往复式压缩机热力学计算及活塞部件计算机模拟分析

新疆大学毕业论文(设计)

题目: 双段乙烯气体往复式压缩机热力计算及活塞部件计算机模拟

指导老师:张亚新

学生姓名：孟培勤

所属院系：化学化工学院

专业：过程装备与控制工程

班级：化机07-1班

完成日期：2011-5-30

本人郑重声明毕业论文是本人在张亚新老师指导下独立完成，没有抄袭、剽

窃他人成果，由此造成的一切后果由本人负责。

新疆大学

毕业论文（设计）任务书

班级：化机07-1姓名：孟培勤

论文页数：34页；图纸张数：

指导教师：张亚新

教研室主任：毛先萍

院长：王吉德

摘要

对往复活塞式压缩机热力学部分的基本内容和原理作了简单的介绍，并且查阅了相关的科技文献，了解到国内往复活塞式压缩机的发展基本状况和前景，并且对其热力学部分内容和动力学进行了计算，包括气缸内气体的压力比、温度、惯性力的计算、气体力的计算，综合活塞力和切向力的计算，为了便于分析，作了相关的图，并进行活塞部件进行ANSYS模拟分析，从而对活塞受力有简单的分析。

关键词：往复活塞式压缩机；惯性力；气体力；综合活塞力；ansys模拟分析

ABSTRACT

The paper introduce that the basic substance and theory of the reciprocating piston compressor’s dynamics，and look up interrelated data of the dynamics. The paper elaborated the basic developed vista and state of the reciprocating piston compressor at the home and broad and calculated the content of the reciprocating piston compressor’s dynamics to consist of the inertia force calculation、gas force calculation、gas pressure ratio、temperature、comprehensive piston force and tangential force calculation。In order to facilitate analysis, a related chart. And the piston parts by ANSYS simulation analysis .Thus on the piston stress have simple analysis. Keywords: reciprocating piston compressor；inertia force；gas force；synthesized piston force；Ansys simulation analysis

目录

1、概述 (1)

1.1往复活塞式压缩机的特点及在石油化工中的应用 (1)

1.2往复活塞式压缩机基本结构及原理 (2)

1.2.1往复活塞式压缩机的基本结构 (2)

1.2.2往复活塞压缩机的基本原理 (3)

1.3往复式压缩机的最新进展 (3)

2、双段乙烯气体往复式压缩机的热力学与动力学计算 (6)

2.1热力学计算原始数据 (6)

2.2热力计算步骤 (7)

2.2.1初步确定各级名义压力 (7)

2.2.2计算各级排气温度 (7)

2.2.3求各级气体的可压缩性系 (8)

2.2.4确定各级的进、排气系数 (8)

2.2.5确定各级气缸行程容积 (9)

2.2.6确定各级气缸直径 (9)

2.2.7圆整后各级名义压力及温度的修正 (10)

2.2.8计算活塞力 (12)

2.2.9往复惯性力的计算 (13)

2.2.10综合活塞力计算 (14)

2.2.11计算轴功率、选择电机 (16)

3、活塞设计 (17)

3.1活塞组件介绍 (17)

3.2活塞基本尺寸计算 (19)

4．活塞部件的ansys模拟分析 (20)

4．1 ANSYS软件简介 (20)

4.1.1 ANSYS概述 (20)

4.1.2 ANSYS软件分析过程 (21)

4.1.3 ANSYS在化工装备中的应用 (21)

4.2建立活塞模型 (22)

4．3网格划分 (24)

4.4加载及求解 (25)

4.4.1施加位移约束： (25)

4.4.2施加载荷： (26)

4.4.3求解： (26)

4.5结果分析 (27)

5总结和讨论 (32)

致谢 (33)

参考文献 (34)

1、概述

1.1往复活塞式压缩机的特点及在石油化工中的应用

往复式活塞式压缩机的特点有

1、往复式压缩机与离心式压缩机比较

（1）无论流量大小都能达到所需压力，一般单级終压可达0.3至0.5MPa，多级压缩可达到100MPa。

（2）效率较高。

（3）气量调节时排气压力几乎不变。

（4）在一般压力范围内，对材料的要求不高，可用普通的金属材料。

2、主要缺点

（1）转速底，排气量较大时机器显得笨重。

（2）结构复杂，易损件多，日常维修量大。

（3）动平衡性差，运转时有振动，噪音大。

（4）排气量不连续，气流不均匀。

3、各类压缩机的使用范围

活塞式适用于中小输气量，排气压力可由低压到超高压；离心式和阻流式适用于输送大气量，中低压情况；回转式适用于中小输气量、中低压情况。

但同时它也存在着以下的缺点：（1）排出气体带油污（2）排气不连续，气体压力有脉动，严重时往往因气流脉动共振造成机件等的损坏（3）转速不宜太高 (4) 外形尺寸及基座较大（5）结构复杂，易损件多，维修工作量较大。

压缩机作为一种重要的通用机械，在化工，石油化工，动力等各个领域均得到广泛的应用，而活塞式压缩机在石油化工行业应用更加广泛，如制合成氨，合成尿素，制取乙烯，丙烯等一些化学产品，都会使用到压缩机?[1]。

1.2往复活塞式压缩机基本结构及原理

1.2.1往复活塞式压缩机的基本结构

压缩机结构部件大致可分为如下三大部分。

（1）工作腔部分

工作腔部分是直接处理气体的部分，包括气缸、活塞、气阀等，构成有进、出通道的封闭空间。活塞杆穿出工作腔端板的部位没有填料，用以密封间隙，活塞上设计的活塞环也是其密封作用。

（2）传动部分

传动部分把电动机的旋转运动转化为活塞的往复运动，包括曲轴、连杆、十字头等，往复运动的活塞通过活塞杆与十字头连接。

（3）机身部分

机身部分是用来支撑（或连接）气缸部分与传动部件的零部件，包括机身（或称曲轴箱）、中体、中间接筒等，其上还有可能安装有其他附属设备。

一台完整的往复活塞式压缩机包括两大部分：主机和辅机。主机有运动机构，工作机构和机身，辅机包括润滑系统，冷却系统和气路系统。运动机构是一种曲柄连杆机构，它把曲轴的旋转运动转换为十字头的往复直线运动，主要由曲轴，轴承，连杆，十字头，皮带轮或联轴器组成。机身是压缩机外壳，用来支承和安装整个运动机构和工作机构，又兼作润滑油箱用。曲轴依靠轴承支承在机身上，机身上的两个滑道又支撑着十字头，两个气缸分别位于机身两侧。

以下是往复式压缩机的结构图。

图1-1 往复式压缩机结构图

1-曲轴箱；2-撑杆；3-润滑油；4-十字头滑道；5-曲轴；6-连杆；7-连杆螺母；8-十字头；9-十字头销；10-十字头滑履；11-刮油环；12-密封环；13-气缸；14-缸套；15-活塞；16-活塞环；17-导向环；18-活塞杆；19-活塞杆填料；20-吸气阀；21-排气阀；22-吸气阀卸荷器；23-余隙腔

1.2.2往复活塞压缩机的基本原理

依靠气缸工作容积周期性的变化来压缩气体，以达到提高工作压力的目的。（活塞在气缸内的往复运动造成减压将气体吸入，继而将气体压缩至一定压强而将它送出）活塞式压缩机的工作原理。

压缩机是用以将低压力的气体压缩至高压力的机器，在完成这项任务时，多采用逐次的多级压缩，每级气缸中都有相同的吸气、压缩和排气过程。

1、压缩机的理论循环

气体在气缸内的理论循环，具有以下特点，即压缩机在吸气、排气时，不存在进排气阀处的压力损失，进排气过程压力处保持恒压，压缩过程指数量是一个定值，故气体在压缩时与气缸壁等处皆不发生热脚换，缸内不存在余隙容积以贮留小部分高压气体，全部气体均能排出气缸外。

2、压缩机的实际循环

有余隙容积，在压力比和膨胀指数相同的条件下，相对余隙容积增大，

容积减小。一般为了提高容积效率，余隙容积要尽量减小些。

1.3往复式压缩机的最新进展

容积式流体机械的结构形式较多,在石油、化工等工艺流程,往复式压缩机仍是主要机型之一 ,这种容积式压缩机的惯性力平衡、密封填料的工作特性以及气阀运行规律等一直是研究的重点。在过去30年中,相关问题得到了较好的解决,往复式压缩机的性能与可靠性有了很大提高[3]。随着现代科学技术的迅速发展，机械设备日益朝着高度自动化的方向发展，造成机械设备逐渐复杂且零、部件之间的联系更加紧密。一旦某一部分发生故障，往往会引起整台设备的瘫痪，而且频繁的故障和较长的检修时间常常造成巨大的经济损失和人员伤亡事故的发生。人们对机械设备的可靠性、可用性、可维修性、经济性与安全性提出了越来越高的要求，现代工业生产中的设备系统比以往更注重效率和能耗，且环保的要求越来越高。

我国对在线监控技术的研究始于六十年代。从总体上来看，其发展水平远远落后于发达国家。目从事这方面研究的单位主要局限于高校、研究所、工厂和一些制造厂家，多方面仍处于起步阶段，因此，用国产化成熟设备，积极吸收国内外先进技术，以先进可靠、可维护、操作筒便实用为原则，研制开发出满足国产

化要求的在线监控系统成为满足现代工业发展要求的当务之急。

一个完整的监测系统（DCS系统）应包含以下四个部分：直接数字控制（DDC）、过程管理、生产管理和经营管理。计算机化的在线监控系统从结构上可分为两类：一类硬件为骨干，特点是分析速度快，能瞬态采集数据并实时分析，但往往价格昂贵，系统功能不易扩充，且发展水平受国内硬件发展水平的制约。另一类以软件为骨干，系统中数据的采集与分析主要由软件来完成，整个系统除计算机和必要的外围设备外，仅配置A／D转换器，多通道切换器、放大器和传感器等少量硬件，其特点是成本低，可扩充性好，但分析速度比较慢。鉴于国内现使用的计算机速度已相当快，处理软件能在较短时间内完成，一般采用以软件为主的在线监控系统。这样做可大大降低成本，节约费用且软件较易扩充，能很好地满足今后向网络化发展的要求[4]。

对于压缩机的故障诊断，近年来也有不少的研究人员在探讨和研究，而往复式压缩机又是工业上应用量大、面广的一种重要通用机械，其故障诊断比较复杂，对于其故障诊断技术的研究一直以来都得到了国内外学者的广泛关注。在国外，美国学者曾经利用气缸内侧的压力信号图像判断气阀故障及活塞环的磨损；捷克学者根据对千余种不同类型的压缩机建立了常规性参数数据库，确定评定参数，以判断压缩机的工作状态等。

往复式压缩机的常见故障大多发生在气阀、弹簧、活塞环及气缸等几个易损部件上。在分析往复式压缩机上述常见故障和引发原因的基础上，有以下措施：加强工作介质的过滤精度；选用合适材料的阀片、弹簧；满足压缩空气热平衡的需要，提供足够的冷却水，降低排气温度；控制润滑油的使用量，维持润滑油的粘度、强化润滑效果，延缓结垢，提高产气量。有针对性地对压缩机易损部件进行定期检修和合理维护，可延长压缩机易损件的使用寿命，提高运行的经济性[5]。

在石化领域，往复式压缩机主要是向大容量、高压力、低噪声、高效率、高可靠性等方向发展；不断开发变工况条件下运行的新型气阀，提高气阀寿命；在产品设计上，应用热力学、动力学理论，通过综合模拟预测压缩机在实际工况下的性能；强化压缩机的机电一体化，采用计算机自动控制，实现优化节能运行和联机运行。

在动力领域，活塞式压缩机目前占有主要市场。但随着人们对使用环境及能耗、环保等方面要求的提高，螺杆和涡旋空气压缩机开始占有一定的市场。而在竞争愈来愈激烈的中国市场，人们不得不想出诸多办法来解决一些实际问题，美国泰康公司摧出的滑块式往复压缩机，保留了传统往复压缩机的许多优点，而且结构紧凑，力的平衡性好，振动小，噪声低，转速范围广，在空调热泵系统中，

其性能可与滚动转子式和涡旋式压缩机相媲美。该公司曾将其应用于汽车空调，在7000r／min以上的转速下作长期运行试验，证明可靠性良好。

往复式压缩机中关于各个部件的损坏以及原因分析和采取的措施在近年来也有一定的研究，如十字头的故障，在茂名炼油化工股份公司，关于渣油加氢装置，就。自1999年投产以来Ⅲ级十字头销及连杆小头瓦共发生故障4次：2000年7月、2001年5月。发生两次Ⅲ级十字头销断裂，连杆小头烧损，十字头销孔局部少量磨损，累计运行时间都是约为6个月；第二次故障时I级吸气压力由2．2MPa 降到0．7MPa；2001年7月连杆小头瓦烧损并错位，十字头销孔受力面磨损严重，累计运行时间约1个半月；发生于2001年11月Ⅲ级缸有异响，经检查销子前后受力位置磨损，烧伤变黑，十字头内表面上部有撞痕，累计运行时间约2个半月。这些事故不由的警示着我们对于研究这些故障发生的重要性[6]。

压缩机是化工厂的心脏设备，其扰力是基础动力计算的重要资料。据化工建设的实践经验，从六十年代起，由于扰力计算错误，致使不少压缩机基础振动过大，不得不采取加固措施[7]。扰力在这也指的是综合活塞力。

随着我国经济的发展，我国的压缩机设计制造技术也有了长足发展，在某些方面的技术水平也已经达到国际先进水平。但在一些方面与国际先进水平还存在一定差距。预计我国“十一五”期间的压缩机需求增幅较大，这对我们既是机遇也是挑战，需要广大压缩机工作者共同努力，推动我国压缩机技术的进步。

2、双段乙烯气体往复式压缩机的热力学与动力学计算

2.1热力学计算原始数据

第一段的排气量为60m 3／min （I 级进气状态），名义进气压力为 1.11×

510Pa （绝对），进气温度－40℃。

第二段排气量100 m 3／min （I 级进气状态），段前有中间加气，名义进气压力为3.5×510（绝对）进气温度－40℃，名义排气压力为20×510Pa （绝对） 各级气体的等熵指数近似地取用标准状态下的κ=1.2. 根据设计条件并结合有关配置方案的设计原则，初步确定该压缩机级的配置方案如图

第一段压缩机级数为一级，分两缸压缩；第二段级数为两级，全机共三级。 行程 s=300㎜ 转速 n=350r ／min

各级气缸相对余隙容积按类似机器确定为

I α= 0.1 II α= 0.13 III α=0.16

图2-1乙烯压缩机级的装配图

2.2热力计算步骤

2.2.1初步确定各级名义压力

第I 级

I ε=3.51.11

=3.15

2.2.3求各级气体的可压缩性系数

表2-3可压缩性系数

压力系数 取I p λ=0.97，II p λ=0.98，III p λ=1.0 温度系数 按图3-12，取

T I λ=0.85 T II λ=0.90 T I I I

λ=0.90 凝析系数 按已知条件、无凝析则 I I I I I I 1φφφμμμ=== 泄露系数 按图3-24的布置，列表计算如下

表2-4泄露系数

h III

0.04720.79410.950.9508.3652330.986350

V ==????? m 3/次 2.2.6确定各级气缸直径

参照同类机器，初步选取各活塞杆直径d=80㎜，其截面积425010f m -=? 按式（3-57）计算得各级气缸直径，其中I 级缸由两缸并联。

I 0.512D ===m

按表3-4，把气缸直径圆整为I D =510㎜

II 0.502D ===m

圆整为 II D =500㎜

按式（3-84），/h k /h h k 2hk V V V V β= ，求得

/I

h I I /h I h I 12h V V V V β==

/

II h I II /h I h II 0.24200.117

0.9920.2440.1172

h V V V V β===

/

III h I III /h I h III 0.24200.0472

0.99220.2440.0472

h V V V V β===

修正后各级名义压力及名义压力比

表2-5修正后各级名义压力及名义压力比

2.2.8计算活塞力

计算气缸内进、排气过程的平均压力

表2-8点活塞力计算表

12吨的系列，各列取值相同，其往复运动构件的质量为m s =350kg ，现选取连杆

径长比 λ=4

1

，曲柄销旋转半径 r=150 mm,曲轴旋转角速度

65.363035030=?=?=ππωn 1/s 。

由书中文献可查得函数)2cos (cos αλα+的值，计算往复惯性力 )2cos (cos 2αλαω+=r m I s （3-1）

)2cos (cos 65.3615.03502αλα+??= )2cos (cos 52.70αλα+= 往复惯性力的计算表如下表所示：