1、第七章 空气压缩设备本章主要学习内容：1.概述2.活塞式压缩机的工作理论3.L型空压机的结构4.压气设备的选型设计5.螺杆式压缩机1第七章 空气压缩设备第一节 概 述一、空气压缩设备的构成2二、空压机的分类 空压机的种类很多，按工作原理和结构形式不同可进行如下分类：3第二节 活塞式空压机的工作理论一、活塞式空压机的工作原理4二、活塞式空压机的理论工作过程为了分析单级往复空压机的理论工作过程，假定：（1）在吸气过程中，气体的状态不变；（2）气缸内被压缩的气体全部无遗地排出（即空压机没有余隙容积）；（3）在排气过程中，压缩空气状态保持不变；（4）空压机内没有能量损失和漏气损失，吸、排气阀无阻力。5
2、二、活塞式空压机的理论工作过程设：活塞对外作功为正，外界对活塞作功为负。每一工作循环消耗的总功等于吸气功与压缩功、排气功的代数和。322114VVVVVVpdVpdVpdVL221112VPpdVVPLVV6二、活塞式空压机的理论工作过程对绝热过程PV k=C1111211kkPPVPkkL对多变过程PV n=C1111211nnPPVPnnL对等温过程PV=C1211lnPPVPL 7例 71空气的初压力 P1 105 Pa，终压力P2 5*105 Pa，空气的初始温度 t1=15，试求1m3空气按照等温、绝热和多变压缩时的终温度和理论循环功。多变指数n=1.25。解 等温压缩时：t1=15
3、，L=161 kJ 绝热压缩时：t1=187，L=210 kJ 多变压缩时：t1=125，L=188 kJ8三、活塞式空压机的实际工作循环1实际压缩过程2实际排气过程3实际膨胀过程4实际吸气过程V49理论工作循环和实际工作循环的比较过程理论工作循环实际工作循环压缩，n=常数 n常数，开始时是吸热压缩，然后是放热压缩。排气状态不变状态变化，压力降低且波动，温度降低。膨胀无有（余隙容积），m常数，开始时是放热膨胀，然后是吸热膨胀。吸气状态不变状态变化，压力降低且波动，温度升高。nPVCnPVCmPVC10四、活塞式空气压缩机的排气量活塞式空压机的理论排气量，即每分钟所吸入的气体量QT。对于单作用气
4、缸的理论排气量SniDQT24对于双作用气缸的理论排气量SnidDQT222411四、活塞式空气压缩机的排气量由于各种因素的影响，空压机的实际排气量总是小于理论排气量。这些影响因素是：（1）余隙容积的影响。（2）吸气阻力的影响。（3）吸气温度的影响。（4）气体湿度的影响。（5）漏气的影响。VVVN SVVVNTSTVVV吸气系数VVTVVVTllVVV容积效率排气系数VVlvNVVpsNV VTTSVVTVVllV V12四、活塞式空气压缩机的排气量VVl90.075.0lTpvlTSTNSNVVVVVVVVVV120192.082.011ppVVmv98.095.011ppp98.092.0
5、11TTT98.09.0l98.0122211ppppppss13五、活塞式空压机的功率和效率1.指示功率空压机的指示功率，指气缸内活塞加于气体的功率，也就是空压机的实际循环功率。确定空压机的指示功率可根据：等温或绝热压缩时的理论功率并加以修正；在空压机试验中所测得的示功图的面积直接求取。等温理论循环功为：如果空压机的排气量为Q，则等温理论功率为：21 11lnzdPLPVP1241ln60 10006 10zdzdL QPQPNP141.指示功率如果空压机的排气量为Q，则绝热理论功率为：1124116 101kkzjPQPkNkP94.09.08.07.0zjzzjzjzdzzdzdNNNN
6、151.指示功率amFLizkwnLNzz100060测取示功图面积Fi cm2m：示功图容积座标比例尺m3/cma：示功图压力座标比例尺Nm-2/cm162.轴功率 空压机的轴功率即主轴上的功率。NNzm21mmjNNNN m=0.9-0.95(大中型压缩机)，m=0.85-0.9(小型压缩机)。173.驱动功率 驱动功率是原动机（大多采用电动机）驱动空压机所需的功率：4.比功率比功率是单位排气量所消耗的轴功率即：cgKNNmin)/m/(kwQNNB35空压机的工作效率（1）等温效率（2）绝热效率mzdzzzdzddNNNNNNmzjzzzjzjjNNNNNN18六、两级压缩1221pp1
7、9六、两级压缩3311VpVp11112111nnPPVPnnL11134332nnPPVPnnL21LLL32pp 02dpdL4122ppp 2412pppp212021第三节 L型空压机的构造L型空压机，由若干个具有特定作用的系统组成，它分别是：传动系统，气路系统，冷却系统，润滑系统，调节系统和控制保护系统。22一、传动系统 传动系统的主要部件有：曲轴、连杆、十字头、飞轮及机架等，其作用是传递动力，把电机的旋转运动转变成活塞的往复运动。1机身机身起连接、支承、定位和导向等作用。12232曲轴 曲轴的材料一般为球墨铸铁。它由两段轴颈、两块曲臂和一个曲拐组成。曲轴上有油孔，通过齿轮油泵供油润
8、滑轴颈，同时向连杆供油。243连杆 连杆包括杆体、大头、小头三部分，大头采用剖分结构,连杆体内有一通孔，从曲轴得到的润滑油由大头通过孔到小头润滑十字头销。254十字头 十字头主要有十字头体和十字头销两部分，十字头体上有内螺纹孔以连接活塞杆，通过调节螺纹拧入深度可调节余隙容积。十字头穿过连杆小头与十字头体固结。265飞轮 由于活塞近似作简谐运动，整个传动机构与活塞的惯性力在旋转过程中很不均匀，另外，在一个循环内气缸内的气体压力也是变化的，因而曲轴上的阻力矩也是变化的，为了使传动平稳，减少对电机的负荷波动，配置质量较大的皮带轮兼作飞轮。27二、气路系统 气路系统的主要部件有：空气过滤器、气缸、活塞
9、、气阀、密封装置和风包等。1.气缸 282活塞 293.气阀（a）（c）1、2级吸气阀；（b）（d）3、4级排气阀l阀座；2阀盖；3弹簧；4阀片；5一一螺帽；6螺栓；7开口销；8垫304.填料及填料函填料是指密封气缸和活塞杆间隙的元件。它充填或装配在气缸体的填料函内。空压机中的填料多用自紧式密封，按结构形状分为平面和锥形密封圈两种。314.填料及填料函325.风包 风包是L型活塞式空压机必须配置的设备，一般竖立装在室外。风包概括起来有三个作用：稳压作用。贮存一定量压气，对风动机具用气的不均衡性起一定的调节作用。风包内可分高压缩空气中的油、水，提高气体质量。33三、冷却系统34四、润滑系统l曲轴
10、；曲轴；2传动空心传动空心轴；轴；3蜗轮蜗杆；蜗轮蜗杆；4外壳；外壳；5从动轮；从动轮；6主动轮；主动轮；7油压调节阀；油压调节阀；8螺帽；螺帽；9调节螺钉；调节螺钉；10回油管；回油管；11压力压力表；表；12滤油器；滤油器；13连杆；连杆；14十字头；十字头；15十字头销；十字头销；16气缸；气缸；17凸轮；凸轮；18杠杆；杠杆；19柱塞阀；柱塞阀；20球阀；球阀；21吸油管；吸油管；22油槽；油槽；23顶杆顶杆35五、调节系统-1.打开吸气阀调节部分行程打开吸气阀调节装置 l制动垫圈；2小弹簧；3压叉；4导轴；5大弹簧；6销；7弹簧座；8指针；9手轮362.关闭进气管调节373.改变余隙
11、容积调节383.改变余隙容积调节39六、控制保护装置1安全阀2释压阀3.压力继电器4.温度保护40七、压缩空气站一）压缩空气站的布置方案 1.设置在矿井地面工业广场集中或分散。2.设在井下。3.井下移动。二）地面压缩空气站的布置1站址的选择。2设备的布置。412设备的布置42第四节压缩空气设备的选型设计 一、设备选择的原则与要求 选择矿山压缩空气设备的原则是，必须保证在整个矿井服务年限内，在用风量最多、输气距离最远的情况下，供给足够数量和压力的压缩空气。同时在设计中要充分考虑设备使用的效能，以便为设备运转的经济性打下有利的基础，要投资少，操作及维修方便。1.选型设计时必须的资料 1）采掘机械配
12、置图，同时使用的风动机具的型号和台数。2）机修厂、井口及井底车场使用的风动机械的型号和台数，或用风数量。3）地面工业广场的平面图，巷道开拓系统图。431.选型设计时必须的资料 4）最远采区的距离，各水平及井口标高；5）矿井年产量及服务年限。2选型设计的主要任务 1）选择空压机的型式并确定所需的台数；2）选择电动机及电控设备；3）选择空压机的辅助设备；4）选择输气管道及附件；5）提出技术经济指数；6）绘制压缩空气站的设备布置图及管道布置图。44二、选择空气压缩机型式和台数 空压机型式的选择和台数的确定，是依据矿井所需的供气量及供气压力。由于矿井生产年限较长，考虑到空气压缩机的使用年限，故没有必要
13、矿井生产末期的采掘工作所需的风量，作为设计的依据（服务年限较短的矿井除外）。通常可按矿井生产达到设计产量时，需要的供气量和压力设计，并适当考虑后期机站有扩建的场所。选型的步骤和方法大致如下：451.确定压缩空气站位置及输气管路系统 压缩空气站一般立在地面集中设站，或分散设站。输气管路系统的确定：在保证各用风点有足够的风量条件下，布局要合理且尽量缩短管路长度，同时要考虑管道拆装和维护方便等要求。2.压缩空气站总的供气量 式中：1沿管路全长的漏气系数；2风动机具磨损后，耗气量增加的系数；y海拔高度修正系数；ni在一个工作班内同型号风动机具的台数；qi一台风动机具的耗气量（m3min）;ki同型号风
14、动机具的同时工作系数。312/miniiiQynq km（）462.压缩空气站总的供气量1）2）21.1l.15。3）4）在同一工作面上风镐和凿岩机，不可能同时开动,计算耗气量时按凿岩机的工作台数计算。472.压缩空气站总的供气量5）ki是考虑风动机具都不是连续工作，从而使耗气量减少的因素。对于锚喷机的台数及同时工作系数，应按实际情况计算。因为在一个支管中锚喷机和其它风动机具是错开使用的，当无可靠资料时，大型矿井按4台计算，同时工作系数可按：2台：Ki=0.8 3台：Ki=0.6 4台：Ki=0.5483估算空压机必须的出口压力4选择空压机型式和台数 压缩空气站内空压机的型号，一般采用一种型号
15、，安设台数不超过五台，其中备用台数为一台。如果选用不同型号时，其备用量应按最大一台检修外，其余各台的总供气量仍应能满足所需耗气量为原则来确定。KPaLPMPaPPPPHe4030 10001.049三、选择电动机和电控设备四、选择冷却设备任务：水泵及拖动水泵的电动机以及水管的选型计算。1）水泵必须的排水量 压缩空压站一般设置三台水泵，一台冷水泵，一台热水泵；另一台作为备用。冷却水泵必须的排水量：式中n同时工作的空压机台数。Qi每台空压机的耗水量。hmQQniiw/3150四、选择冷却设备2）水泵所需的扬程（1）冷水泵的扬程H式中Hx水泵吸水高度。一般为2.02.5（m）；Hp排水高度，即水泵轴
16、线至空压机冷却系统最高位置的垂直高度（m）Hj空压机本身冷却系统的阻力损失，即自空压机冷却水进口经中间冷却器至水套出口的阻力损失。设计时可取1.53（m）H 供水管路的阻力损失，HHHHHjpx22LL vHdg51四、选择冷却设备2）水泵所需的扬程 H 供水管路的阻力损失，沿程阻力系数（约为0.020.03）L供水管实际长度（m）L 供水管上各种管件的折算长度的总和（m）；d供水管内径（m）v供水管内水流速度（ms）。（2）热水泵所需的扬程H式中：Hp 排水高度。即泵轴线至喷水池喷嘴之间的垂直高度，约为24m；或泵轴线至冷却水塔上喷嘴（或淋水装置）之间的垂直高度，一般约为46m；Hb 喷嘴的
17、工作水头46 m。HHHHHbpx52(3）选择水泵型式冷水泵和热水泵所需的扬程可能不同，但以选用相同型号的水泵为宜，一般选用单级离心泵。拖动水泵的电动机，通常由厂家配套供应，无需计算。（4）选择冷却水管 冷却水管直径可按下式计算：vQdw0188.0smvsmvsmvvQdw/1/0.25.1/10188.0回供吸53五、选择输气管路选择输气管道主要是选择管径和管材，同时计算出压气在管道中的压力损失。输气管道自空压机站至采掘工作面管路固定不动，一般选用焊接钢管或无缝钢管，工作面由于风动机具经常要移动，采用橡胶软管，由于胶管压力损失大，其长度一般不大于 15 m。1管道直径的选择 选择输气管径
18、有两种方法：一种是概算法；另一种查表法。工程上一般采用查表法，541）概算法L是计算管长。选择干管管径时，管路长度（L）应从矿井服务年限内最远的工作面至空压机站的距离考虑；而选择支管管径时，可按达到设计产量时采区工作面至空压机站的距离考虑。0.37040.26.51dQL m m20dQmm支管支管 L=100+386+253+450+300+250+250=1989 m干管干管 L=100+386+253+450+300+250+250+1500=3489 m552）查表法562.校验压力损失852.151215.1102.1iiiiiLLMPaQdLp575年电耗空压机站总耗电量包括空压机
19、耗电量、冷却水泵耗电量及机站照明以及维修用电量（后两项耗电量，可按实际需要量计算或估算）。1）空压机年耗电量：式中：K空压机负荷系数，等于空压机实际排气量与额定排气量的比值；Z 同时工作空压机的台数，Nk 空压机轴功率，可取之产品技术规范；t空压机每天的工作小时数，三班工作制取21；d空压机年工 作天数；ahkwtdzNKtdzNKtdzNKEwdcKwdcKwdcK/2.08.02.011582）水泵年耗电量式中 Nd水泵轴功率。3）总电耗E=E1+E2dcdtdzNE259某矿年产量120万t，第一水平划分为二个阶段开采达到设计产量时，有10个岩巷掘进工作面，其中开拓4个头（M1M4），准
20、备6个头（N1N6），集中巷采用喷射混凝土支护，各掘进工作面使用风动工具的型号和数量如图所示。地面机厂设置一台IR50型锻钎机。井口标高为36米。输气管路各管段长度列于表中。1M4M601M4M611计算矿井所需的供气量：98.37m3/min2.计算出口压力 L=100+386+253+450+300+250+250+1500=3490 m3.选择空压机的型式和台数选用四台 5L408型空压机，该机配用TDKll8/2416型同步电动机及4.6m3的储气罐。MPaPPPPHe73.01.0490.310004049.01.0624选择各段管道直径1M4M634选择各段管近直径支管支管 L=1
21、00+386+253+450+300+250+250=1989 m干管干管 L=100+386+253+450+300+250+250+1500=3489 m645.校验空压机的排气压力KPaP900100266.018.0125.0114.0218.0maxMPaP68.009.01.049.0min65第五节 螺杆压缩机 一、概述一、概述 1基本结构和工作原理666768692分类 按其运行方式的不同，螺杆压缩机可分为无油机器和喷油机器两类。3特点 螺杆压缩机具有一系列独特的优点,主要有：可靠性高、动力平衡好、适应性强、多相混输、无油压缩。螺杆压缩机的主要缺点是：造价高、系统复杂、不能用于
22、高压场合、噪声大。70二、转子型线二、转子型线 （一）有关几何要素的基本概念转子型线：转子的齿面与转子轴线垂直面的截交线，故又把转子型线称为端面型线。齿 面：由转子型线作螺旋运动就形成了转子的齿面。接 触 线：螺杆压缩机的阴、阳转子啮合时，两转子齿面相互接触而形成的空间曲线称为接触线。它是吸气基元容积与压气、排气基元容积的分界线。啮 合 点：转子型线的接触点。齿合点的集合是接触线。啮 合 线：两转子型线啮合运动的啮合点轨迹，叫做型线的啮合线，也是接触线的轴向投影。啮合点的集合是啮合线。71（二）转子型线72（二）转子型线7374第四节第四节 回转压缩机的喷液回转压缩机的喷液 一、喷液对压缩机的影响 喷入的液体通常是油、水、制冷剂或其他液体。1向工作腔喷油的作用1）冷却作用；2）润滑作用；3）密封作用；4）降噪作用 2喷油对压缩机的影响1）对压缩过程的影响 使其压缩过程更接近于等温过程。2）对转速和驱动方式的影响 3）对压力比的影响4）对主机结构的影响5）使机组系统复杂75二、喷液机组的系统 按喷油机组系统液压泵的配置特性，可分为三类。1喷油机器的带液压泵系统2喷油机器的无液压泵系统3联合使用的油循环系统76二、喷液机组的系统77第七章作业及参考答案7-17-37-57-77-107-1378
