1、 本科毕业设计说明书 VW-1/18-3.5 型天然气压缩机设计 （热力与动力计算） VW-1/18-3.5 NATURA GAS COMPRESSOR DESIGN (CALCULATION OF HEAT AND POWER) 学院（部）： 机 械 工 程 学 院 专业班级： 过程装备与控制工程 学生姓名 指导教师： 2011 年 5 月 17 日 安徽理工大学毕业设计论文 I 毕业设计任务书 专业、班级 姓名 日期 2009 年 3 月 10 号 1 设计题目 ： ZW-2.4/4-10 型天然气压缩机设计 2 （专 题）： 热力与动力计算 3 设 计原始资料： 见参考文献资料 4 设计
2、文件： 说 明 书： 1 份 图 纸： 装配图 1 张、零件图 1 张 5. 设计任务下达日期： 2011年 3 月 17号 6. 设计完成日期： 2011年 5 月 17号 7. 设计各章节答疑人： 8. 指导教师 ： 李坤 9. 系（室）负责人 ： 安徽理工大学毕业设计论文 II VW-1/18-3.5 天然气压缩机设计 （热力与动力计算） 摘要 压缩机是用来提高气体压力和输送气体的机械，是一种能量转换工作机。压缩机应用范围很广，有时也称为通用机械。自 20 世纪 70 年代石油化工大发展之后，形成了与之配套的专用压缩机，如大化肥专用压缩机、乙烯工业用 “ 三机 ”等。化工 专用压缩机还包
3、括传统的化工用压缩机。如氯气压缩机、特殊稀有气体压缩机等，随着工业的发展和进步这些压缩机通常对材料、密封、工艺，特别是真实气体的适应性有特殊的要求。气体压缩机石化生产装置中常用的气体压缩机有离心式气体压缩机和往复式气体压缩机。多年来，我国压缩机制造业在引进国外技术，消化吸收和自主开发基础上，攻克不少难关，取得重大突破。例如，催化裂化装置用的主风机和富气压缩机、加氢装置用的循环氢压缩机，乙烯三大压缩机，化肥四大压缩机组等已大量在石化生产中应用 1。其中天然气压缩机研究也有了突破性进展。天然气压 缩机是气体活塞式压缩机的一种广泛应用于多个领域，如自用或公共充气站、天然气输送站、塑性成型、天然气加气
4、站、特种气体压缩机、天然气、吹扫、机器制造商、石油压缩机 ,对经济促进作用相当明显。 我国已将发展天然气工业、提高天然气在能源构成中的比例作为 21 世纪能源发展战略的重点之一。但目前我国 四 种主要用途的天然气压缩机的制造技术水平普遍不高，与国外同类产品相比存在较大差距。压缩机生产厂家普遍存在加工技术装备落后、压缩机零部件的加工精度较低等不足，导致直到目前我国这些压缩机仍然依赖进口。 研究 天然气压缩机制造业应该在开发 设计、产品整体质量、强化标准规范的贯彻和服务、增加品种等方面加把劲，才能满足我国加快发展天然气工业的需求 。 关键词：压缩机，天然气，无油润滑，零部件设计，热力计算，动力计算
5、 安徽理工大学毕业设计论文 III VW-1/18-3.5 NATURA GAS COMPRESSOR DESIGN (CALCULATION OF HEAT AND POWER) ABSTRACT Compressor is used to increase the gas pressure and gas transportation machinery, energy conversion is a work machine. A wide range of compressor applications, sometimes referred to as general-purpose
6、 machinery. Since the 20th century, 70s, after the great development of petrochemical industry, forming a complete set of dedicated compressor, such as the dedicated compressor fertilizer, ethylene industrial use “three-plane“ and so on. Chemical-specific compressor also includes traditional chemica
7、l compressor. Such as chlorine gas compressors, gas compressors, such as rare and special, with the industrial development and progress of these compressors are usually of materials, seal, process, in particular, the adaptability of the real gas with special requirements. Petrochemical production pl
8、ant gas compressor of the gas used in gas compressors are centrifugal compressors and reciprocating gas compressors. Over the years, our compressor manufacturing industry in the introduction of foreign technology, digestion and absorption and self-development, based on a number of difficulties to ov
9、ercome, and achieved a major breakthrough. For example, the catalytic cracking unit with the main fan and a gas compressor, the cycle of hydrogenation devices hydrogen compressor, three ethylene compressor, compressor fertilizer four have a large number of applications in the petrochemical productio
10、n. Natural gas compressor in which there has been a breakthrough in research. Natural gas compressor is a piston compressor is widely used in many fields, such as for personal use or public inflatable stations, gas stations, plastic molding, gas stations, specialty gas compressors, natural gas, purg
11、e, machinery manufacturers, compressor oil, the economy is fairly obvious role in promoting China has been the development of the natural gas industry to improve the natural gas in energy mix in the proportion of energy 安徽理工大学毕业设计论文 IV development in the 21st century as one of the focuses of the str
12、ategy. However, Chinas four major uses of natural gas compressor manufacturing technology level is generally not high compared with foreign similar products there is a big gap. Compressor manufacturer behind the prevalence of processing technology and equipment, compressor components, such as the la
13、ck of low accuracy, resulting in up to these compressors in China still rely on imports. Study on natural gas compressor manufacturing industry should be in the development of design, overall quality of products, and strengthen the implementation of standards and services, increase the variety and s
14、o work harder in order to speed up the development of our country to meet the needs of the natural gas industry Key words： Compressor， Natura Gas， Oil-free lubrication， Parts Design， Thermodynamic calculation， Dynamic calculation 安徽理工大学毕业设计论文 i 目录 摘要（中文 ） 摘要（英文） 1 绪论 1 1.1 天然气压缩机 1 1.2 原理结构分析 1 1.3
15、无油润滑 3 1.4 设计内容 5 2 压缩机热力计算 6 2.1 结构选型及方案选择 6 2.2 设计原始数据 6 2.3 排气温度的确定 6 2.4 计算排气系数 7 2.5 确定析水系数 7 2.6 确定汽缸行程容积 7 2.7 确定缸径和实际行程容积 7 2.8 活塞力的计算 8 2.9 轴功率的计算 9 2.10 电动机功率 9 3 压缩机的动力计算 10 3.1 已知条件和数据 10 3.2 作压缩机汽缸示功图 10 3.3作综合活塞力图 10 3.4作切向力图 12 3.5 计算飞轮矩 13 4零部件的设计 14 4.1 曲轴的设计 14 4.2 连杆的设计 1 5 4.3 连杆
16、的计算 17 4.4 其他零件尺寸确定 1 9 5 结论及压缩机发展前景 20 5.1 天然气压缩机的现状 20 5.2 天然气压缩机发展的不足 21 安徽理工大学毕业设计论文 ii 5.3 天然气压缩机的前景 24 5.4 小结 24 参考文献 26 谢辞 27 安徽理工大学毕业设计论文 1 1 绪论 1.1 天然气压缩机 在一个相当长的时期内，天然气压缩机的可靠性是与其重要性不相称的。特别关 键的是气阀，因为它的可靠与否对机器有很大的影响，为此人们对气阀的制造和研究一直非常重视。活塞式压缩机中另一个被关注的问题是滑动密封。滑动密封包括两个方面：其一是密封元件的耐久性 -寿命；其二是密封元件
17、因需要油润滑而带来的气体污染问题。对于前者是致力于研究摩擦、磨损和润滑问题；而后者，人们却又因此创造出了许多新型的、气体不被油污染的压缩机 3随着工业的发展和进步，人们对压缩机性能的要求也越来越高，需要研究设计人员不断的更新现在的技术，研究出适合当代社会工业发展需要的压缩机，所以对本课题的研究是非常重要和必 要的。因为活塞式压缩机易损件多、体积大、噪声大、震动大、不稳定及存在危险性等缺点。在一九三六你瑞典开发的第一台双螺杆式空气压缩机。因工作相对稳定、整机体积小、 英格索兰 空压机 自动化程度高、维护量少且小、噪声也大幅度降低、震动也少到不用基础等一系列优点，于一九八六年开始引入中国并得到广大
18、客户的认可。 但是随着螺杆压缩机的广泛应用，随之而来的问题也都暴露出 来，主要表现为：压力上不去，适合于八公斤以下；排气量也上不去，最大的机头到现在为止也只有 35 立方；轴承寿命短，而且需要有专用设备来调整间隙；不稳定性（体现机头会被抱死）力无法平衡，螺杆不能被平衡； 英格索兰 空压机 噪声及震动不太令人满意 2。综上可知，天然气压缩机业亟待技术升级换代。研究时需综合运用过程流体机械课程及其它先修课程的理论和生产实际知识进行 机械设计训练，使理论和生产实际知识密切地结合起来。学习和掌握通用机械零件、机械传动装置或简单机械的一般设计方法，培养工程设计能力和分析问题、解决问题的能力。研究时学生需
19、要在计算、制图、运用设计资料（包括手册、标准和规范等）以及经验估算、综合考虑技术决策、机械 CAD 技术以及机械设计方面的基本技能进行一次训练，以提高这些技术能力。 1.2 原理结构分析 活塞式天然气压缩机 工作原理见图 1 所示： 1.排气阀 2.气缸 3.活塞 4.活塞杆 5.滑块 6.连杆 7.曲柄 8.吸气阀 9.阀门弹簧在气缸内作往复运动的活塞向右移动时，气 缸内活塞左腔的压力低于大气压力 P0，吸气阀开启，外界空气吸入缸内，这个过程称为压缩过程。当缸内压力高于输出空气管道内压力 P0 后，排安徽理工大学毕业设计论文 2 气阀打开。压缩空气送至输气管内，这个过程称为排气过程。活塞的往
20、复运动是由电动机带动的曲柄滑块机构形成的。曲柄的旋转运动转换为滑动 活塞的往复运动。 图 1.1 活塞 式压缩 机工作原理图 这种结构的压缩机在排气过程结束时总有剩余容积存在。在下一次吸气时，剩余容积内的压缩空气会膨胀，从而减少了吸人的空气量，降低了效率，增加了压缩功。且由 于剩余容积的存在，当压缩比增大时，温度急剧升高。故当输出压力较高时，应采取分级压缩。分级压缩可降低排气温度，节省压缩功，提高容积效率，增加压缩气体排气量。 图 1为 单级活塞式天然气压缩机 ，常用于需要 0.3 0.7MPa 压力范围的系统。单级活塞式 压缩 机若压力超过 0.6MPa， 各项性能指标将急剧下降，故往往采用
21、多级压缩，以提高输出压力。为了提高效率，降低空气温度，需要进行中间冷却。图 2(A)为二级压缩的活塞式空压机设备示意图。如图 2(B)所示，空气经低压缸后压力由 p 1提高至 p 2 ， 温度由 T l升 至 T 2然后流入中间冷却器，在等压下对冷却水放热，温度降为 T l；再经高压缸压缩到所需要的压力 p3。 并由该图可见，进入低压缸和高压缸的空气温度 T l和 T 2，位于同一等线 12 3 上 ， 两个压缩过程 12.2 3偏离等温线不远 。 同一压缩比 12TT 的单级压缩过程 123 ，比两级压缩偏离等温线 12 3 远得多 ， 即温度要高许多。且单级压缩消耗功相当于图中面积 613
22、 46， 两级压缩消耗功相当于 上 图中面积 61256 和 52 345之和节省的功相当于 2 23 32 。 可见 ， 分 级压缩可降低排气温度，节省压缩功，提高效率 4。 天然气压缩机 有多种结构形式。按气缸的配置方式分有立式、卧式、角度式、对称平衡式和对置式几种。按压缩级数可分为单级式、双级式和多级式三种。按设置方式可分为移动式和固定式两种。按控制方式可分为卸荷式和压力开关式两种。其中，卸荷式控制方式是指当贮气罐内的压力达到调定值时， 压缩机 不停止运转而通过打开安全阀进行不压缩运转。这种空转状态称为卸荷运转。而压力开关式控制方式是指当贮气罐内的压力达到调定值时，空压机自动停止运转。
23、安徽理工大学毕业设计论文 3 活塞式天然气压缩机大 优 点是结构简单，使用寿命长，并且容易实现大容量和高压输出。缺点是振动大，噪声大，且因为排气为断续进行，输出有脉冲，需要贮气罐 。 图 1.2 活塞式 天然气压缩机 设备示意图 1.3 无油润滑 天然气压缩机在冶金、矿山、食品、医药、建材以及航天等国民经济建设和国防建设等部门中应用广泛，特别在石油、化工以及动力等工业中，已成为必不可少的关键设备。长期以来，由于老式有油润滑压缩机的诸多弊端，使原料气带入有害油分，直接影响产品质量，还给设备安全带来威胁。随着工业的发展，常要求气体 在压缩时不为润滑油所污染，或根本不允许与润滑油接触，也不允许外界空气逸人气缸。例如，合成氨厂中的氮氢气压缩机，若被压缩的或输送的氮氢混合气夹带油分而进入合成塔，便会使触媒中毒，降低其使用寿命。空气分离部门的氧气压缩机为防爆而不能使用润滑油 (氧气遇油容易引起燃烧，发生爆炸 )。石油气压缩机中的碳氢化合物会使润滑油稀释，粘度下降，达不到润滑效果。深冷工程用的气体温度很低，如乙烯为 104，甲烷为 150，此时润滑油早巳冻结，无法有油润滑。食品工业和制药工业的产品不允许被油污染。各类贵重的稀有气体如氦、冠等最怕 混有空气，影响纯度。为满足上述工艺和产品的特殊要求，无油润滑压缩机则应运而生，它的形成和发展从一开始就具有强大的生命力。
