能源与动力工程学院
轮机工程系
船舶辅机
Marine Auxiliary Machinery
电子教案
赵在理
第一篇
船用泵和空气压
缩机
第六章
活塞式压缩机
泵
6 活塞式空气压缩机
? 用于：
? 主机起动、换向；发电柴油机起动
? 为其它需要压缩空气的设备和气动工具供气
? 在检修工作中用来吹洗零部件、滤器等
? 空压机的排气量
? 是指其在单位时间内所排送的相当于第一级吸气状态的空气体积。
单位是 m3／ s,m3／ min或 m3／ h
? 公称排气量是指在额定排气压力时的排气量
? 分类：
? 有低压 (0.2～ 1.0 MPa),中压 (1～ 10 )和高压 (10～ 100)
? 为微型 (小于 1 m3／ min),小型、中型和大型
? 工作压力为 3MPa左右，低压场所由减压阀供气
? 有一台柴油机驱动的微型应急空压机。
?第一节
?活塞式空压机的工作原理
6-1-1 活塞式空压机理论工作循环
? 假定：
? (1)气缸没有余隙容积
? (2)吸、排气过程没有压力损
失和压力脉动
? (3)吸气过程气体与缸壁无热
交换
? (4)工作过程无气体漏泄
? (5)被压缩的是理想气体，压
缩过程状态方程指数不变
? 以缸内 P为纵坐标，以缸内
容积 V为横坐标，理论工作
循环如图所示。
6-1-1 活塞式空压机理论工作循环
? 吸气过程 -活塞从上向下
? 气缸内压力始终与吸入管
中压力 Ps相等
? 最大吸气容积是气缸工作
容积 Vp,曲线 6-1
? 压缩过程 -活塞回行
? K1关闭，气体被压缩
? 当 P升高到 Pd时,K2开启，
曲线 1— 2
? 排出过程 -活塞继续上行
? K2开启，气体排出
? 缸内 P不变，直到上止点
? 曲线 2— 3
6-1-1 活塞式空压机理论工作循环
? 绝热过程 (adiabatic compression
? 过程线 1— 2按气体与缸壁不存在
任何热交换的作出
? 等温过程 (isothermal
compression)
? 冷却良好，缸内气体 T不变，
? 压缩线如 l— 2”所示
? 多变压缩过程
? 实际压缩在等温和绝热之间
? 过程线 1— 2‘
? 过程线 4123所包围的面积，代
表每一循环耗功
? 可见，等温过程，压缩机耗功
最省。
6-1-2 影响实际循环的因素
? (1)余隙容积的影响
? 防活塞与缸盖碰撞，活塞
到上止点时有余隙
? 气阀通道也有一定容积
? 余隙容积是活塞在上止点
时缸内残留气体的全部容
积，用 Vc表示
? 活塞回行时，气体膨胀
? 当缸内压力降至低于吸入
管压力 Ps一定值时 (流动
阻力 )，气体顶开 K1进入
缸内
? 曲线 3‘一 4’
6-1-2 容积系数
? 是按气体进口状态计算的，如图中 ?V,所示。
? 余隙容积 Vc使压缩机排气量减少的程度可用容积
系数 λv来衡量：
? 相对余隙容积 Vc／ Vp一般为：
? 低压级为 0.07～ 0.12
? 中压级为 0.09～ 0.14
? 高压级为 0.11～ 0.16
p
p
p
v V
VV
V
V '' ?????
表 6-1 空压机气缸余隙的一般范围
?使用中，余隙有可能增大而使 λv降低。检
修时应该用压铅法检查余隙大小，不符合
说明书要求时必须对症修理
气缸直径／ mm 余隙／ mm
55~90 0.40～ 0.55
90~120 0.50～ 0.65
120~150 0.60～ 0.75
150~200 0.70一 1.0
6-1-2 进排气阻力的影响
?在吸气过程中
? 由于流动阻力，缸内
P要比 Ps低。
? 吸入行程终了，缸内
压力为 P1’
? 活塞回行一段距离后，
缸内 P才能升到 Ps，
减少了 ΔV”
?压力系数 λp
? 表示吸气过程的压力
损失使排气量减少的
程度 '
"'
'
"
V
VV
V
V
v
?????
6-1-2 进排气阻力的影响
? 第一级 λ p =0.95 ～
0.98
? 第二级 λ p=0.98～ 1.0。
?在排出行程中
? 缸内 P也要比 Pd略高
?由于吸、排气阻力的
影响，耗功将增加 (阴
影部分 )，而排气量则
减少。
6-1-2 吸气预热的影响
? 气体被压缩后温度升高，使气阀、缸盖、缸壁和
活塞的温度都升高
? 在吸气过程中，气体被热的机件加热，吸入终了
时其温度比在吸气管中升高，比容也增大，如折
算到进口状态，每转排气体积又要损失一部分，
称为预热损失
? 预热损失使压缩机排气量减少的程度可用温度系
数 λt来衡量
? λt随压力比的增高而降低，
? 一般 λt=0.90— 0.95
6-1-2 漏泄的影响
?由于气阀、活塞环等密封不严而造成泄漏，
使排气量进一步损失
?漏泄使压缩机排气量减少的程度可用气密
系数 λl来衡量，一般 λl=0.90— 0.98。
?此外，在压缩过程和余隙容积气体的膨胀
过程中，由于气体温度不断变化，与缸壁
热量交换的多少及热量的流向也在不断变
化，其过程指数是不断改变的
?在理论研究时为方便计算起见，都以恒定
的多变过程指数来代替。
6-1-2 排气量和输气系数
? 理论排气量就是第一级的活塞行程容积
? 对单作用气缸的压缩机来说
? 式中：
? D— 第一级的气缸直径,m； S— 第一级的活塞行程,m；
? n— 第一级的压缩机转速,r／ min； Z — 第一级气缸的数目。
? 实际 Q小于 Vc。 比值 Q／ Vc称为输气系数 (λ),即
Q=Vt λ= Vt λv λp λt λl
? λ一般在 0.65— 0.80
? 压力比 Pd/Ps增加，则 λ明显降低
? 余隙容积和漏泄引起的流量损失增加
? 气缸 T升高，预热损失增加。
2 4 0
2 S n zDV
t ??
6-1-2 压缩机功率
? 通过示功器在运转的压
缩机上可测出示功图
? 图中实际循环所包围的
面积即表示每一循环所
耗指示功
? 指示功率 -按示功图计算
得到的功率，用 Pi表示
? 等温理论功率 (用 PT表示 )
? 绝热理论功率 (用 Ps表示 )
6-1-2 压缩机效率
? 指示效率反映了实际气体由吸、排气阻力及气体
摩擦、旋涡等造成的总能量损失的大小
? 等温指示效率还反映冷却达不到理想的等温压缩
而附加的能量损失，它比绝热指示效率更低
? 运动部件要要消耗功率，轴功率大于指示功率，
二者之比称为机械效率，用 ηm表示
ηm = Pi/P
? 压缩机总效率为理论功率与轴功率之比
? 等温总效率 (用 ηT表示 ) ηiT = ηiT ηm
? 绝热总效率 (用 ηs表示 ) ηis = ηis ηm
iTiT pP /?? isis pP /??
6-1-3 多级压缩
?排出压力较高时采用多级压缩，并有级间冷
却器。
? 图示为二级空压机流程示意
6-1-3 二级压缩理论工作循环
? 采用单级压缩
? 当吸入压力为 Ps,排出压力为 Pd时
? 理论工作循环如 padfp所示。
? 采用二级压缩机
? 低压理论循环如 oabno所示
? 高压理论循环如 cefmc所示
6-1-3 用多级压缩和级间冷却原因
? (1)降低排气温度
? 单级压缩在压力比比较大时，压缩终点 d的气体 T太高
? 缸内 T太高会降低滑油粘度，使润滑和密封性能下降
? 使滑油分解
? 在缸内及气阀上形成结碳，加剧磨损 (在 180— 210℃ 尤为严重 )
? 当温度超过滑油闪点时，甚至会有爆炸危险
? 因此，国内一般规定：
? 固定式压缩机排气温度不超过 160℃
? 移动式压缩机不超过 180℃
? 二级压缩由于经过中间冷却，其压缩终点 e的温度比单级压缩
终点 d的温度要低得多。
6-1-3 用多级压缩和级间冷却原因
? (2)提高输气系数
? 单级压缩时,λ随压
力比增加而迅速下降
? 余隙容积等因素影响
使气缸有效吸气容积
减少
? 二级压缩时有效吸气
容积由 pa增长至 oa。
? (3)节省压缩功
? 二级每工作循环理论
上所节省压缩功为面
积 cbdec与 opmno之
差。
6-1-3 用多级压缩和级间冷却原因
? (4)减轻活塞上的作用力
? 单级压缩
? 一次达到要求的 Pd,活塞受力大，运动部件笨重，轴承负荷
大，维修也不方便
? 多级压缩
? 只有尺寸较小的高压级承受高压
? 但级数增加使构造复杂，体积和重量增加。而且管路、中间冷
却器和气阀总阻力会增加，机械效率也会降低，因而实际效益
要比理论小
? 如果级间冷却不良，则降低排气 T和减少压缩功的效果变差
? 每级的最佳压力比应选择使该级等温指示效率最高为宜
? 压力比一般应在 2～ 4范围内
? 如 P在 3MPa,一般为二级压缩
思考题
? 1.什么叫空压机的输气系数?它主要受哪些因素影
响?
? 2，活塞式空压机需要冷却的有哪些方面?各起何
作用?
? 3．活塞式空气压缩机余隙容积的作用是什么?
? 4．空气压缩机采用多级压缩中间冷却有何意义?
? 5．空气压缩机的多级压缩对压缩过程有何影响?
6-1-3 用多级压缩和级间冷却原因
?各级压力比的分配主要依据省功原则
? 各级压力比相等时各级耗功也相等，总耗功最
省
? 实际上，一般后级压力比选得比前级小
? 因为后级比前级冷却效果差，同时后级吸气温度因
中间冷却不充分而比前级高，若采用同样压力比，
后级的耗功会较大，总耗功不会最省，排气温度也
会更高
? 此外，后级的相对余隙容积较大，采用与前级同样
的压力比其容积损失也会较大。
轮机工程系
船舶辅机
Marine Auxiliary Machinery
电子教案
赵在理
第一篇
船用泵和空气压
缩机
第六章
活塞式压缩机
泵
6 活塞式空气压缩机
? 用于：
? 主机起动、换向；发电柴油机起动
? 为其它需要压缩空气的设备和气动工具供气
? 在检修工作中用来吹洗零部件、滤器等
? 空压机的排气量
? 是指其在单位时间内所排送的相当于第一级吸气状态的空气体积。
单位是 m3／ s,m3／ min或 m3／ h
? 公称排气量是指在额定排气压力时的排气量
? 分类：
? 有低压 (0.2～ 1.0 MPa),中压 (1～ 10 )和高压 (10～ 100)
? 为微型 (小于 1 m3／ min),小型、中型和大型
? 工作压力为 3MPa左右，低压场所由减压阀供气
? 有一台柴油机驱动的微型应急空压机。
?第一节
?活塞式空压机的工作原理
6-1-1 活塞式空压机理论工作循环
? 假定：
? (1)气缸没有余隙容积
? (2)吸、排气过程没有压力损
失和压力脉动
? (3)吸气过程气体与缸壁无热
交换
? (4)工作过程无气体漏泄
? (5)被压缩的是理想气体，压
缩过程状态方程指数不变
? 以缸内 P为纵坐标，以缸内
容积 V为横坐标，理论工作
循环如图所示。
6-1-1 活塞式空压机理论工作循环
? 吸气过程 -活塞从上向下
? 气缸内压力始终与吸入管
中压力 Ps相等
? 最大吸气容积是气缸工作
容积 Vp,曲线 6-1
? 压缩过程 -活塞回行
? K1关闭，气体被压缩
? 当 P升高到 Pd时,K2开启，
曲线 1— 2
? 排出过程 -活塞继续上行
? K2开启，气体排出
? 缸内 P不变，直到上止点
? 曲线 2— 3
6-1-1 活塞式空压机理论工作循环
? 绝热过程 (adiabatic compression
? 过程线 1— 2按气体与缸壁不存在
任何热交换的作出
? 等温过程 (isothermal
compression)
? 冷却良好，缸内气体 T不变，
? 压缩线如 l— 2”所示
? 多变压缩过程
? 实际压缩在等温和绝热之间
? 过程线 1— 2‘
? 过程线 4123所包围的面积，代
表每一循环耗功
? 可见，等温过程，压缩机耗功
最省。
6-1-2 影响实际循环的因素
? (1)余隙容积的影响
? 防活塞与缸盖碰撞，活塞
到上止点时有余隙
? 气阀通道也有一定容积
? 余隙容积是活塞在上止点
时缸内残留气体的全部容
积，用 Vc表示
? 活塞回行时，气体膨胀
? 当缸内压力降至低于吸入
管压力 Ps一定值时 (流动
阻力 )，气体顶开 K1进入
缸内
? 曲线 3‘一 4’
6-1-2 容积系数
? 是按气体进口状态计算的，如图中 ?V,所示。
? 余隙容积 Vc使压缩机排气量减少的程度可用容积
系数 λv来衡量：
? 相对余隙容积 Vc／ Vp一般为：
? 低压级为 0.07～ 0.12
? 中压级为 0.09～ 0.14
? 高压级为 0.11～ 0.16
p
p
p
v V
VV
V
V '' ?????
表 6-1 空压机气缸余隙的一般范围
?使用中，余隙有可能增大而使 λv降低。检
修时应该用压铅法检查余隙大小，不符合
说明书要求时必须对症修理
气缸直径／ mm 余隙／ mm
55~90 0.40～ 0.55
90~120 0.50～ 0.65
120~150 0.60～ 0.75
150~200 0.70一 1.0
6-1-2 进排气阻力的影响
?在吸气过程中
? 由于流动阻力，缸内
P要比 Ps低。
? 吸入行程终了，缸内
压力为 P1’
? 活塞回行一段距离后，
缸内 P才能升到 Ps，
减少了 ΔV”
?压力系数 λp
? 表示吸气过程的压力
损失使排气量减少的
程度 '
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"
V
VV
V
V
v
?????
6-1-2 进排气阻力的影响
? 第一级 λ p =0.95 ～
0.98
? 第二级 λ p=0.98～ 1.0。
?在排出行程中
? 缸内 P也要比 Pd略高
?由于吸、排气阻力的
影响，耗功将增加 (阴
影部分 )，而排气量则
减少。
6-1-2 吸气预热的影响
? 气体被压缩后温度升高，使气阀、缸盖、缸壁和
活塞的温度都升高
? 在吸气过程中，气体被热的机件加热，吸入终了
时其温度比在吸气管中升高，比容也增大，如折
算到进口状态，每转排气体积又要损失一部分，
称为预热损失
? 预热损失使压缩机排气量减少的程度可用温度系
数 λt来衡量
? λt随压力比的增高而降低，
? 一般 λt=0.90— 0.95
6-1-2 漏泄的影响
?由于气阀、活塞环等密封不严而造成泄漏，
使排气量进一步损失
?漏泄使压缩机排气量减少的程度可用气密
系数 λl来衡量，一般 λl=0.90— 0.98。
?此外，在压缩过程和余隙容积气体的膨胀
过程中，由于气体温度不断变化，与缸壁
热量交换的多少及热量的流向也在不断变
化，其过程指数是不断改变的
?在理论研究时为方便计算起见，都以恒定
的多变过程指数来代替。
6-1-2 排气量和输气系数
? 理论排气量就是第一级的活塞行程容积
? 对单作用气缸的压缩机来说
? 式中：
? D— 第一级的气缸直径,m； S— 第一级的活塞行程,m；
? n— 第一级的压缩机转速,r／ min； Z — 第一级气缸的数目。
? 实际 Q小于 Vc。 比值 Q／ Vc称为输气系数 (λ),即
Q=Vt λ= Vt λv λp λt λl
? λ一般在 0.65— 0.80
? 压力比 Pd/Ps增加，则 λ明显降低
? 余隙容积和漏泄引起的流量损失增加
? 气缸 T升高，预热损失增加。
2 4 0
2 S n zDV
t ??
6-1-2 压缩机功率
? 通过示功器在运转的压
缩机上可测出示功图
? 图中实际循环所包围的
面积即表示每一循环所
耗指示功
? 指示功率 -按示功图计算
得到的功率，用 Pi表示
? 等温理论功率 (用 PT表示 )
? 绝热理论功率 (用 Ps表示 )
6-1-2 压缩机效率
? 指示效率反映了实际气体由吸、排气阻力及气体
摩擦、旋涡等造成的总能量损失的大小
? 等温指示效率还反映冷却达不到理想的等温压缩
而附加的能量损失，它比绝热指示效率更低
? 运动部件要要消耗功率，轴功率大于指示功率，
二者之比称为机械效率，用 ηm表示
ηm = Pi/P
? 压缩机总效率为理论功率与轴功率之比
? 等温总效率 (用 ηT表示 ) ηiT = ηiT ηm
? 绝热总效率 (用 ηs表示 ) ηis = ηis ηm
iTiT pP /?? isis pP /??
6-1-3 多级压缩
?排出压力较高时采用多级压缩，并有级间冷
却器。
? 图示为二级空压机流程示意
6-1-3 二级压缩理论工作循环
? 采用单级压缩
? 当吸入压力为 Ps,排出压力为 Pd时
? 理论工作循环如 padfp所示。
? 采用二级压缩机
? 低压理论循环如 oabno所示
? 高压理论循环如 cefmc所示
6-1-3 用多级压缩和级间冷却原因
? (1)降低排气温度
? 单级压缩在压力比比较大时，压缩终点 d的气体 T太高
? 缸内 T太高会降低滑油粘度，使润滑和密封性能下降
? 使滑油分解
? 在缸内及气阀上形成结碳，加剧磨损 (在 180— 210℃ 尤为严重 )
? 当温度超过滑油闪点时，甚至会有爆炸危险
? 因此，国内一般规定：
? 固定式压缩机排气温度不超过 160℃
? 移动式压缩机不超过 180℃
? 二级压缩由于经过中间冷却，其压缩终点 e的温度比单级压缩
终点 d的温度要低得多。
6-1-3 用多级压缩和级间冷却原因
? (2)提高输气系数
? 单级压缩时,λ随压
力比增加而迅速下降
? 余隙容积等因素影响
使气缸有效吸气容积
减少
? 二级压缩时有效吸气
容积由 pa增长至 oa。
? (3)节省压缩功
? 二级每工作循环理论
上所节省压缩功为面
积 cbdec与 opmno之
差。
6-1-3 用多级压缩和级间冷却原因
? (4)减轻活塞上的作用力
? 单级压缩
? 一次达到要求的 Pd,活塞受力大，运动部件笨重，轴承负荷
大，维修也不方便
? 多级压缩
? 只有尺寸较小的高压级承受高压
? 但级数增加使构造复杂，体积和重量增加。而且管路、中间冷
却器和气阀总阻力会增加，机械效率也会降低，因而实际效益
要比理论小
? 如果级间冷却不良，则降低排气 T和减少压缩功的效果变差
? 每级的最佳压力比应选择使该级等温指示效率最高为宜
? 压力比一般应在 2～ 4范围内
? 如 P在 3MPa,一般为二级压缩
思考题
? 1.什么叫空压机的输气系数?它主要受哪些因素影
响?
? 2，活塞式空压机需要冷却的有哪些方面?各起何
作用?
? 3．活塞式空气压缩机余隙容积的作用是什么?
? 4．空气压缩机采用多级压缩中间冷却有何意义?
? 5．空气压缩机的多级压缩对压缩过程有何影响?
6-1-3 用多级压缩和级间冷却原因
?各级压力比的分配主要依据省功原则
? 各级压力比相等时各级耗功也相等，总耗功最
省
? 实际上，一般后级压力比选得比前级小
? 因为后级比前级冷却效果差，同时后级吸气温度因
中间冷却不充分而比前级高，若采用同样压力比，
后级的耗功会较大，总耗功不会最省，排气温度也
会更高
? 此外，后级的相对余隙容积较大，采用与前级同样
的压力比其容积损失也会较大。
