天然气压缩机课程设计

课程设计说明书

题目:VW-2.5/2-40天然气压缩机设计

院（部）：机械工程学院 专业班级：化工设备10-1 学 号： 2010305734 学生姓名： 赵守强 指导教师： 李坤

2012 年 6 月 7 日

安徽理工大学课程设计（论文）任务书

目录

第一章 概述 ................................................................................................................................. 4

1.1压缩机的分类及命名 ......................................................................................................... 4 1.2压缩机的基本结构 ............................................................................................................. 5 1.3活塞压缩机的优点 ............................................................................................................. 5 1.4活塞压缩机的缺点 ............................................................................................................. 5 1.5活塞式压缩机的工作原理 ................................................................................................. 6 第二章 总体设计 ........................................................................................................................... 6

2.1 设计活塞式压缩机应符合以下基本原则 ........................................................................ 6 2.2压缩机的驱动 ..................................................................................................................... 6 2.3压缩机的转速和行程的确定 ............................................................................................. 6 2.4 压缩机的设计条件及要求 ................................................................................................ 7 第三章 热力计算 ......................................................................................................................... 8

3.1结构形式与方案选择 ......................................................................................................... 8

3.1.1计算总压力比 .......................................................................................................... 8 3.1.2选择级数 .................................................................................................................. 8 3.1.3压力比分配 .............................................................................................................. 8 3.2确定汽缸直径 ..................................................................................................................... 8 3.2.1计算容积系数 .................................................................................................................. 8

3.2.2确定压力系数 .......................................................................................................... 9 3.2.3确定温度系数 .......................................................................................................... 9 3.2.4确定泄露系数 .......................................................................................................... 9 3.2.5确定容积效率 .......................................................................................................... 9

3.2.6确定析水系数



.................................................................................................. 10

3.2.7确定各级行程容积 ................................................................................................ 10 3.2.8确定各级汽缸直径，行程和实际行程容积 ........................................................ 10 3.3计算活塞力 ....................................................................................................................... 11

3.3.1修正各级公差压力 ................................................................................................ 11 3.3.2修正后各级排气温度 ............................................................................................ 12 3.3.3计算汽缸实际吸排气压力 .................................................................................... 12 3.3.4活塞力的计算 ........................................................................................................ 13 3.3.5计算轴功率并选配电机 ........................................................................................ 13

第四章 动力计算 ....................................................................................................................... 14

4.1计算第一列的惯性力 ....................................................................................................... 15 4.2计算各列摩擦力 ............................................................................................................... 16

4.2.1往复摩擦力 ............................................................................................................ 16 4.2.2旋转摩擦力 ............................................................................................................ 16 4.3计算第I列气体力 ........................................................................................................... 17

4.3.1第I级盖侧的气体力 ............................................................................................ 17 4.3.2一级轴侧的气体力 ................................................................................................ 19 4.3.3计算第I列综合活塞力及切向力......................................................................... 20

第五章 曲轴与连杆的计算 ....................................................................................................... 23

5.1 I级活塞销尺寸 ........................................................................................................... 23 5.2曲轴结构尺寸的确定 ....................................................................................................... 24

5.3连杆尺寸的确定 ........................................................................................................... 25 参考文献......................................................................................................................................... 27 安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表 ............................................................................. 28

第一章 概述

压缩机是一种用于压缩气体，借以提高气体的机械。它的种类很多，用途广泛，压缩机已成为国民经济各个部门中的重要通用机械。在化工生产中，往复式压缩机已成为关键设备，根据压缩机的原理，压缩机可分为“容积式”和“动力式”两大类。压缩机的种类和形式很多，不同压缩机的结构和特点差别很大，因而其适用的场合、性能、造价、尺寸重量等指标也相差甚远。

1.1压缩机的分类及命名

1.2压缩机的基本结构

其组成可以分为三个部分

基本部分：包括机身、中体、曲轴、连杆、十字头组成，其作用是传递动力。连接基础和气缸部分。

气缸部分：包括气缸、气阀、活塞、填料以及安置在气缸上的排气量调节装置等部分，其作用是形成压缩容积和组织气体泄漏。

辅助部分：包括冷凝器、缓冲器、液体分离器、滤清器、安全阀、油泵、注油器及各种管路系统，这些部件是保证压缩机正常运转。

1.3活塞压缩机的优点

1、活塞压缩机的适用压力范围广，

流量大小，均能达到所需压力；

2、活塞压缩机的热效率高，单位耗电量少；

3、适应性强，即排气范围较广，且不受压力高低影响，能适应较广阔压力范围和制冷量要求；

4、活塞压缩机的可维修性强；

5、活塞压缩机对材料要求低，多用普通钢铁材料，加工较容易，造价也较低廉；

6、活塞压缩机技术上较为成熟，生产使用上积累了丰富的经验； 7 、活塞压缩机的装置系统比较简单。

1.4活塞压缩机的缺点

1、转速不高，机器大而重；

2、结构复杂，易损件多，维修量大； 3、排气不连续，造成气流脉动； 4、运转时有较大震动。

活塞式压缩机在各种场合，特别是在中小制冷范围内，成为应用最广、生产批量最大的一种机型。

1.5活塞式压缩机的工作原理

压缩过程

活塞从下止点向上运动，吸、排汽阀处于关闭状态，气体在密闭的气缸中被压缩，由于气缸容积逐渐缩小，则压力、温度逐渐升高直至气缸内气体压力与排气压力相等。压缩过程一般被看作是等熵过程。 排气过程

活塞继续向上移动，致使气缸内的气体压力大于排气压力，则排气阀开启，气缸内的气体在活塞的推动下等压排出气缸进入排气管道，直至活塞运动到上止点。此时由于排气阀弹簧力和阀片本身重力的作用，排气阀关闭排气结束。

至此，压缩机完成了一个由吸气、压缩和排气三个过程组成的工作循环。此后，活塞又向下运动，重复上述三个过程，如此周而复始地进行循环。这就是活塞式制冷压缩机的理想工作过程与原理。

第二章 总体设计

2.1 设计活塞式压缩机应符合以下基本原则

（1）满足用户提出的排气量、排气压力以及有关使用条件的要求； （2）有足够长的使用寿命（应理解为压缩机需要大修被迫停车的次数）； （3）有良好的运转经济性； （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； （7）制造工艺性良好； （8）机器尺寸小。

2.2压缩机的驱动

活塞式压缩机的驱动包括驱动机和传动装置，本设计中拟采用电动机驱动，

这是综合考虑使用部门的动力装置，压缩机的功率和转速、工作条件来选定的形式。

2.3压缩机的转速和行程的确定

转速和行程的选取对机器的尺寸、质量、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特性。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。

应为：

（1）活塞平均速度的高低，对运动几件中的摩擦和磨损具有直接的影响，对气缸内的工作过程也很有影响。

（2）活塞速度过高气阀在汽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，严重影响压缩机运转的经济型和使用性。

微型和小型压缩机为使结构紧凑而只能采用较小行程，虽有较高转速，但活塞平均速度却较低，只有2m/s左右，在一定的速度下，活塞行程的选取与下列因素有关：

（1）排气量的大小；排气量大者行程应取得长些，反而则要短一些。

(2)机器结构型式：考虑到压缩机的使用和维护条件，对于立式、V式、W式、扇式等结构，活塞行程不宜取的过长。 （3）行程的确定

SAP

式中 S--活塞行程

A--系数，其值在0.062--0.095之间 P--活塞力（吨）

则S(0.062~0.095)2.3980.096~0.147m 之间 取S=100mm 转速的确定

近代压缩机的转速n通常在下列范围： 微型和小型 1000~3000（转/分） 中型 500~1000（转/分） 大型 250~500 （转/分） 取n=750转/分

2.4 压缩机的设计条件及要求

压缩机的热力计算是根据气体压力容积和温度之间存在一定的关系，给结合压缩机的具体特性和使用要求而进行的。其目的是要求得到最有力的热力参数（各级的吸排气温度，所消耗力）和适宜的主要结构尺寸（活塞行程、汽缸直径等）。

已知：设计条件：

VW-2.5/2-40天然气压缩机

3

排气体积：Vd=2.5m/min 压缩介质：天然气

吸气压力：P1=0.2MPa（绝压） 排气压力：P2= 4 MPa 第一级进气温度：20℃ 第二级进气温度：25℃

吸入气体的相对湿度：10.8

第三章 热力计算

3.1结构形式与方案选择

3.1.1计算总压力比

Ɛt= P2/P1=4/0.2=20

根据总压力比为20，压缩机的级数取两级比较合适，而且采用双作用汽缸，另外压缩机采用水冷方式。 3.1.2选择级数 z=2 3.1.3压力比分配

Ɛ1=Ɛ2=(Ɛt )1/2 = (20)1/2=4.47

3.2确定汽缸直径

3.2.1计算容积系数

取余隙体积指数 α1= 0.1 α2=0.12

由文献查得绝热指数为k=1.3，各级膨胀过程的等端点指数m为

m1=1.186 m2=1.225

容积系数 V1(1/m1)

λ1/1.186v1=1-0.1×(4.47-1)=0.747 , λv2= 1-0.12×(4.471/1.225-1)=0.713

3.2.2确定压力系数 查化工机器可取

p10.97,p20.98

3.2.3确定温度系数

查化工机器可取λT1=0.92，λT2

=0.92

3.2.4确定泄露系数

各级各部位相对泄露系数值

取λL1

= 0.973 λ

L2

=0.973

3.2.5确定容积效率

VVpTL

V10.65,V20.625

3.2.6确定析水系数



第一级无水析出，故Psa2=3167 Pa，则：

11.0

。当T1=20℃时, Psa1=2337Pa；当T2=25 ℃时

ps11psa121050.82337214.470.994

ps22psa28.941053167 3.2.7确定各级行程容积

Vs1

qV2.5

0.00513m3

nV17500.65

Vs2

qVps1T22nps2T1V2

2.521052980.994

0.00121m3

5

7508.94102930.625

3.2.8确定各级汽缸直径，行程和实际行程容积

已知转速n=750r/min，取行程

sn0.1750vm2.5m/s

3030 取活塞杆直径d=30mm，得

s=100mm,得活塞平均速度

2Vs1d220.005130.032

D10.182m

s23.140.12

根据汽缸直径标准，圆整为D1190mm，实际行程容积

3.143.14

VS1(D12d2)s(0.1920.032)0.10.0056m3

2424 活塞有效面积为

'

Ap1



2

D12



4

d2

3.14

0.1920.0320.056m224

2Vs2d220.001210.032

D20.0903m

s23.140.12同理，，根据汽缸直径标准，圆

整

为

D292mm

，

实际行程容积

223.143.14

Vs2(D2d)s(0.09220.032)0.10.001263

m 2424

活塞有效面积为

'Ap



2

2

D2



4

d2

3.143.14

0.09220.0320.0126m224。

考虑到圆整值与计算值之间有差值，这里采用维持压力比不变，调整相对余隙体

积的方法，利用下式计算容积系数

'VAp

V

A'

p

计算得新的容积系数为V10.684,V20.685 再通过下式计算新的相对余隙



1V

1

m

1

得新的相对余隙10.12,20.13

3.3计算活塞力

3.3.1修正各级公差压力

V'1,s1Vs20.00560.00121

12V'

1.048s1Vs20.005130.00126

3.3.2修正后各级排气温度

3.3.3计算汽缸实际吸排气压力

PsiPsi(1si)PdiPdi(1di)

'

'

式子中Psi，Psi'为i级的名义和实际吸气压力 Pdi，Pdi' 为i级的名义和实际排气压力

3.3.4活塞力的计算

表 盖侧和轴侧活塞工作面积

表 止点气体力计算

在压缩机实际时，假定连杆（或活塞杆）受拉伸时为正。受压时为负。

3.3.5计算轴功率并选配电机 各级指示功率为

k

Nij1.634p(Vsjn)Vj[('j)

k1

'

sj

k1k

1]

Ni118.02kW,Ni217.48kW

总的指示功率为

NiNi1Ni218.0217.4835.5kW

查过程流体机械，取机械效率m0.90，所以轴功率为

Nz

Ni

m



35.5

39.44kW0.90

取电机功率余度0.1，则电动机功率为

P1.1Nz1.139.4443.384kW

根据电动机标准，可选功率为45kW的电机。

可选电动机的型号为Y280M-8。

第四章 动力计算

动力计算的目的在于计算压缩机中的作用力，确定压缩机所需要的飞轮矩以及各种形式压缩机惯性力。惯性力矩的平衡情况初步设计压缩机所需的基础

压缩机中作用力的分析，是进行压缩机零件强度和刚度计算得一局，也是判断这些力对压缩机装置影响的基础。压缩机中主要的作用力有气体力，曲柄连杆

机构运动时产生的惯性力和摩擦力。

曲柄连杆机构示意图

4.1计算第一列的惯性力

往复惯性力分为一阶往复惯性力和二阶往复惯性力。 Imsr2(cosco2s)

由上章计算可知本压缩机最大的活塞力为23.50kN，查表可选用的往复运动构件的质量ms70kg，先取连杆长度1/4，曲柄旋转角速度



n

30



3.14750s100

78.5rad/sr50mm3022。曲柄销旋转半径。

往复惯性力计算表

4.2计算各列摩擦力

4.2.1往复摩擦力

取往复摩擦力为总摩擦力的65%

0.65Ni(

1

Rsi

m

1)60

2sn

0.6518.02(

1

1)60Rs10.521kN27500.1

1

0.6517.48(1)60

Rs20.505kN27500.1

4.2.2旋转摩擦力

取旋转摩擦力为总旋转摩擦力的35%

0.35Ni(

1

Rri

msn

1)60

1

1)60Rr10.178kN

3.147500.1

1

0.3517.48(1)60

Rr10.173kN

3.147500.1

0.3518.02(

4.3计算第I列气体力

4.3.1第I级盖侧的气体力 各过程压力计算公式如下： 压缩过程：

膨胀过程：

pipdi(

s0m

)

s0x

pipsi 进气过程：

pipsi(

排气过程： 气体力：

余隙行程：

ss0m

)s0x

pipdi

PipiAci

s0s

s00.1210012mm，活塞面积Ac10.0283m3，压缩及膨胀过程的多变指数可取为m1.186，盖侧的气体力为负值。计算结果见下表：

第I级盖侧的气体力计算表

4.3.2一级轴侧的气体力

2

A0.0276m活塞面积活塞面积，其余参数同盖侧，轴侧气体力为正值。

计算结果见下表：

4.3.3计算第I列综合活塞力及切向力

将同一曲柄转角下的惯性力I、往复摩擦力Rs、及气体力P（轴侧和盖侧）进行相加，求出综合活塞力P，然后按下式计算出切向力T：

 TP(sian

sin2

2sin

2

2

)

第I级综合活塞力及切向力

同理，可依此计算出第II列气体力。

第五章 曲轴与连杆的计算

5.1 I级活塞销尺寸

活塞销材料选用20钢，活塞销的尺寸，根据最大活塞力Pmax作用下活

塞销投影工作表面上的许用比压[k]初步确定后，按弯曲和剪切作用校核其强度。

dl0

pmax

，最大活塞力取II级外止点气体力23.50kN [k]

连杆轴承长度l0=（1.1~1.4）d，取l0=1.2d

活塞销许用比压[k]≤150~250 Kg/cm2，取[k]=200 Kg/cm2

pmax23.50103

1.2dd3.161cm

[k]2009.8则 ∴取活塞销直径d=32mm

2

活塞销内径d0=(0.6~0.7) d=(0.6~0.7)×32=19.2~22.4mm，取d0=20mm 活塞销长度lp=(0.8~0.9)D1=(0.8~0.9)×190=152~171mm ，取lp=160mm

5.2曲轴结构尺寸的确定

基于以上几项要求，对于曲拐轴主要尺寸初步确定如下：

曲柄的主要尺寸 曲柄销直径D

P取最大值为II级外止点气体力，P=23.50kN

D(4.6~5.6)p(4.6~5.6)

23.50

7.1238.672cm9.8，取D=80mm

主轴颈直径D1

D1(1~1.1)D(1~1.1)8080~88mm，取D=85mm

1轴颈长度：根据选取轴承宽度略大些 曲柄厚度t：

t(0.7~0.6)D(0.7~0.6)8056~48mm，取t=50mm

曲柄宽度h

h(1.2~1.6)D(1.2~1.6)8096~128mm，取h=120mm

曲柄半径R

s100R50mm

22

曲轴强度校核

为使计算简单，对曲轴的受力情况先作如下简化假定：1）对于多支承曲轴，作为在主轴承中点处被切开的分段筒支梁考虑；2

）连杆力集中作用在曲柄销中

点处；3）略去回转惯性力；4）略去曲轴自重。

p45

9550000T22.92MPa33WT0.2d0.250

曲轴的材料是球墨铸铁，20~25MPa，所以满足强度要求。

5.3连杆尺寸的确定

主要尺寸计算表

参考文献

[1] Paul C. Hanlon. 压缩机手册[M]. 郝点, 译. 北京: 中国石化出版社, 2003.

[2] 全国压缩机标准化技术委员会. 中国机械工业标准汇编压缩机卷（上、下）[M]. 北京: 中国标准出版社, 2004.

[3] 活塞式压缩机编写组. 活塞式压缩机设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 1981.

[4] 吕红旗. 压缩机设计生产新工艺新技术与安装调试及质量检测标准规范实用手册[M]. 北京: 北方工业出版社, 2006.

[5] 朱圣东, 邓建, 吴家声. 无油润滑压缩机[M]. 北京: 机械工业出版社, 2001.

[6]上海东方压缩机厂有限公司. 水冷系列空气压缩机[EB/OL]. 上海: 2009[2009-02-05]．

[7] 高慎琴. 化工机器[M]. 北京: 化学工业出版社, 1992.

[8] 活塞式压缩机设计编写组．活塞式压缩机设计[M].北京:机械工业出版社,1974．

[9] 2008年国内往复式压缩机产销量报告[R]，2008．

[10] 李云，姜培正．过程流体机械[M]．北京：化学工业出版社，2008

安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表

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