活塞式空气压缩机

Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日1第八章活塞式空气压缩机Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日2Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日3一、空压机的用途和分类（一）空压机在船舶上的用途压力在2.452-2.942MPa的压缩空气用来启动主机;压力在980KPa的压缩空气用来大中型柴油机操纵和换向;压力在392KPa的压缩空气用来操作离合器,刹车,充压力水柜,鸣汽笛,吹洗机件管道和海底阀，锅炉烟道等.（二）空压机的分类1.按工作原理分容积式:（活塞式—适合中等排量，各种压力的场合）（回转式—适合于小排量，中低压的场合）速度式（离心式—适合于大排量低压的场合）（轴流式—适合于更大的排量，压力更低的场合）Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日42、按工作压力分低压（0.2-1.0MPa），中压（1-10MPa），高压（10-100MPa）3、按排量分微型（小于1m3/min），小型（1-10m3/min），中型（10-100m3/min），大型（大于100m3/min）4、按驱动方式分电动机驱动、柴油机自由端带动（如350型，8NVD机）、柴油机本身汽缸泵气（如国产160，250机，单缸停油泵气）（第一缸的缸盖上有专用的充气阀）5、按工作级数一级，二级（多采用），三级6、按汽缸的布置方式分卧式，立式，角式（V，W型，扇型），Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日5二、活塞式空压机的工作原理（一）理论循环所谓理想工作循环，即不考虑工作循环中的泄漏，气流流经阀和管路时的压力损失以及气流作不等速流动的惯性影响，并假设空气与缸壁等无热交换，压缩过程中空气的温度不变，压缩后的空气全部排出气缸。当活塞在气缸中A上死点，向右移动时，活塞左边的气缸容积增大，缸内形成真空，大气中压力为P1的空气就压开吸气阀，等压进入气缸，一直到活塞移动到右死点B为止，这是吸气过程，如直线A—B所示。当活塞改变运动方向从右死点向左移动时，吸气阀关闭，活塞左边的气缸容积减小，压力升高，直至活塞左移至点c，缸内压力上升至P2为止，这是等温压缩过程，如曲线B—C所示。PVABCDP2P1SAircompressor主讲赵伟2020年2月16日6当活塞由点c继续左移时等压排气，排气阀开启，空气等压排出气缸，直至活塞左移至左死点A为止，这是过程，如直线C—D所示。至止，空压机已完成一个工作循环。只要活塞不断在缸内作往复运动，空气就不断被吸入、压缩和排出。由于P—V图上吸气、压缩和排气过程线所围成的面积ABCD表示空压机一个理想工作循环所消耗的功，故P-V图有理论示功图之称。（二）空压机实际循环1、存在余隙容积。所谓余隙容积指的是活塞排气冲程结束时，缸内的剩余容积。它由阀窝空间，活塞顶到第一道活塞环的环形空间和活塞与气缸盖之间的空间所组成，其中以后者为最大。活塞式空压机必须有余隙容积，以免曲柄连杆机构受热膨胀或连杆轴承松动等，引起活塞撞击气缸盖而造成机损事故。由于余隙容积的存在，缸内就会残留一部分压缩空气。如图所示，当活塞从左死点右移时，残存在余隙V0中的压缩空气就沿曲线4—1膨胀，一直至活塞右移至点1。缸内压力低于大气压力时，新鲜空气才压开吸气阀进入气缸。于是，在吸气冲程中就多了一个膨胀过程，吸气行程由a—b缩短到1—b，吸气容积相应地由Vh减小到VS。显然，余隙容积V0越大，膨胀过程越长，吸气容积越小。所以为了提高空压机的排气量，应尽量减小余隙容积。Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日7VSVhP2V04321abPaPV活塞式空压机的实际示功图Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日8余隙容积对吸气容积的影响以容积系数V表征。即容积系数V=VS/Vh式中VS——吸气容积：Vh——活塞一个冲程扫过容积(行程容积)。运转中，空压机的余隙容积会因轴承的磨损或更换较厚的气缸垫床而变大。为便于测检，余隙容积常用余隙容积高度来表征。余隙容积高度指的是活塞位于缸盖端的死点位置时，活塞顶与缸盖间的距离。船用小排量空压机，余隙容积高度一般为0.5—1.8mm2．有阻力损失。空气流经吸入滤器，吸排气阀和管路时均有阻力损失，且与气流速度的平方成正比。吸入端的阻力损失，使吸气阀开启延迟，膨胀过程延长，吸气压力降低，气缸的吸气量将由于吸气行程的缩短和吸气比容的增大而减小，排出端的阻力损失势必使排气压力升高。显然，压缩耗功将随之增大。如图中，1—2为实际吸气过程线，3—4为实际排气过程线。点l出现波谷，点3出现波峰，这是启阀时需克服气阀的弹簧力和阀片的惯性力之故。Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日9阻力损失造成吸气量的减小以压力系数p来表征。假设把吸气终了缸内的压力折合到大气压力后，吸气容积由VS，减小到V’S，则；p=V’S/VS=P1/Pa式中：P1——吸气终了缸内压力，Pa----大气压力。3、存在气流惯性影响。在吸排气过程中，气流随活塞作不等速运动，使气流流动的阻力损失随流速的升降而增减，所以实际吸排过程线为波动曲线。4、空气与气缸壁等有热交换。进入气缸的新鲜空气因吸热而膨胀，比容增大，吸气量减少。因受热造成吸气量的减小用温度系数T来表征。若把吸气末了时缸内的空气温度折合到外界空气温度，吸气容积由V’S减小到V’’S则：T=V’’S/V’S=TS/T’’S式中，TS——吸气管中空气的热力学温度，K，T’’S——吸气末了缸内空气热力学温度，K。Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日105、压缩过程不可能是等温。虽然空压机采用了冷却措施，然而气缸中的空气总是来不及得到充分的冷却(特别是高速大缸径的空压机)，所以实际压缩过程是介于等温和绝热之间的多变过程。冷却情况好的，接近于等温，冷却情况差的接近于绝热。右图表示出了三种压缩过程的示功图。显然，用水或空气冷却气缸的目的之一，就是使压缩过程尽量趋近等温，以减小压缩耗功，提高空压机的效率。6．有泄漏损失。空压机工作时，空气总会通过活塞环和气阀等不严密处漏泄，这些泄漏只能尽量减小，不能消除。泄漏的大小可用泄漏系数L表示。L=V’’’S/V’’S（排出压缩空气折合到进口状态的体积/折合到进气态的）绝热压缩多变压缩等温压缩PVAircompressor主讲赵伟2020年2月16日11由上分析可知：空压机的实际循环包括四个，膨胀、吸气、压缩、排气。压缩比=P2/P1（排气压力/吸气压力）三、多级压缩和中间冷却多级压缩中间冷却指的是，空气在低压缸中压缩到某一压力后，排至空气冷却器中冷却，然后进入下一级气缸中继续压缩，如此连续下去，直至空气压力达要求为止。空气的排出压力经一次压缩达到的，称一级压缩；经二次压缩达到的，称二级压缩，依此类推。Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日12采用多级压缩和中间冷却的原因：1．一级压缩能达到的最高排气压力受余隙容积的限制。排气压力越高，膨胀过程就越长，吸气行程就越短。当排气压力高达一定值时，膨胀过程就延续到吸气冲程终了。空压机的工作循环变成膨胀一压缩一膨胀，既不吸气也不排气，空气压力也就不再升高。11‘2343‘3‘’4‘’4‘PVVhAircompressor主讲赵伟2020年2月16日132．一级压缩的压力过高对空压机的润滑不利。因压缩过程不可能是等温的，排气温度随排气压力的升高而升高。当排气压力达一定值时，排气温度就会接近或超过润滑油的闪点(215—240℃)，使润滑条件恶化，滑油变质、裂化和结焦，甚至引起爆炸事故。为了保证空压机安全可靠地工作，一级压缩压力就不应过高，以排气温度不超过180℃为宜。降低排气温度的最有效措施是采用多级压缩和中间冷却，以降低单级压缩比和次级吸气温度。Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日143、减小压缩耗功，提高效率。12345678910PVAircompressor主讲赵伟2020年2月16日154、提高容积效率。单级压缩比降低后，余隙影响变小。5、可以减少相关机件的重量和尺寸因单级压缩比减少。（理论上中间级压力为（P1·P2）1/2）Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日16四、空压机的构造（一）气阀Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日171、阀座阀座用于支承阀片，其上开有由阀片控制开关的气流通道。为了保证气密性，要求与阀片的配合面平整光滑无伤痕。阀座要承受阀片的冲击，故通常采用铸铁、合金铸铁、稀土球墨铸铁或锻钢等耐冲击的材料制造。Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日182、阀片阀片是开关气流通道的重要零件，又是易损件。工作中除了受气流推力，弹簧力和惯性力的作用而周期地与阀座和升程限制器冲击外，在阀关闭期间还承受压向阀座的空气压力，易于磨损和变形。阀片一般采用强度高，韧性好、耐磨和耐腐蚀的合金钢制造，加工好后经淬火和回火处理，其厚度一般为0.8--3mm。为了提高耐冲击强度，阀片的两面均经研磨。阀片也可用塑料(填充聚四氯乙烯)和尼龙一6等非金属材料制造。这种阀片密封性好，耐冲击，使用寿命长，但强度较差，热变形大。Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日19环片阀的结构简单，但阀片承受冲击力较大，磨损较快。广泛用于低中压空压机上。球面碟形阀具有流线形气流通道，有利于空气的流通，但阀的流通面积较小，结构强度求高。适用于小排量空压机上。条片阀具有较大的流通面积，但阀片易变形而失去气密作用，多用于低压级。Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日20吸、排气阀的区分原则一般说来，同一级中的吸气阀比排气阀大，以使流经吸气阀的空气流速不致于过高。但也有为了制造和更换的方便，同一级中的吸，排气阀做成大小和组装的次序完全一样的，且可以互换。可根据吸，排气阀均是止回的原则区分，即不允许空气流气缸的是吸气阀，不允许空气进入气缸的是排气阀。这类气阀修理或拆检后，也应按止回的原则正确安装。Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日213、弹簧弹簧的主要作用是使气阀关闭及时，缓和阀片与升程限位器的冲击。条片阀因阀片本身具有弹性，往往不另设弹簧。气阀工作时，弹簧周期地被压缩和伸长，故多用具有较高疲劳强度的高级弹簧钢丝制造。气阀弹簧太硬，阀开启迟滞，阻力损失和阀片对阀座的冲击均大，太软，阀关闭不及时，空气回流，排气量降低，更严重是，由于阀片延迟落座，活塞已回程，此时气流作用力变成与弹簧力的作用方向一致，促使阀片以更大加速度落座，引起更大的冲击。太软的弹簧对排气阀工作的影响尤甚。一般排气阀的弹簧比吸气阀弹簧硬。Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日224、升程限位器升程限位器用以限制阀片的升程，并兼作阀片的导向和弹簧承座。升程过大，阀关闭时的冲击就大，且关闭延迟，升程过小，气流流经阀时的阻力损失大。为了保证阀能及时关闭，阀片的升程往往随转速的升高而减小。Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日23不同转速下的阀片升程转速RPM阀片升程㎜小于2504-5250-5005-3500-10003-1.51000-20001.5-1.0Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日245．对气阀的要求1)启闭及时，动作准确。即阀片的起落无延迟现象，阀升起后能正确落位。2)关闭严密。气阀关闭时气密性好，无漏气现象。3)阻力损失小。4)工作时冲击和噪声小。Aircompressor主讲赵伟2020年2月16日256、气阀的检查气阀损坏的原因是阀片与阀座和升程限制器的撞击。拆检时应注意阀片和阀座的磨损情况，并根据磨损和变形的程度决定研磨还是换新。若阀片和阀座的密封面出现的沟痕不深，可先用粗金钢砂后用细金钢砂在平板上按“8”字形轨迹研磨，直至沟痕消