第二节　空气压缩装置

一、空压机的类型

空压机种类很多,按照工作原理可分为两大类:容积型空压机与速度型空压机。

1.容积型空压机

容积型空压机靠在气缸内做往复运动的活塞,使气体容积缩小而提高压力。按照结构形式不同,容积型空压机可分为往复式和回转式。

(1)往复式:将封闭在一个密闭空间内的空气逐次压缩,使空气体积缩小,从而提高空气压力,包括活塞式和膜式。

(2)回转式:通过一个或几个部件的旋转运动来完成空气的压缩,包括螺杆式、滑片式和转子式几种。

2.速度型空压机

速度型空压机靠气体在高速旋转叶轮的作用下,获得巨大的动能,随后在扩压器中急剧降速,使气体的动能转变为压能。按照结构形式不同,速度型空压机可分为轴流式、离心式和混流式。

在水电站气系统中,活塞式空压机使用最为广泛,螺杆式、滑片式空压机也有一定应用。

二、活塞式空压机

(一)活塞式空压机的工作原理

活塞式空压机具有压力范围广、工作可靠、效率高、适应性强等特点,因而在水电站气系统中得到了广泛应用。

图3-1为活塞式空压机的工作原理图,其主要部件包括活塞、气缸、填料函、进气阀和排气阀。在图3-1(a)中,当活塞从左止点(左死点)向右移动时,气缸左腔容积增大,压力降低,外部气体在内外压差作用下,克服进气阀的弹簧力进入气缸左侧,这个过程称为吸气过程,直到活塞到达右止点(右死点)为止;当活塞从右止点向左返行时,气缸左侧内的气体压力增大,进气阀自动关闭,已被吸入的空气在气缸内被活塞压缩而压力不断升高,这个过程称为压缩过程;当活塞继续左移直至气缸内的气压增高到超过排气管中的压力时,排气阀被顶开,压缩空气被排出,这个过程称为排气过程。至此,空气压缩机完成了从吸气、压缩到排气的一个工作循环。活塞继续运动,则上述工作循环将周而复始地进行,以完成压缩空气的任务。活塞从一个止点到另一个止点所移动的距离称为行程。在上述循环中,活塞在往返两个行程中只有一次吸气、压缩和排气过程,称为单作用式(单动式)空压机。在图3-1(b)中,工作时活塞两侧交替担负吸气、压缩和排气任务,因此,在活塞往返的两个行程中,共进行两次吸气、压缩和排气过程,称为双作用式(复动式)空压机,这种空压机充分利用了气缸的容积。

(二)活塞式空压机的组成

空压机主要由气缸、活塞、连杆、配气阀、填料函和曲轴箱等部件组成。

(1)气缸:气缸为一中空的圆筒,中间放置活塞,两端为气缸盖,上面装有配气阀。气缸内壁光滑,多用铸铁制造,中压气缸常用球墨铸铁,高压气缸一般用锻钢(内装铸铁缸套)。气缸按冷却方式分为风冷式与水冷式两种,风冷式在缸壁上制有许多向外伸出的散热片,以增加散热面积,如图3-2所示。大中型空压机通常采用水冷式,在气缸和气缸盖中,铸成环形空间,构成冷却水套。

(2)活塞:单动式活塞多为杯形,而复动式活塞一般为盘式。活塞用优质铸铁制成,在活塞上装设若干用铸铁制的分油环和密封环,使活塞与气缸紧密配合,以保证良好的密封。

(3)连杆:连杆用钢制成,既传递动力,又将曲轴的回转运动变为活塞的往复运动。连杆大头内镶有挂乌金的瓦片,与曲轴轴颈铰接,可拆开加减垫片来调整气缸的余隙容积。小头装有铜套,通过活塞销与活塞铰接。

(4)配气阀:配气阀有吸气阀和排气阀,用来间歇地使吸气管或排气管与气缸连通,以达到进排气目的。配气阀是带有弹簧的自动盘形阀,依靠气体的压力和弹簧力自行启闭阀片,有环状、网状、舌簧、碟形和直流等类型。环状进气阀如图3-3所示,环的数目根据阀的大小有一片或多片,阀片的压紧弹簧有两种:一种是每一环片用一只与阀片直径相同的弹簧,即大弹簧;另一种是用多个与环片宽度相同的小圆柱形弹簧,即小弹簧。排气阀的结构与吸气阀基本相同,仅是阀座与升程限制器的位置互换而已。网状阀的阀片多为整块的工程塑料,在阀片不同半径的圆周上开许多长圆孔的气体通道,阀片上加缓冲片,以减轻阀片与升程限制器的冲击。

配气阀是空压机中重要且复杂的部件,其质量直接影响空压机的效率,因此在安装、检修和更换时,必须满足其技术要求。

配气阀的结构要求:重量轻、坚固,启闭及时,关闭严密,通道引起的余隙容积小,过流通路大,以利于迅速吸气和排气。

(5)填料函:装在穿放活塞杆的气缸盖上,以防止气体泄漏。现代空压机多采用自紧式密封装置,图3-4为中压空压机常见的平面填料函结构。填料的径向压紧力来自弹簧及泄漏气体的压力。在内径磨损后,连接处的缝隙能自动补偿。铸铁密封圈需用油进行冷却与润滑。在无油润滑空压机中,用填充聚四氟乙烯工程塑料作密封圈,常用如图3-5所示的结构,在密封圈两侧加装金属环,起导热作用及防止塑料冷流变形。

(6)曲轴箱:即机座,用铸铁铸成,空压机的所有零部件都安装在机座上,由机座来承受整个结构的重量和活塞与曲轴连杆作往复运动时产生的负荷,机座下部作润滑油容器。

(三)活塞式空压机的工作过程

1.气体基本状态参数

气体的状态一般用压力、温度和比容3个基本参数来描述,称为气体的基本状态参数。

(1)压力:单位面积上所受的力,一般用“P”表示。根据测量基准不同,分为表压力、真空度和绝对压力,它们之间的关系如图3-6所示。工程上常用的压力计量单位主要有:Pa、kgf/cm2、kgf/m2、mmHg、mH2O等。

在温度为0℃时,各单位间的关系如下:

1工程大气压=1kgf/cm2=10mH2O=735.5mmHg≈105Pa

1标准大气压=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg=1.012×105Pa

大气压力与当地的海拔高程和温度有关,如果忽略温度影响,则可按式(3-1)估算:

(2)温度:物体的受热程度,即分子的热运动强弱程度。常用摄氏温度(℃)和热力学温度(K,也称开氏温度)来计量,摄氏温度一般用“t”表示,热力学温度一般用“T”表示,其关系为T=t+273.15。

(3)比容:单位重量气体所占的容积,一般用“v”表示,常用单位为m3/N,比容为重度γ的倒数,即v=1/γ。

2.理想气体的状态方程

气体在某状态下,压力、温度和比容之间的关系称为气体状态方程。

理想气体是指气体分子间没有吸引力、分子本身不占有容积的气体。虽然实际上不存在理想气体,但对于大多数气体,在压力不太高和温度不太低的情况下,均可按理想气体来处理。

理想气体的状态方程式为

气体常数R是指1N气体,在一定压力下,温度升高1K时所作膨胀功的数值,它与气体的物理性质有关,但对于每一种气体而言,R为一定值,与压力和温度均无关。对于干燥空气,在标准状态下,即温度为0℃、压力为一个标准大气压时,R=29.27J/(N·K)。

3.空压机的理论工作过程

为了便于研究空压机的工作过程,先假定:气缸没有余隙容积,并且密封良好,配气阀开、关及时;气体在吸气和排气过程中状态不变;气体被压缩时按不变的指数进行。符合上述条件的空压机工作过程称为理论工作过程,它由吸气、压缩和排气三个过程组成。

(1)吸气过程:在吸气过程中,空气保持吸入前的状态。

(2)压缩过程:在压缩过程中,根据空气与气缸壁换热情况不同,可分为等温过程、绝热过程和多变过程。

1)等温过程:发生在被压缩气体与外界有很自由的热量交换情况下。此时,气体在压缩过程中产生的热量全部传到气缸外面,故气体温度保持不变,其方程为

2)绝热过程:发生在被压缩气体与外界没有热量交换的情况下。此时,气缸不传热,活塞运动无摩擦,其方程为

3)多变过程:发生在被压缩气体与外界有热量交换的情况下,有时吸热,有时放热,是一种普遍多样性的过程,其方程为

(3)排气过程:在排气过程中,气体状态保持压缩终了时的状态。

根据压缩过程中散热情况不同,空压机理论工作过程可分为等温循环、绝热循环和多变循环。其中,等温循环功耗最少,最为有利,但是要求对空压机进行非常好的冷却;绝热循环功耗最大,最为不利,它一般发生在压缩进行得很快使气体热量来不及向周围散发的情况下;多变循环的功耗介于等温循环和绝热循环之间,为实际空压机一般循环方式。

4.空压机的实际工作过程

空压机的实际工作过程与理论工作过程是有差别的,这是因为:气缸中存在余隙容积,故排气时有剩余压缩空气未被排出,它在吸气时会重新膨胀,使实际吸入的气体量减少;在压缩与排气过程有漏气现象;吸气时,外界气体要克服吸气阀的弹簧力才能进入气缸,排气时,压缩空气也要克服排气阀的弹簧力才能排出,因此,吸气过程中气缸内部压力低于大气压力,排气过程中气缸内部压力高于排气管压力,使实际吸气量和排气量均比理论过程要小;压缩空气时,气缸要发热,使吸入空气的温度升高,体积增大;空气中含有水分,吸气时水蒸气也进入气缸,经压缩并冷却后,大部分凝结成水排除掉。所有这些因素均使空压机实际排气量比理论值小,其比值称为排气系数λ,用于表征上述因素的影响情况,它是判定空压机质量的第一参数,其值在0.60～0.90之间。

(四)活塞式空压机的压缩极限和多级压缩

1.压缩极限

对于实际空压机,由于余隙容积的存在,当压缩比ε(排气压力P2比吸气压力P1)增大到某个极限时,存留在余隙容积中的空气将在气缸中作压缩—膨胀—压缩的循环,空压机将没有吸气和排气过程。同时,温度也使压缩比受到限制,考虑到空压机润滑油的分解温度和闪点,空压机气缸中的气体温度一般不能高于160～180℃。综合上述影响,空压机在单级压缩时,其压缩比ε一般不超过5。当ε>5时,需采用多级压缩方式。

2.多级压缩

单级压缩由于压缩比受到限制,压力不可能太高,为了获得较高压力,可采用多级压缩方式,即将几级气缸串联起来工作,使空气受到连续的多次压缩,也就是空气经前一级气缸压缩后排出的压缩空气又进入下一级气缸进一步压缩,这种空压机有二级、三级直至多级气缸的连续压缩,称为二级、三级或多级空压机。如图3-7所示为二级空压机的工作原理图。

空气经一级压缩后,排气温度很高,故在多级空压机中,一级排气必须经过中间冷却器冷却后才能进入下一级气缸,以减少下一级压缩所需的功耗。根据冷却器的冷却介质不同,有风冷式和水冷式两种,风冷式冷却效果较差,一般只用于小型空压机。

多级空压机根据气缸中心线排列,可分为立式(Z型)、卧式(P型)、角式(V型、W型、L型)等布置型式,其中,角式空压机结构紧凑,动力平衡性较好,应用广泛。移动式空压机均为角式结构,多为V型和W型,排气量多在12m3/min以下;固定式空压机普遍采用角式结构;立式和卧式已基本被淘汰。图3-8为L型空压机结构图,一级和二级气缸为双作用水冷式铸铁气缸,由缸体和缸盖组成,带有冷却水套,气阀配置在缸盖上。

在多级压缩中,为使功耗最小,应使各级的压缩比相同,并满足如下关系:

即Z级压缩时,每级的压缩比等于总压缩比ε的Z次方根。

多级压缩节省了压缩功,降低了排气温度,减小了余隙容积的影响,且随着级数的增加,压缩功将进一步减小,排气温度进一步降低,余隙容积的影响进一步减小。但是级数增加会导致结构复杂和制造费用增大,所以多级空压机的级数一般不超过5～6级。

(五)空压机的选型参数

(1)排气量:单位时间内空压机最后一级排出的气体容积,换算到第一级吸气状态(压力、温度、湿度)下的数值,即单位时间内通过空压机的自由空气体积,单位为m3/min,其大小取决于第一级压缩气缸的尺寸和排气系数,表征空压机生产率的高低。

制造厂标定的排气量是空压机在1个标准大气压、温度为0℃时工作的排气量,当空压机在其他状况下工作时,实际排气量会有所变化,一般略去温度的影响,仅根据海拔变化进行修正。因此,在空压机选型时,要将空压机计算的实际排气量按式(3-7)修正后,再参照产品目录选择空压机排气量:

(2)排气压力:从空压机最终排出的气体压力,即空压机的额定压力,单位为MPa。排气压力不仅与空压机本身的结构有关,而且与排气系统中的气体压力有关。在空压机启动时,为减小启动功率,一般将卸荷阀打开,此时排气管接通大气,排气压力(表压力)为0。当排气管连通储气罐时,排气压力与储气罐的压力相当。当排气系统的压力高于额定压力值时,如空压机继续工作,会出现超负荷状态,为防止空压机因超负荷而损坏,需在空压机排气管或附属设备上装设安全阀,以起到保护作用。

另外,还有转速(r/min)、功率(kW)和效率(%)等参数。活塞式空压机的效率较低,一般仅40%～70%,而且排气压力越高,效率越低。

在选择空压机时,主要根据用气设备所要求的排气量和排气压力,在产品目录中选择空压机型号。

(六)空压机的附属设备

空压机的附属设备主要有空气过滤器、储气罐、油水分离器、冷却器等。

1.空气过滤器

空气过滤器简称滤清器,其作用是过滤空气,防止空气中的灰尘和杂质进入空气压缩机。当空气中含有的尘埃和杂质进入空压机气缸后,会在高温作用下,与润滑油混合而逐渐碳化,在活塞、气缸壁和进出气阀上形成积碳,使气阀关闭不严、活塞环失去弹性,减少排气量,降低空压机效率,增加活塞和气缸的磨损,缩短部件寿命,从而影响空压机的正常工作。因此,空压机上均装有滤清器,以过滤空气中含有的尘埃和杂质。

滤清器一般有干式和油浴式两种形式。干式滤清器常用的过滤材料主要有纤维织物和金属滤网两种,过滤器直接装在吸气管上。图3-9为金属滤网滤清器,其滤芯由多层波纹状铁丝做成筒形,表面涂一层黏性油,当空气通过时,灰尘和杂质黏附在滤网上。当滤网附着物过多时,可拆下金属滤网,清洗后重新上油,装回后即可继续使用。油浴式滤清器由滤芯和油池组成,进入滤清器中的气体经气流折返,较大颗粒的灰尘落入油池,较小颗粒的灰尘由滤芯阻隔。油浴式滤清器常用于大容量空压机或空压站的集中过滤。

2.储气罐

储气罐的作用有:作为压力调节器,缓和活塞式空压机由于断续压缩而产生的压力波动;作为气能储存器,当用气设备耗气量小于空压机供气量时积蓄气能,而当耗气量大于供气量时放出气能,以协调空压机生产率与用户用气量的关系;由于压缩空气进入储气罐后温度逐渐降低,并且运动方向也在改变,从而将空气中的水分和油分加以分离和汇集,并由罐底排污阀定期排污;可通过储气罐上装设的压力信号器来控制空压机开启和关闭。

一般中、小型活塞式空压机均随机附有储气罐,但其容积较小,在电站一般需另设储气罐。储气罐是非标准容器,用碳素钢板焊接而成,其结构如图3-10所示。储气罐需装设置压力表(或压力信号器)、安全阀和排污阀等。

3.气水分离器(又称油水分离器)

空压机气缸中排出的压缩气体,由于温度较高,含有一定数量的水蒸气和油分子。气水分离器的功能是分离压缩空气中的水分和油分,使压缩空气得到初步净化,以减小对管道和用气设备的污染与腐蚀。

气水分离器有多种结构型式,其作用原理都是使进入的压缩空气气流速度(方向和大小)发生改变,并依靠气流的惯性,分离出密度较大的水滴和油滴。图3-11是隔板式(使气流产生撞击并折回)和迴旋式(使气流产生离心旋转)气水分离器的剖面图。分离器底部装设的截止阀(手动操作)或电磁阀(自动操作)是作为排污兼作空压机启动卸荷之用。

4.冷却器

空压机的冷却包括气缸冷却、级间冷却和机后冷却。气缸冷却可以保持气缸壁面上不会析出冷凝水而破坏润滑,级间冷却用以减小压缩功耗,机后冷却用以降低空压机最终的排气温度。级间冷却和机后冷却一般采用冷却器方式。

移动式空压机都采用风冷式,固定式空压机当排气量小于10m3/min或压力小于3～5MPa时,多采用风冷式冷却器,即把冷却器做成蛇管或散热器式,并用轴流式风扇垂直于管子的方向吹风冷却;当排气量较大或压力较高时,多采用水冷式冷却器,主要有套管式、蛇管式和管壳式等,冷却后的气体与进口冷却水的温差一般在5～10℃,为避免水垢的产生,冷却后的水温应不超过40℃。图3-12所示为蛇管式冷却器,压缩空气流经蛇管时,被管外的冷却水冷却。冷却器中心部分的结构是为了排除气流中的水滴,冷却器在运行中应定期打开底部的排污阀排污。

冷却系统的配置可以串联、并联或混联。图3-13为两级压缩机的串联冷却系统,冷却水先进入中间冷却器后再进入气缸的水套。

三、螺杆式空压机

螺杆式空压机是通过工作容积的逐渐减少对气体进行压缩的。

1.螺杆式空压机的结构

螺杆式空压机的结构如图3-14所示,其结构主要包括同步齿轮、气缸、阳转子、阴转子、轴密封、轴承等部件。机壳内置两个转子:阳螺杆和阴螺杆,两者齿数不等,以一定的传动比相互啮合运行。小型螺杆式空压机的缸体做成整体式,较大型的则制成水平剖分面结构,吸气口通常开在机体下方,排气口开在上方。

螺杆式空压机有喷油式和干式两种:喷油式一般由阳转子直接驱动阴转子,结构简单,喷油道有利于密封和冷却气体;干式要保证啮合过程中不接触,因而在转子的一端设置同步齿轮,主动转子通过同步齿轮带动从动转子。

2.螺杆式空压机的工作原理

(1)吸气过程:螺杆式空压机无进气阀与排气阀,进气靠调节阀调节。当转子转动时,主副转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时,其空间最大,此时转子的齿沟空间与进气口自由空气相通。因在排气时齿沟内的空气被全部排出,排气结束时齿沟处于真空状态,当转到进气口时,外界空气被吸入,沿轴向流入主副转子的齿沟内。当空气充满整个齿沟时,转子进气侧端面转离机壳进气口,完成吸气过程。

(2)封闭及输送过程:在吸气结束后,主副转子齿峰与机壳封闭,齿沟内空气被封闭。两转子继续转动,齿峰与齿沟在吸气端啮合,啮合面逐渐向排气端移动。

(3)压缩及喷油过程:在输送过程中,啮合面与排气口间的齿沟空间渐渐减小,齿沟内空气逐渐被压缩,压力提高。同时,润滑油因压力差而喷入压缩室内与空气混合。

(4)排气过程:当转子的啮合端面转到机壳排气口时,空气压力最高,空气开始排出,直至齿峰与齿沟的啮合面即将移过排气端面时,两转子啮合面与机壳排气口的齿沟空间为0,完成排气过程。与此同时,转子啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度达到最长,又开始进行吸气过程。

3.螺杆式空压机的特点

螺杆式空压机结构较简单,体积小,重量轻,易损件少;可靠性高,动力平衡性好,效率高,能强制输气;排气量不受排气压力影响,压缩比不受转速和空气密度影响;但运行时会产生很强的高频噪声,转子加工精度要求高,加工设备复杂,价格贵。近年来由于转子型线的不断改进,性能不断提高,排气压力一般小于4.5MPa,最高可达9.0MPa,排气量通常在200m3/min以下,应用日益广泛。

四、滑片式空压机

1.滑片式空压机的结构

滑片式空压机主要由气缸、转子及滑片三部分组成,如图3-15所示。转子偏心配置在气缸内,在转子上开有若干径向槽,槽内放置可沿径向滑动的滑片,滑片用金属(铸铁、钢)或非金属(酚醛树脂夹布压板、石墨、聚乙醛亚胺等)制作。由于偏心,转子与缸壁之间形成一个月牙形空间,当转子旋转时滑片受离心力的作用甩出,紧贴在缸壁上,把月牙形空间分隔成若干扇形单元容积。转子旋转一周,单元容积从吸气口转向排气口,容积由最小逐渐变大,再由最大逐渐变小。当单元容积与吸气口相通时,空气经过滤器由吸气口进入单元容积,单元容积由最小变为最大;转子继续旋转,单元容积再由最大逐渐变小,空气被压缩。当单元容积转至排气口时,压缩过程结束,排气开始。排气终止后,单元容积达到最小值,随着转子旋转,单元容积又开始剩气膨胀、吸气、压缩、排气过程,周而复始不断循环。

滑片式压缩机有喷油型与无油型两类:喷油型采用酚醛树脂纤维层压板或合金铸铁滑片,气缸中喷油润滑(兼作冷却和密封),可减少摩擦,降低温度,增大压缩比,但需增加一套油循环系统(油泵、滤油器、油冷却器、油气分离器等);无油型滑片采用石墨和有机合成材料等自润滑材料,可使气体不含油,但压缩比不能过高。

2.滑片式空压机的特点

滑片式空压机结构简单,体积小,重量轻,噪声小;操作、维修和保养方便,运行平稳,可靠性高,可长时间连续运行,容积效率高;但滑片机械磨损较大,滑片寿命取决于材质、加工精度及运行条件。主要用于小容量或移动式空压机,压力一般在1.0MPa以下,排气量通常不超过20m3/min。