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过程流体机械教学课件,一、绪论(2学时)(高秀峰)二、容积式压缩机(24学时)(高秀峰)三、动力式压缩机(20学时)(李云)四、泵(6学时)(李云)五、离心机(4学时)(李云),授课56学时，实验5个,高秀峰 交通大学 化工楼417房间电话：邮箱：,2013春季,四、往复压缩机气阀和密封(4h),4.1 气阀组件(2h)气阀组成及工作过程(15min)气阀结构型式分类(5min)气阀特性参数及选择(2010min)气阀工作特性评估(25min)气阀结构和示例(15min)4.2 工作腔滑动密封(2h)密封的原理和方式(15min)活塞部位的密封(25min)活塞杆部位的密封(20min)密封元件的材料(10min)非金属填充密封材料特性(10min)非金属填充密封材料我国新成就(10min),4.1 气阀组件-1,1、组成及工作过程 气阀的重要性 气阀是往复压缩机中最关键的部件，它对压缩机运行的可靠性与经济性有着决定性的影响 气阀是限制压缩机提高转速的主要障碍，而影响结构紧凑性 往复压缩机的生存发展有赖于气阀好坏，是压缩机薄弱环节 对气阀的要求 工作可靠并且具有一定耐久性 对气流产生的阻力损失比较小 良好密封性，关闭状态不漏气 形成的余隙容积要求尽可能小 噪声小(阀片撞击、气体爆破),4.1 气阀组件-2,气阀基本组成 阀座承载、形成气流通道 启闭元件控制气体的进出 升程限制器限制阀片升程 弹簧关闭时推动阀片及时回落，开启时抑制阀片的撞击,气阀结构及工作原理1-阀座2-阀片3-升限器4-弹簧,4.1 气阀组件-3,气阀工作过程 弹簧力正常阀片及时开启和关闭 开启-反弹-贴紧-回落 时间截面-阀片运动规律曲线 阀片质量大会使开启过程慢，但对损失影响不大 最关心是阀片与升程限制器的撞击速度和敲击声 弹簧力过强产生阀片颤振 导致气阀时间截面减小，阻力损失增加 阀片反复撞击导致气阀和弹簧寿命缩短 产生超过正常工作时的撞击噪声 弹簧力过弱产生滞后关闭 因活塞已开始进入压缩行程，故使一部分吸人的气体又从进气阀回窜出去，造成排气量减少 阀片将在弹簧力和窜出气流推力的共同作用下撞向阀座，造成更严重的敲击，致使阀片应力增加，阀片和阀座的磨损加剧，气阀提前损坏 强烈的敲击还会产生更大的噪声,气阀工作过程,2、气阀特性参数及选择 流量系数 气体流经气阀的压力损失：流量系数气阀有效通流面积与几何通流面积之比 阀隙面积AV是气阀中流通面积最小的部位，是产生阻力损失的主要部位，通常取阀隙面积AV作为整个气阀的计算截面 若在阀座出口处倒0.30.5mm宽与轴成30角，流量系数会显著提高，但减少了密封面积，使与阀片接触面比压增加 直流阀阀片本身几乎不妨碍气体流通，气流转折小，流量系数较环状和网状阀便高许多,4.1 气阀组件-4,环状阀和网状阀流量系数,推力系数 作用到阀片上的气体推力，折合到阀片盖住阀座通道那部分单位面积上的力Fg/As，与气阀两侧压力差p之比，称为推力系数，用 表示 一般气阀的推力系数为=0.850.95 推力系数也可根据稳定 气流吹风实验测得,4.1 气阀组件-5,气流推力作用图,4.1 气阀组件-6,阀隙平均马赫数与压力损失 阀隙处气体平均流速与当地音速a之比 气体流经气阀的平均相对压力损失 气阀的瞬时马赫数和压力损失是变化的 这是认为气阀为瞬间启闭，工作过程全开 实际阀片启闭需要一定时间，因而实际损失约大于上图515%(在理论吸排气损失以外),相对压力损失与马赫数及曲轴转角的关系,4.1 气阀组件-7,气阀平均马赫数的选取：就减小阻力损失而言，马赫数以小为宜，但这往往受到气阀安装尺寸与升程的限制 一般双原子气体可按表选取；对于制冷工质，推荐氟利昂0.250.40、氨0.150.25 其他非双原子气体，以相对压力损失相等为前提，可将表中马赫数乘以SQRT(1.4/k)对于经济性要求不高的机器，马赫数可取至表中数值的2.5倍，目的是实现机器结构紧凑 通常进排气阀尺寸相同，即阀隙速度相等，故排气马赫数低于进气马赫数，有利减小排气压力损失,建议根据压力选取的马赫数(双原子气体),4.1 气阀组件-8,比弹力(后节)气阀全开时作用在阀片上的弹簧力与气体最大推力之比称为比弹力，用表示 查图选取：推荐低压级或高转速机器取上限值，高压级或低转速机器取下限值,进、排气阀比弹力选用,进气阀,排气阀,4.1 气阀组件-9,气阀升程 对环状和网状阀，从流通面积考虑，升程h应小于阀座环形通道宽度b的一半，超过没有意义，无助于增加整个气阀的实质通流面积 制约升程的第二个因素是阀片对升程限制器撞击速度，这决定了撞击接触力，除非采取一些缓冲措施(如使用软金属制作升程限制器、用气垫阀等)撞击速度是影响接触力的最关键因素，对阀片还应考虑局部接触和倾侧运动，减小升程能有效限制阀片的倾侧运动 环状阀和网状阀升程可查图选取升程，更多是根据经验，一般取2h/b=0.30.85,环状和网状阀升程选取,4.1 气阀组件-10,3、气阀工作特性评估 戴维斯(H.Davise)准则 1为假定无气体推力，阀片仅在弹簧力作用下从全开位置降落到阀座上对应的曲柄转角 2是阀片开始脱离升程限制器，直到活塞到达止点所持续的时间所对应的曲柄转角 3是阀片开启到达升程限制器直至活塞到达止点这一段时间所对应的曲柄转角 统计规律表明，当2/12，2/30.7时，气阀寿命都较长；但不符合也不一定差,阀片运动特征转角,4.1 气阀组件-11,3、气阀工作特性评估 工作过程数学模拟 容积变化方程 阀片运动方程 气体流动方程,4.1 气阀组件-12,气阀弹簧 气阀弹簧是压缩机中关键的关键，决定着压缩机的可靠性及性能，虽然它是最小、最不值钱的零件 对弹簧刚性的要求是刚开启时弹簧力要小，以利开启，并减小关闭时阀片对阀座撞击；全开时要有一定值，以控制阀片对升程限制器撞击，并保证阀片及时关闭 所谓弹簧力气阀完全开启状态弹簧作用在阀片上的力 弹簧的自振频率要高，以避免共振，一般希望大于压缩机转速的310倍，提高的有效措施是减小弹簧中径Dm 常用弹簧有三大类：圆柱螺旋弹簧、圆锥弹簧、板弹簧,不同刚性系数时相同升程量的弹簧力变化情况,目前常用的气阀弹簧形式,4.1 气阀组件-13,直流阀,回流阀,各种启闭元件a)环状b)网状c)条状d)槽状 e)碟状f)菌状g、h、i、j)舌簧阀,4、气阀结构型式分类 按启闭元件形状分类：环状、网状 按气阀职能分类：进气阀、排气阀 按气流与启闭元件方向分：直流、回流,进、排气阀区别(环状、网状),4.1 气阀组件-14,5、气阀结构和示例 环状阀(宽通道、窄通道)网状阀 碟阀和菌阀 条状阀 直流阀 舌簧阀,环状阀结构示意图,气垫阀,4.1 气阀组件-15,宽通道低压环状阀,窄通道开式环状气阀,4.1 气阀组件-16,CW与CW2型塑料阀片环状阀(贺尔碧格),塑料阀片环状阀(贺尔碧格),4.1 气阀组件-17,非金属阀片的网状阀结构,网状阀片结构,4.1 气阀组件-18,开式气阀,闭式气阀,碟状阀和菌状阀,阀组结构,高压闭式环状气垫阀,4.1 气阀组件-19,网状低压组合,20MPa组合阀,超高压组合阀结构,4.1 气阀组件-20,簧片阀结构形状,微型制冷压缩机舍簧组合阀,圆形直流阀,4.1 气阀组件-21,小型高压吸气阀（25MPa）,小型高压组合阀（25MPa）,塔形环状阀,第六次课要点回顾(10min),描述气阀的基本组成及其作用？阐述气阀弹簧过软或过硬导致的现象及危害？阀隙马赫数反映了气阀的什么特性？其选取应注意什么？简述气阀评价的戴维斯准则？对气阀弹簧的要求主要是什么？,4.2 工作腔滑动密封-1,压缩机中需要密封的部位活塞与气缸环形间隙活塞杆与缸座孔环形间隙压缩机中对密封装置要求良好的密封性耐久性能够接受的制造成本,1、密封的原理和方式 流体通过间隙的泄漏量 间隙值的影响特别大，成三次方关系 环形间隙不均匀甚至偏在一边时，泄 漏量要增大至22.5倍 泄漏量与压差、直径成正比，与长度成反比 泄漏量与流体粘性系数成反比：氢气(100时)1.0310-5 空气(100时)2.1910-5 压缩机油(100时)(12002400)10-5 常将高粘性润滑油注入间隙，依靠油的阻塞作用，借以减少气体的泄漏 回转压缩机甚至不这样做(工作腔喷油)就无法正常工作，不向工作腔喷油会因运动件啮合间隙泄漏太大而效率非常低,4.2 工作腔滑动密封-2,环形间隙泄漏示意图,4.2 工作腔滑动密封-3,密封的基本方式阻塞、节流 阻塞密封 密封元件靠气体力压向气缸或活塞杆，理论上可做到完全无泄漏 密封元件以所密封的全部压力差压向气缸或活塞杆，故极易磨损 只适用于活塞平均速度低于2m/s的情况 现在已很少单独使用,阻塞密封示意图(气缸与活塞间隙),阻塞密封示意图(活塞杆间隙),4.2 工作腔滑动密封-4,节流密封 经过每个小室的泄漏量与其中压力、其前后压比同向变动 气体经各小室多级膨胀，减小每个小室前后压差降低泄漏 后面各小室的压力逐渐降低，容积流量增大，故压降增大 整个装置的气体泄漏量取决于最后一个小室流出量的多少 气体最大流速为音速，故存在最大泄漏量，满足临界压比,迷宫密封原理图,4.2 工作腔滑动密封-5,迷宫结构形式与泄漏量关系,迷宫形状对泄漏影响较小，间隙值对泄漏量影响较明显 一定长度上，小室大而少比小室小而多的结构泄漏严重 迷宫密封泄漏量比较大，因而迷宫压缩机的热效率较低,4.2 工作腔滑动密封-6,2.活塞部位的密封,活塞环密封示意图,活塞环密封 工作方式 节流为主(环的开口，反复节流)，阻塞为辅(环与气缸的圆柱贴合面)靠外缘面工作，工作时环端面压紧于活塞环槽下端平面上 气缸和活塞环因圆柱度问题、环切口泄漏，故要使用多道环才能满足密封要求(反复节流),4.2 工作腔滑动密封-7,厄外斯实验 第一道环承担的压差最大，以后各环承担的压差逐渐减小，转速越高第一环承受的压差越大 第一道以后各环达到最大压力的角度迟后，存在“充满容积时间问题”，转速越高滞后越明显 前三道活塞环承担了70以上的绝大部分压差，就密封而言三道环便可，后面的均为替补 转速越高，达到同样密封效果所需的环数量越少，当150rpm时为使泄漏量减少1/4，需将活塞环数由两道增至五道，而450rpm时，为了减少同样泄漏量，只需加至三道即可,厄外斯实验 n=200rpm n=400rpm,4.2 工作腔滑动密封-8,活塞环失效 第一道磨损后径向减薄，开口及泄漏增大至由第二道承担最大压差时，第一环便告失效 实际压缩机中环数选择主要根据维修周期决定，虽然仅从密封角度看只需要三道活塞环 应尽量提高环的耐磨性以减少道数，而不是增加数量改善密封，因为这样会降低机械效率，造成机器尺寸重量增加 活塞与气缸接触比压 活塞环工作时靠气体力压紧气缸镜面，不是活塞环本身很小的初弹力，但初弹力不可少 活塞环上的气体力远大于环本身初弹力，是磨损的主要原因 一般根据所需密封的活塞两侧压差根据经验选定环的数量：1.2MPa，23道 1.23MPa，36道 312MPa，612道 1235MPa，1224道,活塞环结构 整体环(缸径较大)、剖分环(缸径小)直切口(好加工但泄漏大)、斜切口(泄漏好于直切口，但容易崩裂)、搭切口(密封性好，但容易磨损，不好加工)特殊断面环能改善密封和润滑效果 两环或多环置于一环槽内，切口错开，密封效果非常好，五组(三环叠放，内加衬环)便可密封172MPa压力(下页图)，但结构制造复杂，故应用不多,4.2 工作腔滑动密封-9,活塞环结构和切口型式,4.2 工作腔滑动密封-10,活塞环结构 T形环的密封效果也比较好，但要使用组合活塞结构(原理)活塞环厚度要保证环槽端面比压，高度要保证剪切强度和刚度；高度也不可太大，以免对环槽产生冲击 活塞环的布油效果要注意，油膜承载能力与高度平方成正比 鼓形活塞环适应性好，但因接触比压较大而易于磨损,活塞环截面形状及其安装a 矩形b 外缘有倾角c 鼓形d 组合结构e T形f T形环安装,4.2 工作腔滑动密封-11,迷宫密封(反复节流)有些气体的纯净度要求较高(如食品医药)有些气体不能与油接触(比如氧气压缩机)金属迷宫槽制造困难，应用氟塑料件较好 迷宫压缩机泄漏严重，机器热效率比较低,迷宫密封的活塞结构a)在金属活塞上加工小室 b)在氟塑料圈上加工小室,4.2 工作腔滑动密封-12,3、活塞杆部位的密封 填料 早期的他紧式填料磨损需人为上紧已不用 现在均为自紧式填料密封平面、锥面 阻塞为主，节流为辅，靠填料内缘面工作 平面填料三六瓣结构，应用非常广泛 锥面填料适于高压、结构复杂、少用,三六瓣平面填料,平面填料的其他结构,锥面填料结构,4.2 工作腔滑动密封-13,填料函 低压：数量少、简单、不冷却、寿命较长 高压：数量多、复杂、需冷却、磨损较快 冷却：在填料盒体或中空活塞杆中通液体 润滑：专门注油、活塞杆带油、彻底无油,动力用空压机填料函,有前置填料的填料函,4.2 工作腔滑动密封-14,填料函,无油润滑并具有水冷却的填函结构,4.2 工作腔滑动密封-15,4、密封元件材料活塞环&填料 金属(有油润滑)灰铸铁具有良好的耐磨性，价廉，用于低中压，还可通过表面磷化、硫化、涂铬、镀钼、蒸气处理等手段增强其耐磨性 球墨铸铁耐磨性大大好于灰铁，做中高压 合金铸铁硬度好，韧性和耐磨性好，适于中高压 石墨化钢具有最佳的耐磨性，适于中高压 铜合金质软，忍让性好，耐磨耐腐，适于中高压 填充非金属(无油或少油)石墨产生石墨灰和石墨膏，多数情况下已经不再单独使用，现多做为填充剂 填充聚四氟乙烯(PTFE)无油、少油情况下，应用极为广泛(多种填充方法)环氧树脂适用于非常干燥的气体(-75以下露点，在此之上用PTFE更合适)酚醛树脂适用于有油、油质差，或带凝析水的场合(避免切割剥离，需绕制)聚酰胺及聚酰亚胺(尼龙)有油、少油，摩擦较大 非金属密封材料的冷流问题要注意 复合材料 多孔铜丝或铜珠模压烧结后真空浸渍聚四氟乙烯兼具导热、强度、自润滑等优越性能 复合层压材料制造麻烦，现在应用不多,4.2 工作腔滑动密封-16,5、非金属填充密封材料的特性 不同填充物质有不同的作用 青铜粉、石墨提高硬度、导热率、改善耐磨性 玻璃纤维提高强度和改善耐磨性 MoS2、金属氧化物提高硬度、耐磨性、导热率 碳素纤维类似玻璃纤维，但好于玻璃纤维 铝粉改善导热率,玻纤含量对磨损因子的影响,青铜含量对磨损因子的影响,磨损因子材料在单位压力、单位速度，单位时间内的磨损量(填充物含量的影响)含铜达50%后工艺上有困难，因此一般不超过60%玻璃纤维含量超过5%以后只对强度有好处，对磨损因子的影响就很小了,4.2 工作腔滑动密封-17,在空气中好的填充剂，在氮气中就不一定好，反之亦然在空气中，不同填充剂的影响较小，它的磨损因子值比较集中，而在氮气中则不然，不同的填充剂磨损因子差别很大气体中含有一定水分对减少磨损有利，通常随含水量增加，磨损因子降低，但当含水量减少至7ppm以下时，除氧气外，磨损因子都增加氦气中磨损因子与氮气类似对二氧化碳和F-12、F-13、F-22，不宜填充铜粉和金属氧化物在烃类成分中的磨损因子情况又有所不同,不同性质、数量的填充剂在空气、氮、氧中的磨损因子与湿度的关系,不同性质、数量填充剂在碳氢气体中的磨损因子,气体组分和湿度对磨损因子的影响,4.2 工作腔滑动密封-18,其他因素对填充非金属密封材料磨损的影响填充PTFE材料以粉末冶金形式烧结而成，烧结工艺对性能有很大影响磨损因子还随压力和温度的增加而增加，但填充碳和石墨时比较稳定配磨材料的成分对磨损因子也有影响，碳钢最小，铝合金最大(表面阳极氧化除外)表面粗糙度和表面硬度对磨损因子也有较大的影响：实际是在金属材料表面形成一层转移膜，借以隔开相对运动的摩擦副，而起到减小摩擦磨损的作用；金属表面如果太光，则难以形成非金属转移膜非金属密封，持续运行较断续运行的工作寿命要长,4.2 工作腔滑动密封-19,常用非金属填充密封材料充填PTFE改善性能石墨、二硫化钼、铜粉、氧化铝粉玻璃纤维、碳素纤维、各种晶须、纳米碳共混POB+15%PTFE+其他PEEK+15%PTFE+其他,4.2 工作腔滑动密封-20,与填充PTFE配磨材料的相对磨损量硬度的影响(HRC50较合适)光洁度(约0.3m较合适),表面粗糙度对磨损量的影响,表面硬度对磨损量影响,4.2 工作腔滑动密封-21,6、非金属填充密封材料我国新成就,我国企业的一些新成就,冲击强度提高135%断裂伸长率提高146%热变形温度提高176%拉伸强度提高112%磨损量下降了10倍,超细纤维与玻璃纤维形貌图,超细纤维填充聚四氟乙烯性能的提高,玻纤,超纤,4.2 工作腔滑动密封-22,未改性碳纤维填充PTFE冲击断面的SEM(500倍)(碳纤维表面很光滑，与PTFE黏结性非常弱),改性碳纤维填充PTFE冲击断面的SEM(1000倍)(碳纤维表面有明显的PTFE粘结痕迹，提高了耐磨性能),我国企业的一些新成就,未改性碳纤维表面很光滑,改性碳纤维表面有PTFE粘结,4.2 工作腔滑动密封-23,我国企业的一些新成就,玻纤填充PTFE(玻纤易断裂造成严重的磨粒磨损，内部多孔洞，结构粗糙，有较大的磨损率)(500倍),超细纤维填充PTFE(500倍)(材料均匀致密，有利于转移膜的形成，磨损率特别低),超纤,玻璃纤维,4.2 工作腔滑动密封-24,我国企业的一些新成就,超细纤维与碳纤维和玻璃纤维混杂协同填充PTFE，形成尺寸互补、功能互补，极大提高了材料的耐磨性(1000倍),左图中碳纤维和玻纤填充不到的贫纤区由超细纤维显微增强后的放大图(5000倍),超纤填充了原贫纤区,碳纤维和玻纤填充不到的贫纤区有了超纤,4.2 工作腔滑动密封-25,我国企业的一些新成就,纯PTFE对摩面转移膜(粗糙，易脱落，磨损率大)(400倍),超细纤维填充PTFE的对摩面转移膜(细腻致密与对磨面粘结牢固，磨损率大幅度下降)(400倍),E N DThanks for your attention!高秀峰,