课程设计说明书题目:VW-2.5/2-40天然气压缩机设计
院（部）：机械工程学院
专业班级：化工设备10-1
学号： 2010305734
学生姓名：赵守强
指导教师：李坤
2012 年 6 月 7 日
安徽理工大学课程设计（论文）任务书
机械工程学院（部）过控教研室
学号2010305734 学生姓名赵守强专业（班级）化工设备10-1 题目VW-2.5/2-40天然气压缩机设计
设计技术参数V型，无油润滑式，额定排气量2.5m3/min，额定吸气压力.02MPa，额定排气压力4MPa,天然气压缩机。第一级进气温度：20℃，第二级进气温度：25℃，吸入气体的相对湿度：8.0
1
=
?。
设计要求1热力计算：结构方案选择，压力比非配，活塞力的计算，选择电机。2动力计算：综合活塞力图。
3曲轴与连杆的计算
4图纸：曲轴与连杆零件图各一张
工
作
量
要求课程设计说明书页数不少于20页，并附有曲轴与连杆零件图各一张。
工作计划5.28-5.30进行热力计算，5.31-6.4进行动力计算，6.4-6.7进行曲轴与连杆的计算，5.8-5.10画出曲轴与连杆的零件图
参考资料Paul C. Hanlon. 压缩机手册[M]. 郝点, 译. 北京: 中国石化出版社, 2003.
高慎琴. 化工机器[M]. 北京: 化学工业出版社, 1992.
李云，姜培正．过程流体机械[M]．北京：化学工业出版社，2008
郁永章，陈洪俊.容积式压缩机技术手册[M].北京：机械工业出版社，2000.
指导教师签字教研室主任签字
目录
第一章 概述 (4)
1.1压缩机的分类及命名 ......................................................................................................... 4 1.2压缩机的基本结构 ............................................................................................................. 5 1.3活塞压缩机的优点 ............................................................................................................. 5 1.4活塞压缩机的缺点 ............................................................................................................. 5 1.5活塞式压缩机的工作原理 ................................................................................................. 6 第二章 总体设计 (6)
2.1 设计活塞式压缩机应符合以下基本原则 ........................................................................ 6 2.2压缩机的驱动 ..................................................................................................................... 6 2.3压缩机的转速和行程的确定 ............................................................................................. 6 2.4 压缩机的设计条件及要求 ................................................................................................ 7 第三章 热力计算 . (8)
3.1结构形式与方案选择 (8)
3.1.1计算总压力比 .......................................................................................................... 8 3.1.2选择级数 .................................................................................................................. 8 3.1.3压力比分配 .............................................................................................................. 8 3.2确定汽缸直径 ..................................................................................................................... 8 3.2.1计算容积系数 (8)
3.2.2确定压力系数 .......................................................................................................... 9 3.2.3确定温度系数 .......................................................................................................... 9 3.2.4确定泄露系数 .......................................................................................................... 9 3.2.5确定容积效率 . (9)
3.2.6确定析水系数
?
λ (10)
3.2.7确定各级行程容积 ................................................................................................ 10 3.2.8确定各级汽缸直径，行程和实际行程容积 ........................................................ 10 3.3计算活塞力 .. (11)
3.3.1修正各级公差压力 ................................................................................................ 11 3.3.2修正后各级排气温度 ............................................................................................ 12 3.3.3计算汽缸实际吸排气压力 .................................................................................... 12 3.3.4活塞力的计算 ........................................................................................................ 13 3.3.5计算轴功率并选配电机 . (13)
第四章 动力计算 (14)
4.1计算第一列的惯性力 ....................................................................................................... 15 4.2计算各列摩擦力 (16)
4.2.1往复摩擦力 ............................................................................................................ 16 4.2.2旋转摩擦力 ............................................................................................................ 16 4.3计算第I 列气体力 .. (17)
4.3.1第I 级盖侧的气体力 ............................................................................................ 17 4.3.2一级轴侧的气体力 ................................................................................................ 19 4.3.3计算第I 列综合活塞力及切向力. (20)
第五章曲轴与连杆的计算 (23)
5.1 I级活塞销尺寸 (23)
5.2曲轴结构尺寸的确定 (24)
5.3连杆尺寸的确定 (25)
参考文献 (27)
安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表 (28)
第一章概述
压缩机是一种用于压缩气体，借以提高气体的机械。它的种类很多，用途广泛，压缩机已成为国民经济各个部门中的重要通用机械。在化工生产中，往复式压缩机已成为关键设备，根据压缩机的原理，压缩机可分为“容积式”和“动力式”两大类。压缩机的种类和形式很多，不同压缩机的结构和特点差别很大，因而其适用的场合、性能、造价、尺寸重量等指标也相差甚远。
1.1压缩机的分类及命名
按工作原理按工作腔中运动件或气流工作特征按工作中运动件结构特征
容积式往复式
活塞式
柱塞式
隔膜式
回转式
双螺杆式
单螺杆式
涡旋式
罗茨式
滑片式
滚动活塞式
螺旋叶片式
单齿转子式
液环式
三角转子式
动力式离心式
叶轮式轴流式
旋涡式
喷射式喷射式
1.2压缩机的基本结构
其组成可以分为三个部分
基本部分：包括机身、中体、曲轴、连杆、十字头组成，其作用是传递动力。连接基础和气缸部分。
气缸部分：包括气缸、气阀、活塞、填料以及安置在气缸上的排气量调节装置等部分，其作用是形成压缩容积和组织气体泄漏。
辅助部分：包括冷凝器、缓冲器、液体分离器、滤清器、安全阀、油泵、注油器及各种管路系统，这些部件是保证压缩机正常运转。
1.3活塞压缩机的优点
1、活塞压缩机的适用压力范围广，流量大小，均能达到所需压力；
2、活塞压缩机的热效率高，单位耗电量少；
3、适应性强，即排气范围较广，且不受压力高低影响，能适应较广阔压力范围和制冷量要求；
4、活塞压缩机的可维修性强；
5、活塞压缩机对材料要求低，多用普通钢铁材料，加工较容易，造价也较低廉；
6、活塞压缩机技术上较为成熟，生产使用上积累了丰富的经验；
7 、活塞压缩机的装置系统比较简单。
1.4活塞压缩机的缺点
1、转速不高，机器大而重；
2、结构复杂，易损件多，维修量大；
3、排气不连续，造成气流脉动；
4、运转时有较大震动。
活塞式压缩机在各种场合，特别是在中小制冷范围内，成为应用最广、生产批量最大的一种机型。
1.5活塞式压缩机的工作原理
压缩过程
活塞从下止点向上运动，吸、排汽阀处于关闭状态，气体在密闭的气缸中被压缩，由于气缸容积逐渐缩小，则压力、温度逐渐升高直至气缸内气体压力与排气压力相等。压缩过程一般被看作是等熵过程。
排气过程
活塞继续向上移动，致使气缸内的气体压力大于排气压力，则排气阀开启，气缸内的气体在活塞的推动下等压排出气缸进入排气管道，直至活塞运动到上止点。此时由于排气阀弹簧力和阀片本身重力的作用，排气阀关闭排气结束。
至此，压缩机完成了一个由吸气、压缩和排气三个过程组成的工作循环。此后，活塞又向下运动，重复上述三个过程，如此周而复始地进行循环。这就是活塞式制冷压缩机的理想工作过程与原理。
第二章总体设计
2.1 设计活塞式压缩机应符合以下基本原则
（1）满足用户提出的排气量、排气压力以及有关使用条件的要求；
（2）有足够长的使用寿命（应理解为压缩机需要大修被迫停车的次数）；
（3）有良好的运转经济性；
（4）有良好的动力平衡性；
（5）维护检修方便；
（6）尽可能采用新结构；
（7）制造工艺性良好；
（8）机器尺寸小。
2.2压缩机的驱动
活塞式压缩机的驱动包括驱动机和传动装置，本设计中拟采用电动机驱动，这是综合考虑使用部门的动力装置，压缩机的功率和转速、工作条件来选定的形式。
2.3压缩机的转速和行程的确定
转速和行程的选取对机器的尺寸、质量、制造难易和成本有重大影响，并且还直接影响机器的效率寿命和动力特性。活塞式压缩机设计中在一定的参数和使
用条件下，首先应考虑选择适宜的活塞平均速度。
应为：
（1）活塞平均速度的高低，对运动几件中的摩擦和磨损具有直接的影响，对气缸内的工作过程也很有影响。
（2）活塞速度过高气阀在汽缸上难以得到足够的安装面积，所以气阀管道中的阻力损失很大，功率的消耗及排气温度将会过高，严重影响压缩机运转的经济型和使用性。
微型和小型压缩机为使结构紧凑而只能采用较小行程，虽有较高转速，但活塞平均速度却较低，只有2m/s 左右，在一定的速度下，活塞行程的选取与下列因素有关：
（1）排气量的大小；排气量大者行程应取得长些，反而则要短一些。
(2)机器结构型式：考虑到压缩机的使用和维护条件，对于立式、V 式、W 式、扇式等结构，活塞行程不宜取的过长。 （3）行程的确定
P A S =
式中 S--活塞行程
A--系数，其值在0.062--0.095之间 P--活塞力（吨）
则m S 147.0~096.0398.2)095.0~062.0(== 之间 取S=100mm 转速的确定
近代压缩机的转速n 通常在下列范围： 微型和小型 1000~3000（转/分） 中型 500~1000（转/分） 大型 250~500 （转/分） 取n=750转/分
2.4 压缩机的设计条件及要求
压缩机的热力计算是根据气体压力容积和温度之间存在一定的关系，给结合压缩机的具体特性和使用要求而进行的。其目的是要求得到最有力的热力参数（各级的吸排气温度，所消耗力）和适宜的主要结构尺寸（活塞行程、汽缸直径等）。
已知：设计条件：
VW-2.5/2-40天然气压缩机
排气体积：Vd=2.5m 3
/min 压缩介质：天然气
吸气压力：P 1=0.2MPa （绝压） 排气压力：P 2= 4 MPa 第一级进气温度：20℃ 第二级进气温度：25℃
吸入气体的相对湿度：8.01=?
第三章 热力计算
3.1结构形式与方案选择
3.1.1计算总压力比
?t= P 2/P 1=4/0.2=20
根据总压力比为20，压缩机的级数取两级比较合适，而且采用双作用汽缸，另外压缩机采用水冷方式。 3.1.2选择级数 z=2 3.1.3压力比分配
?1=?2=(?t )1/2 = (20)1/2=4.47 各级进、排气压力比列表如下 级 次 名义进气压力 （105Pa ） 名义排气压力
（105Pa ） 压力比?
Ⅰ 2 8.94 4.47 Ⅱ 8.94
40 4.47
3.2确定汽缸直径
3.2.1计算容积系数
取余隙体积指数 α1= 0.1 α2=0.12
由文献查得绝热指数为k=1.3，各级膨胀过程的等端点指数m 为
m 1=1.186 m 2=1.225
容积系数 )1(1/1--=m V εαλ
λv1=1-0.1×(4.471/1.186-1)=0.747 , λv2= 1-0.12×(4.471/1.225-1)=0.713
3.2.2确定压力系数 查化工机器可取
98
.0,97.021==p p λλ
3.2.3确定温度系数
查化工机器可取λT1=0.92，λT2
=0.92
3.2.4确定泄露系数
各级各部位相对泄露系数值
取λL1
= 0.973 λ
L2
=0.973
3.2.5确定容积效率
L
T p V V λλλλη=
625.0,65.021==V V ηη
Ⅰ Ⅱ 填料
Ⅰ 0.006 0.001 Ⅱ
0.001 0.001 气阀 Ⅰ
0.02 0.02 Ⅱ
0.02 0.02 活塞环 Ⅰ
0.06 0.06 Ⅱ
0.06 0.06 V ∑ 0.0276 0.027 )1/(11V ∑+=λ 0.973 0.973
3.2.6确定析水系数
?
λ
第一级无水析出，故0
.11=?λ。当T 1=20℃时, P sa1=2337Pa ；当T 2=25 ℃时
P sa2=3167 Pa ，则：
994
.047.431671094.823378.01025512221112=?-??-?=--=ε??λ?sa s sa s p p p p 3.2.7确定各级行程容积
3
1100513.065.07505
.2m n q V V V s =?==
η
3
5
52
12221200121.0625.02931094.8750994
.02981025.2m T np T p q V V s s V s =????????==
ηλ?
3.2.8确定各级汽缸直径，行程和实际行程容积
已知转速n=750r/min ，取行程
s=100mm,得活塞平均速度
s
m sn v m /5.2307501.030=?== 取活塞杆直径d=30mm ，得
m
d s V D s 182.0203.01.014.300513.02222
211=+??=+=π
根据汽缸直径标准，圆整为mm D 1901=，实际行程容积
3
2222110056.01.0)03.0414
.319.0214.3()42(m s d D V S =??-?=-=ππ 活塞有效面积为
222221'
1056.003.0419.0214.34
2
m d D A p =?-?=
-
=
π
π
π
同理，m
d s V D s 0903.0203.01.014.300121.02222
222=+??=+=π，根据汽缸直径标准，圆
整
为
mm
D 922=，
实际行程容积
00126.01.0)03.04
14
.3092.0214.3()42(222222=??-?=-=s d D V s ππ3
m
活塞有效面积为
22222
2'0126.003.0414
.3092.0214.34
2
m d D A p =?-?=
-
=
π
π
。
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，调整相对余隙体
积的方法，利用下式计算容积系数
'
'p
p
V
V A A λλ=
计算得新的容积系数为685.0,684.021==V V λλ 再通过下式计算新的相对余隙
111--=
m
V
ελα
得新的相对余隙13.0,12.021==αα
3.3计算活塞力
3.3.1修正各级公差压力
048.100126.000121
.000513.00056.0,1'
221'121====s s s s V V V V ββ
计算结果如下表
级次 Ⅰ Ⅱ 计算行程容积
s V ,m 3 0.00513 0.00121 实际行程容积 s V ,m 3 0.0056 0.00126 修正系数
βk
1 1.048 1+k β
1.048
名义进气压力
k p 1 (bar)
2 8.94
k k k p p 1'1β=(bar)
2 9.37
名义排气压力
k P 2(bar)
8.94 40
k k k P P 21'2+=β
(bar)
9.37 41.92
修正后名义压力比 '
1'2k k P P =ε
4.685 4.397
3.3.2修正后各级排气温度
3.3.3计算汽缸实际吸排气压力
)
1()1('
'
di di di si si si P P P P δδ+=-=
式子中P si ，P si '为i 级的名义和实际吸气压力 P di ，P di ' 为i 级的名义和实际排气压力 级次
压力比
'
ε
吸气温度
（K ） 绝热系数k ()
k
k 1'
-ε
排气温度
Td(K) Td （℃）
I
4.685 293 1.3 1.428 418
145
II
4.397
298
1.3
1.407
419
146
级次
修正的工程压力（x105） 相对压力损失%
1-δs
1+δd 实际工程压力 （x105） 实际压力比'
ε
P s P d δs δd P s ' P d ' Ⅰ 2 9.37
3.8
6 0.962 1.06 1.924 9.932 5.162 Ⅱ
9.37
41.92 2.2
4
0.978
1.04
9.164
43.6
4.758
3.3.4活塞力的计算
表 盖侧和轴侧活塞工作面积
级次
轴侧/3m
)
(4
22d D A -=
π
ω
盖侧/3m
2
4
D A c π
=
Ⅰ A w1=0.0276 A c1=0.0283
Ⅱ A w2=0.00594 A c2=0.00664
表 止点气体力计算
在压缩机实际时，假定连杆（或活塞杆）受拉伸时为正。受压时为负。
列次 内止点/kN 外止点/kN Ⅰ-Ⅰ
1'11'11c s d A p A p F -=ωω =21.97 1'
11'11ωA p A p F s c d c +-= =-22.8
Ⅱ-Ⅱ
2'22'22c s d A p A p F -=ωω =19.81 2'
22'22ωA p A p F s c d c +-= =-23.50
3.3.5计算轴功率并选配电机 各级指示功率为
]
1)
[(1)(634.11''
--=-k
k j Vj sj sj
ij k k
n V p N ελ
kW N kW N i i 48.17,02.1821==
总的指示功率为
kW N N N i i i 5.3548.1702.1821=+=+=
查过程流体机械，取机械效率90.0=m η，所以轴功率为
kW N N m
i
z 44.3990.05
.35==
=
η
取电机功率余度0.1，则电动机功率为
kW N P z 384.4344.391.11.1=?==
根据电动机标准，可选功率为45kW 的电机。
可选电动机的型号为Y280M-8。
第四章 动力计算
动力计算的目的在于计算压缩机中的作用力，确定压缩机所需要的飞轮矩以及各种形式压缩机惯性力。惯性力矩的平衡情况初步设计压缩机所需的基础
压缩机中作用力的分析，是进行压缩机零件强度和刚度计算得一局，也是判断这些力对压缩机装置影响的基础。压缩机中主要的作用力有气体力，曲柄连杆
机构运动时产生的惯性力和摩擦力。
曲柄连杆机构示意图
4.1计算第一列的惯性力
往复惯性力分为一阶往复惯性力和二阶往复惯性力。 )2c o s (c o s 2αλαω+=r m I s
由上章计算可知本压缩机最大的活塞力为23.50kN ，查表可选用的往复运动构件的质量kg m s 70=，先取连杆长度4/1=λ，曲柄旋转角速度
s rad n
/5.783075014.330
=?=
=
πω。曲柄销旋转半径mm s r 502100
2===。
往复惯性力计算表
α/°
αα2cos 25.0cos + )2cos 25.0(cos 2ααω+=r m I s
/kN 0 1.2500 26.96 10 1.2197 26.306 20 1.1312 24.397 30 0.9910 21.374 40 0.8094 17.457 50 0.5993 12.926 60 0.3749 8.086 70 0.1505 3.246 80 -0.0612 -1.32 90 -0.2500 -5.392 100 -0.4085 -8.81 110 -0.5335 -11.506 120 -0.6250 -13.48 130 -0.6862 -14.8 140 -0.7226 -15.585 150 -0.7410 -15.982 160 -0.7481 -16.135 170 -0.7498 -16.172 180 -0.7500 -16.176 190 -0.7498 -16.172 200 -0.7481 -16.135 210 -0.7410 -15.982 220 -0.7226 -15.585 230 -0.6882 -14.8 240
-0.6250
-13.48
250 -0.5335 -11.506 260 -0.4085 -8.81 270 -0.2500 -5.392 280 -0.0612 -1.32 290 0.1505 3.246 300 0.3749 8.086 310 0.5993 12.926 320 0.8094 17.457 330 0.9910 21.374 340 1.1312 24.397 350 1.2197 26.306 360 1.2500 26.96
4.2计算各列摩擦力
4.2.1往复摩擦力
取往复摩擦力为总摩擦力的65%
sn
N R m
i si 260
)11
(
65.0?-=
η
kN R s 521.01.0750260)190.01
(
02.1865.01=???-??=
kN R s 505.01.0750260
)190.01
(48.1765.02=???-??=
4.2.2旋转摩擦力
取旋转摩擦力为总旋转摩擦力的35%
sn
N R m i ri πη60
)11
(
35.0?-=
kN
R r 178.01.075014.360)190.01
(
02.1835.01=???-??=
kN
R r 173.01.075014.360
)190.01
(48.1735.01=???-??=
4.3计算第I 列气体力
4.3.1第I 级盖侧的气体力 各过程压力计算公式如下： 压缩过程：
m
i d i x s s p p )
(
00+=
膨胀过程：
si i p p = 进气过程：
m
si i x
s s s p p )(
00++=
排气过程： di
i p p =
气体力：
ci
i i A p P -=
余隙行程：
αs s =0
mm s 1210012.00=?=，活塞面积310283.0m A c =，压缩及膨胀过程的多变指数可取为186.1=m ，盖侧的气体力为负值。计算结果见下表：
第I 级盖侧的气体力计算表
曲柄转角
α/
° 活塞
位
移
/mm
)]
2cos 1(4
)cos 1[(αλ
α-+
-=r x i
膨胀过程/bar
m i d
i s x s p p )(0
0+=
进气过程
s
i
p p =
压缩过程
/bar
m
i s i s x s s p p )(0
0++= 排气过程/bar
d i p p = 气体力/kN
ci i i A p P -=
0 0
9.932
-28.1
10 0.945 9.078 -25.69 20 3.745 7.197 -20.37 30 8.26 5.337 -15.1 40 14.28 3.92 1.924 -5.44 50 21.525 1.924 -5.44 60 29.685 1.924 -5.44 70 38.415 1.924 -5.44 80 47.375 1.924 -5.44 90 56.25 1.924 -5.44 100 64.74 1.924 -5.44 110 72.62 1.924 -5.44 120 79.685 1.924 -5.44 130 85.805 1.924 -5.44 140 90.88 1.924 -5.44 150 94.86 1.924 -5.44 160 97.715 1.924 -5.44 170 99.425 1.924 -5.44 180 100 1.924 -5.44 190 99.425 1.936 -5.48 200 97.715 1.972 -5.58 210 94.86 2.034 -5.76 220 90.88 2.128 -6.02 230 85.805 2.259 -6.39 240 79.685 2.439 -6.9 250 72.62 2.683 -7.59 260 64.74 3.013 -8.53 270 56.25 3.462 -9.8 280 47.375 4.084 -11.56 290 38.415 4.958 -14.03 300 29.685 6.213 9.932 -28.1 310 21.525 9.932 -28.1 320 14.28 9.932 -28.1 330 8.26 9.932 -28.1 340 3.745 9.932 -28.1
350 0.945 9.932 -28.1 360
9.932
-28.1
4.3.2一级轴侧的气体力
活塞面积活塞面积2
0276.0m A =ω，其余参数同盖侧，轴侧气体力为正值。
计算结果见下表：
曲柄转角
α/
° 活塞位移
/mm
)}
sin 11(1
)cos 1{(22αλλ
α--++=r x i
膨胀过程/bar
m i d i s x s p p )(0
+=
进气过程
s
i p p = 压缩过程/bar
m
i s i s x s s p p )(0
0++= 排气过程/bar
d i p p = 气体力/kN
ω
A p P i i =
0 100
1.924 5.31 10 99.05 1.944
5.365 20 9
6.25 2.003 5.528 30 91.735 2.107 5.815 40 85.705
2.262 6.243 50 78.435
2.479
6.842 60 70.255 2.775
7.659 70
61.505
3.17
8.749 80 52.525
3.7 10.212 90 43.65
4.41 12.172 100
35.16
5.367 9.932
27.412
110 27.3 9.932 27.412 120 20.255 9.932 27.412 130 14.16
9.932 27.412 140 9.1
9.932 27.412 150
5.13
9.932 27.412 160 2.285
9.932 27.412 170 0.57
9.932 27.412 180 0
9.932
9.932
27.412
190 0.57 9.4
25.944 200 2.285 8.077 22.293 210 5.13 6.512
17.973 220 9.1 5.086 14.037 230 14.16 3.941 1.924 5.31 240
20.255
1.924 5.31 250 27.3 1.924 5.31 260 35.16 1.924
5.31 270 43.65 1.924 5.31 280
52.525
1.924 5.31 290 61.505
1.924
5.31 300
70.255 1.924 5.31 310 78.435 1.924 5.31 320 85.705 1.924 5.31 330 91.735 1.924
5.31
340 96.25 1.924 5.31 350 99.05 1.924 5.31 360
100
1.924
5.31
4.3.3计算第I 列综合活塞力及切向力
将同一曲柄转角α下的惯性力I 、往复摩擦力s R 、及气体力P （轴侧和盖侧）进行相加，求出综合活塞力∑P ，然后按下式计算出切向力T ：
)s i n 122s i n (s i n 2
2
α
λα
λ-+=∑a P T