1、南京工程学院课程设计说明书第 1 页 共 14 页目 录1 设 计 目 的 22 设 计 内 容 33 热 力 计 算 4（ 一 ） 确 定 汽 缸 直 径 4（ 二 ） 计 算 实 际 吸 排 气 压 力 .6（ 三 ） 计 算 盖 侧 和 轴 侧 活 塞 工 作 面 积 6（ 四 ） 确 定 各 级 排 气 温 度 .7（ 五 ） 计 算 轴 功 率 并 选 配 电 机 .7（ 六 ） 热 力 学 参 数 统 计 .84 动 力 计 算 部 分 .8（ 一 ） 运 动 规 律 及 机 构 运 动 学 关 系 简 化 .8（ 二 ） 往 复 惯 性 力 计 算 .11（ 三 ） 气 体 力
2、计 算 11（ 四 ） 摩 擦 力 计 算 12（ 五 ） 综 合 活 塞 力 12（ 六 ） 切 向 力 计 算 及 切 向 力 图 12（ 七 ） 飞 轮 矩 计 算 13（ 八 ） 分 析 动 平 衡 性 能 .135 设 计 体 会 .136 参 考 文 献 14南京工程学院课程设计说明书第 2 页 共 14 页1 设 计 目 的1.进 一 步 加 深 并 综 合 运 用 过 程 流 体 机 械 及 相 关 课 程 所 学 的 基 本 理论 、 基 本 知 识 ， 掌 握 典 型 过 程 流 体 机 械 的 选 型 、 校 核 等 基 本 技 能 。2.了 解 压 缩 机 基 本 结
3、构 及 设 计 方 法 及 步 骤 ， 培 养 学 生 对 过 程 工 程 设 计的 技 能 以 及 独 立 分 析 问 题 、 解 决 问 题 能 力 。3.树立正确的设计思想，重点掌握典型过程流体机械活塞式压缩机的工作原理、热力和动力计算特点。进行设计基本技能的训练，例如查阅设计资料（手册、标准和规范等） 、计算、运用以及使用经验数据、进行经验估算和处理数据的能力。南京工程学院课程设计说明书第 3 页 共 14 页2 设计内容（1）题目 校核计算 L-4/15 型石油气压缩机。（2）已知数据a. 型式：L 型双缸二级作用水冷式石油气压缩机。b. 工艺参数级名义吸气压力：P1I =0.1MP
4、a（绝压），吸气温度 T1I =20 级名义排气压力：P2II =1.6MPa（绝压），吸入温度 T2II =20排气量（级吸入状态）: Vd=4m/min石油气相对湿度: =0.8c. 结构参数：活塞行程：S=2r=240mm；电机转速：n=422r/min ；活塞杆直径：d=45mm 气缸直径：级，DI =280mm 级，DII =160mm相对余隙容积：I=0.06，II=0.010轴功率：35KW电动机与压缩机的联接：电动机转子直接装在曲轴端（电动机转子兼做飞轮）连杆长度：l=500mm运动部件质量（kg）：见表 3-7表 3-7 运动部件质量(kg)名称 级 级连杆质量 45.294
5、5 45.2945活塞及十字头组件质量 119.5215 62.2086d. 石油气组成成分；见表 3-8表 3-8 石油气的主要成分及体积百分含量石油气成分 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 N2 CO2体积(ri) 0.8512 0.0535 0.0556 0.0187 0.0159 0.0051（3）核算任务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。南京工程学院课程设计说明书第 4 页 共 14 页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。3 热力计算（一）
6、确定汽缸直径根据总压比 =16，压缩机的级数取两级，选择 L 形结构，而且 I、II级采用双作用汽缸。另外压缩机采用水冷方式。初步确定各级名义压力 根据工况的需要，选择级数为两级，按照等压比分配的原则，但为使第一集有较高的容积系数，第一级的压力比取稍41621低值，各级名义压力及压力比见表 3.1。表 3.1 各级名义压力及压力比下表级次 I II吸气压力 MPapos/0.1 0.39排气压力 d0.39 1.6压力比 oso/3.9 4.1确定各级容积效率i.确定各级容积系数。取各级相对余隙容积和膨胀指数如下。06.101.2已知石油气成分 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 N2 C
7、O2体积 i 0.8512 0.0535 0.0556 0.0187 0.0159 0.0051等熵指数 ik1.29 1.19 1.22 1.10 1.40 1.30根据公式 1i可得石油气的等熵指数 k=1.27南京工程学院课程设计说明书第 5 页 共 14 页由等熵指数 k 球的膨胀指数 ，20.1m5.则可得 ， 873)(11v79102vii.选取压力系数：9.01p.2piii.选取温度系数：6.1t 97.02tiv.选取泄漏系数：97.01l3.2lv.确定容积效率：ltpv789.01v739.02确定析水系数 第一级无水分析出，故 。而各级进口温度下0.1的饱和蒸汽压 由
8、文献差得 ，sapPapsa51Paps529.1221sas确定各级行程容积3102.mnqVvs3212.Tpvss确定各汽缸直径，行程和实际行程容积 已知转速 n=422r/min，行程 s=240mm，得活塞平均速度smsnvm/38.0/取活塞直径 d=45mm，得m1.211dsVD根据汽缸标准，圆整为 ，实际行程容积 。活m901 3102.VS塞有效面积为 ,理论有效面积 。221.4dAp 49.Ap南京工程学院课程设计说明书第 6 页 共 14 页同理， ，根据汽缸直径标准，圆整为 ，mdsVD09.22 mD102实际行程容积为 ，活塞有效面积为324.s,理论有效面积
9、。220142dAp 220138.mAp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，调整相对余隙容积的方法，利用下式计算容积系数pvA计算得新的容积系数为 791.0v 73.02v再通过下列计算新的相对余隙1m结果为 09.1 05.2（ 二 ） 计 算 实 际 吸 排 气 压 力由计算公式和ssp1ddp1可求得实际吸排气压力。各级进、排气相对压力损失取值，各级进、排气压力和实际压力比见表 3.2。表 3.2 各级进、排气压力和实际压力公称压力/MPa 压力损失 实际压力/MPa级 次 spdsdspd实际压比I 0.1 0.39 0.05 0.08 0.095 0.4212
10、 4.43II 0.39 1.6 0.035 0.06 0.3705 1.696 4.58（三）计算盖侧和轴侧活塞工作面积首先计算盖侧和轴侧活塞工作面积，见表 3.3。南京工程学院课程设计说明书第 7 页 共 14 页表 3.3 盖侧和轴侧活塞工作面积级次轴侧/ 2m)(4dDAw盖侧/ 2m4DAcI 0268.1 028.1cII 3.2w 79.2c（四）确定各级排气温度对所用石油气进行计算，可得等熵指数 k=1.27，由于采用水冷方式，近似的认为各级压缩指数为2 .1n27.1n取 , ， 排气温度由式 ，可得KTs2931Ts932 msdT1， Kd6.1 K5.382（五）计算轴
11、功率并选配电机各级指示功率为,(其中1)(1)1(60jnojjsjvsjnj nVpN)dsokWNi42.1i7总的指示功率为 kiii 3.521取机械效率 ，所以轴功率为94.0mkWNmiz73.26取电机功率余度 10%，则电动机功率取 30kW南京工程学院课程设计说明书第 8 页 共 14 页（六） 热力学参数统计1.压力比分 9.311.422.汽缸直径 mD0m03.排气量 in43qv4.功率 kWNz5.各级排气温度 KTd6.371 KTd5.3826.缸内实际压力 095sp410p3705.2sp69.12dp4 动力计算部分（一）运动规律及机构运动学关系简化规定外
12、止点是活塞运动的起始位置，相应曲柄转角 ，则任意转角位0置活塞的位移 x、速度 v、加速度 a 以及连杆的摆角 都是 的函数。定义曲柄半径与连杆长度的比值 为曲柄连杆比。lr/)2cos1(4)cos1(xinirv)cs(2a其中 mm ， rad/s， 10r19.43024.0lr则简谐运动方程为)cos(6.)cos(2x2in40i8.530v)cs.(cs74a其运动规律曲线图见图 4.1。南京工程学院课程设计说明书第 9 页 共 14 页（a ） )2cos1(06.)cos1(20x（b） )2sin4.0(si8.5302v（c ） )2cos4.0(cs7.2340a南京工
13、程学院课程设计说明书第 10 页 共 14 页图 4.1 运动规律曲线图为了方便起见，习惯上把压缩机运动零件的质量按他们的运动情况简化为质点，从而将它们的运动按质点动力学进行计算。如图所示，把压缩机中所有运动零件的质量都简化为两类：一类质量集中在活塞销或十字头销中心点 A 处，只做往复运动；另一类质量集中在曲柄销中心点 B 处，只绕曲轴中心 O 做旋转运动。活塞、活塞杆和十字头部件都属往复运动，简单滴认为其质量集中在质点A 上，质量总和用 表示。Pm图 4.2 连杆质量转化根据已有连杆的统计结 ,取 ，得：ll m)7.06(43 ll65.03， ，kgl91.3851 kgl971.382
14、则，整个压缩机运动机构转化在往复运动部分一级以及二级总质量为， （m =0）lpsmlcrckgls 3746.151lps 0822kmlr9.1南京工程学院课程设计说明书第 11 页 共 14 页kgmlr971.32（二）往复惯性力计算压缩机各零部件做不等速直线运动或作旋转运动时，会产生惯性力，根据上述的质量转化方法得到往复惯性力的计算式为往复惯性力为 )2cos(2rmaFssI旋转惯性力为 rI经计算可得一级以及二级的往复惯性力和旋转惯性力为 kNFIs )2cos4.0(cs72.31Is98kIrI6.21图 4.3 往复惯性力曲线由图 4.3 知，当活塞在内外止点是取得最大惯性
15、力，即 时惯性力最大，则0活塞的最大惯性力为39.34kN 22.68kNMAXIsF1 MAXIsF2（三）气体力计算止点气体力计算，见表 3.4。表 4.1 止点气体力计算 ( kN)列次 内止点 外止点南京工程学院课程设计说明书第 12 页 共 14 页II 6.8111 cswdAPF 4.9111 wscdcAPFIIII 7222 s .222 s（四）摩擦力计算压缩机各接触面间的摩擦力取决于彼此间的正压力及摩擦系数，且随曲柄转角变化，难以精确计算。kWNPi42.11kWNPi71.2294.0mn=422r/min s=2r=240mm 取 , ，求得：30/)1(65.nsF
16、mifsi 30/)1(5.rnFmifri =152.6N =156.2N =52.3N =53.5N1fs2fs1fr2frF（五）综合活塞力压缩机中的气体力、往复惯性力、往复摩擦力都是沿汽缸中心线方向作用的，将他们的代数和成为列的综合活塞力，即fsIgPF显然 是 的函数，当 时，即活塞到达内外止点是综合活塞力最大，则综PF0合活塞力的最大值为 kNMAXfsIsMAXgP 05.481111 FFfsIsAX 32222（六）切向力计算及切向力图切向力 cos)in(pT法向力 )(pRF当 时，0,南京工程学院课程设计说明书第 13 页 共 14 页kNFRT64.37,01221当
17、 时，0,18 kRT64.37,012211（七）飞轮矩计算N m153)(minaxrFLT异步电动机，弹性联轴器连接，则取 80飞轮矩公式 227.16493nLGD（八）分析动平衡性能对于 L 型压缩机，两列气缸夹角 =90，由分析可知，当两列往复质量相等时：一阶惯性力的合力为定值，且始终处于曲柄方向，因此可以在曲柄相反方向装平衡中的方法予以平衡；二阶往复惯性力的合力始终处于水平方向，其值随二倍曲轴旋转角速度变化，幅值为 ，无法简单的用平衡重予以24.1rms平衡；因两列间距只是数值很小的连杆厚度，故往复惯性力矩微小不计；旋转惯性力可用平衡重平衡；不存在旋转惯性力矩。5 设计体会在 本
18、 次 过 程 流 体 机 械 的 课 程 设 计 中 ， 使 我 们 更 进 一 步 的 加 深 了 对 过程流体机械及相关课程所学的基本理论、基本知识的了解。在设计中遇到了许多问题，说明我们对课本的知识了解的还不够透彻，还需要加强学习。由于此次的课程设计是在课本原有的基础上的延续，许多相关的知识必须要我们自己动手去查阅相关的资料，因此也提高了我们自主的动手能力、个人解决问题的能力、课本知识的应用能力、课外知识的拓展能力以及同学之间的协作能力。在本次课程设计中，不仅涉及到了过程流体机械的主要知识，而且涉及到了本专业以前所学课程的大部分的知识，间接地使我们复习了以前所学内容。通过这次的课程设计，我感觉受益匪浅，对我们以后的学习工作有非常大的帮南京工程学院课程设计说明书第 14 页 共 14 页助。6 参考文献1： 李 云 ， 姜 培 正 过 程 流 体 机 械 第 二 版 北 京 ： 化 学 工 业 出 版 社 ，2008 年2： 王 志 魁 刘 丽 英 刘 伟 化 工 原 理 第 四 版 北 京 ： 化 学 工 业 出 版 社 ，2010.53： 童 钧 耕 工 程 热 力 学 第 4 版 高 等 教 育 出 版 社 ， 2007.65：潘永密，李斯特等 化 工 机 器 北 京 ： 化 学 工 业 出 版 社 ， 1981
