[科普中国]-容积式压缩机

压缩机及其分类

压缩机是压缩气体以提高气体压力的机械，如气泵、压气机等，根据压缩气体的方式不同，可分为容积式压缩机和动力式压缩机。依靠压缩腔的内部容积缩小来提高气体或蒸气压力的压缩机为容积式压缩机，利用燃气透平压缩气体的压缩机为动力式压缩机。其中容积式压缩机可分为往复式压缩机和回转式压缩机，动力式压缩机可分为喷射式和透平式。具体分类如图。

容积式压缩机是指依靠改变工作腔来提高气体压力的压缩机。由于容积式压缩机大多有活塞，故又称“活塞式”压缩机。容积式压缩机按其结构的不同又有往复活塞和回转活塞之分，前者简称“往复式”，后者简称“回转式”。2

重要术语压力比

压缩机末级排气管处压力（压缩机的名义排气压力）与第一集进气管处压力（压缩机的名义吸气压力）之比，即压缩机的（名义）压力比。各级排气压力与其吸气压力之比成为级的（名义）压力比。某及压缩终了时工作腔内的压力与该级进气终了压力之比，活塞压缩机中称为该级实际压力比。回转压缩机中称为内压力比。

工作腔及相关概念

工作腔：容积式压缩机中用来压缩气体的腔室。压缩机的工作腔一般因为存在余隙容积而没有完全利用。

工作容积：工作腔中实际用来处理气体的那部分容积。

余隙容积：指排气过程结束后仍残留有高压气体的那部分空间。

排量：压缩机一转中所形成的总工作容积的大小。排量能真正反映压缩机的大小，在微型制冷、空调中广泛应用，单位为m3·cm3。

理论容积流量qVth：压缩机单位时间内形成的工作容积之和，等于每转工作容积与转速之积，单位为m3/min，m3/h，m3/s。

容积式压缩机的工作原理是依靠工作腔容积的变化来压缩气体或蒸汽，因而它具有容积可周期变化的工作腔。

特点

容积式压缩机的特点主要有以下几点：

（1）机器转速的改变对工作容积的变化规律没直接影响，故压力与流量关系不大，工作稳定性较好；

（2）气体的吸入、排出与气体性质无关，故适应性强、易达到较高压力；

（3）机器热效率高（因为泄漏少）；

（4）结构复杂，往复式的易损件较多；

（5）气体脉动大，易引起气柱、管道振动。

可靠性分析

可靠性是指压缩机能连续完成任务所规定的性能参数的能力（中间可维修或更换零部件），并用可靠度来表示。广义的可靠性包括可维修性。一个机器的可靠性包括：可靠性设计；可靠性制造；可靠性运行管理；可靠性维修。

压缩机的可靠性是由零部件的可靠性组成的。

分类

零部件的可靠性分4类：

（1）结构设计可靠性；结构、制造精度合理；

（2）强度可靠性；连杆螺栓最不安全，其次是活塞杆（为拉压交变载荷，需着色探伤）；

（3）刚度可靠性；机身、曲轴、连杆、气缸等刚度要求高；

（4）磨损可靠性。用PV来限制。磨损：高压级>低压级，高转速>低转速。气阀：阀片磨损。

活塞杆的断裂原因

压缩机中常发生带螺纹的活塞杆断裂并酿成事故。

活塞杆断裂有下列三种可能性：（1）材料或制造的缺陷；（2）螺母的预紧力未达到设计要求；（）活塞杆严重倾斜。3

往复式压缩机结构

往复式压缩机主要包括工作腔部分、传动部分、机身部分和辅助部分，具体如右图。

（1）工作腔部分包括：气缸、气阀（包括吸气阀和排气阀）、活塞；

（2）传动部分指利用曲轴连杆机构化旋转为往复直线运动的装置，包括：曲轴、连杆、十字头、活塞杆、十字头销、曲柄销；

（3）机身部分：支承（连接）气缸与传动部分的零部件；

（4）辅助部分包括：润滑、冷却、调节、安全阀、消音器、滤清器、缓冲器等。4

工作流程

当活塞从气缸盖处（外止点）开始向下运动时，气缸内的上部容积逐渐增大，压力降低，这时外界气体沿进气管冲开进气阀流入气缸中，直到活塞达到最下位置（内止点），这时进气开始关闭。在反向运动时，亦即当活塞向上运动时，则该容积缩小，其中气体被压缩，当它的压力达到预先设计好的程度（或稍大于排气管的压力），排气阀被打开，气体排入排气管中，直到活塞运动到最上位置（外止点）时，排气阀关闭。当运动机构不停的运动时，上述过程则重复进行。总之，曲轴旋转一周，活塞往复运动一次，气缸内相继实现进气，压缩，排气的过程，即完成一个工作循环，称为一级。

多级压缩

多级压缩具有以下优点：（1）存在中间冷却器，可以省功；（2）可降低排气温度Td，提高λV，降低活塞力。

多级压缩存在级数选择的问题。若级数过多，则会使结构更复杂、设备费用多，同时造成摩擦损失多、流动损失多、中间冷却装置多、动力费用多。确定技术的原则为一定的排气温度下，尽可能少级数、少重量。

提高压缩机排气量几种常用的途径

提高压缩机排气量几种常用的途径主要包括以下几种方式：

（1）尽可能减小气缸余隙容积；

（2）尽可能改善气缸的冷却状况，或者降低第1级进气温度；

（3）适当扩大气缸的内径，增大气缸的行程容积；

（4）减少压缩机外泄漏量；

（5）增加压缩机的转速，提高单位时间工作循环次数。

回转式压缩机

与压缩式压缩机相比，其优点是：（1）结构简单，易损件少，操作容易；（2）运动件的动力平衡性能好，机器转速高；（3）进、排气间歇小，压力脉动小。其缺点是：（1）运动件密封比较困难，难达到高的终了压力；（2）由于泄漏，热效率一般低于往复式压缩机。5

螺杆压缩机、单螺杆压缩机、滑片压缩机、液环压缩机、罗茨鼓风机均属于回转式压缩机。

运用最广泛的为螺杆压缩机。螺杆压缩机一般都是指双螺杆压缩机，它由一对阳、阴螺杆构成，是回转压缩机中应用最广泛的一种，在化工、制冷及空气动力工程中，它所占的比例越来越大。螺杆压缩机的容积流量范围是2~500m3/min，终了压力一般小于1.2MPa，个别场合可达4.5MPa。

螺杆压缩机分为干式和湿式两种。干式指工作腔中不喷液，压缩气体不会被感染。湿式指工作腔喷入润滑油或其他液体，借以冷却被压缩的气体，改善密封，并可润滑阴、阳转子，实现自身转动。在化工系统中，大都采用干式结构，而空气动力工程与制冷领域中常采用湿式。

螺杆压缩机中，原动机与阳螺杆相连，阳螺杆通过一对同步齿轮，带动阴螺杆按固定传动比转动。阴阳螺杆的两端都分别由滑动轴承支撑，左端有轴向止推轴承承受轴向载荷。其进气孔口开在右下方。气缸由冷却水进行冷却，在转子端面与轴承之间设有密封，防止气体沿转子轴向泄漏。如右图，为螺杆压缩机的工作过程，包括吸气、压缩、排气过程。6