好，运转较平稳，宜用于大、中型压缩机；立式压缩机现仅用于中、小型和微型，使机器高度均处于人体高度便于操作的范围内，且中型压缩机主要用于无油润滑结构；L型、V型、W型、星型等角度式压缩机则适用于中、小型和微型。

L型、V型、W型、星型等角度式压缩机共同的优点是

（1）各列的一阶惯性力的合力可用装在曲轴上的平衡重达到大部分或完全平衡。因此，机器可取较高的转数。

（2）气缸彼此错开一定角度，有利于气阀的安全与布置。因而使气阀的流通面积有可能增加。中间冷却器和级间管道可以直接装在机器上，结构紧凑。

（3）角度式压缩机可以将若干列的连杆连接在同一曲拐上，曲轴的拐数可减少，机器的轴向长度可缩短，因此主轴颈能采用滚动轴承。

本设计属于微型中压压缩机常规设计，综合考虑其设计参数(压缩介质、排气量及排气压力)及市场现状，采用W型结构。

2.2 运动机构的结构

活塞式压缩机的运动机构有：无十字头与带十字头两种。

无十字头运动机构的特点是：结构简单、紧凑，机器高度较低，相应的机器重量较轻，一般不需要专门的润滑机构。但是无十字头的压缩机只能作成单作用的，所以气缸容积的利用不充分(因为活塞与气缸之间，只在活塞的一侧形成工作腔)，气体的泄漏量也较大，气缸工作表面所受的侧向力也较大，因而活塞易磨损，另外，气缸中的润滑油

量也难于控制。无十字头的压缩机一般只适于作成立式、V型、W型和扇形的结构。当压缩机的功率大于（120～150）kW时，无十字头的压缩机的重量要超过有十字头的压缩机，而且结构也较复杂。因此，无十字头压缩机只在小功率范围内采用。在小型移动装置中用的压缩机，要求轻便紧凑以便于搬动，多选用无十字头的运动机构。

带十字头运动机构的特点是：由于带有十字头，气缸工作表面不承受连杆传来的侧压力，所以，气缸与活塞间的摩擦和磨损较小，充分利用了气缸容积，润滑油易于控制；可以设置填料密封，所以，气体地泄漏量较小，特别是对于易燃、易爆、有毒的气体，只能采用此种结构。当然，带十字头的压缩机增多了十字头、活塞杆及填料等部件，使机器的结构复杂，高度和重量也相应增加。一般固定式的压缩机功率都较大，特别是工艺流程中用的压缩机，要求机器长期连续运转，所以多用带十字头的压缩机。我国固定式动力用空压机，排气量在（10～100）m3/min、功率在（60～630）kW之间的都是带十字头结构。化工、石油等部门工艺流程中使用的压缩机都带有十字头。

本设计为功率较小的W型空气压缩机设计，考虑到以上因素，故采用无十字头的运动机构。

2.3级数选择及各级压力比的分配

工业用的气体，有时需要较高的压力，此时需采取多级压缩。多级压缩有下列优点：（1）降低排气温度；（2）节省功率消耗；（3）提高气缸容积系数；（4）降低作用在活塞上的最大活塞力。

在选择压缩机的级数时，一般一般应遵循下列原则：使压缩机消耗的功最小、排气温度应在使用条件许可的范围内、机器重量轻、造价低。要使机器具有较高的热效率，则级数越多越好（各级压力比越小越好）。然而级数增多，则阻力损失增加，机器总效率反而降低，结构也更加复杂，造价便大大上升。因此，必须根据压缩机的容量和工作特点，恰当地选择所需的级数和各级压力比。

本设计为W-0.6/12型压缩机，根据市场常用压缩机型式，选择级数为二级。

2.4 列数选择

在活塞式压缩机中，一个连杆所对应的气缸活塞组即为一列。压缩机按列数的多少分成单列和多列两类。

压缩机列数的选择，主要决定于排气量、排气压力、机器的型式和级数。立式结构可以制成单列和多列压缩机；卧式结构可以制成单列和双列压缩机；对称平衡型结构只能制成多列压缩机，而且列数必须是偶数；对置型结构只能制成多列压缩机。W型结构只能制成多列压缩机，即单重W型和双重W型，其他型式类似。

各级气缸的排列应根据下述原则进行：（1）要求各列往返止点的活塞力相等。这时，曲柄连杆机构利用充分，重量较轻，惯性力较小，机械效率较高。由于往返行程的功也大致相等，因而飞轮较轻。（2）通过布置气缸排列，达到使气体的内泄漏和外泄漏尽可能小的目的。

本设计采用W 型结构，如前所述，只能制成多列压缩机，采用单重W 型结构。

2．5 压缩机转速和行程的确定转速和行程的选取对机器的尺寸、重量、制造难易和成本有重大影响，并且还直接影响机器的效率、寿命和动力性能。如果压缩机与驱动机直接连接，则也影响驱动机的经济性和成本。近代设计活塞式压缩机的总趋势是提高转速。

转速、行程和活塞平均速度的关系式如下 30nS

C m =

（2-1）

式中：m C —活塞平均速度，m/s ；

n —压缩机转数，r/min ；

S —活塞行程，m 。

活塞式压缩机设计中，在一定的参数和使用条件下，首先应考虑选择适宜的活塞平均速度，因为

（1）活塞平均速度的高低，对运动机件中的摩擦和磨损有直接的影响。对气缸内的工作过程也有影响。

（2）活塞速度过高，气阀在气缸上难以得到足够的安装面积，所以气阀、管道中的阻力损失很大，功率的消耗及排气温度将会过高。严重地影响压缩机运转的经济性和使用的可靠性。

移动式压缩机为尽量减少机器重量和外形尺寸，所以取活塞速度为（4～5）m/s ，而本设计就属于此类。由于微型和小型压缩机，为使结构紧凑，而只能采用较小行程，所有较高转数，但活塞平均速度却较低，只有2m/s 左右。本设计采用2m/s 。

在一定的活塞速度下，活塞行程的选取，与下列因素有关：排气量的大小；机器的结构型式；气缸的结构。

现代活塞式压缩机的行程与活塞力之间，按统计与分析，有下列关系：

A S = （2-2）式中：P —活塞力，t ；

A —系数，其值在0.065～0.095之间，较小值相应于短行程的机器，较大值相应于长行程的机器。

现代活塞式压缩机使用的气阀，都是随着气缸内气体压力的变化而自行开、闭的自动阀。气阀是活塞式压缩机的关键部件之一，气阀的优劣直接影响压缩机的性能。自70年代以来，国外微型空气压缩机开始普遍采用舌簧阀，以代替盘状阀或环状阀。在70年代末期开始，我国对这项技术进行了研究和推广。舌簧阀具有排气系数高、比功