Материал: Поршневой компрессор. Пояснительная записка

5. Определение температуры нагнетания

Принимая, что сжатие воздуха происходит по адиабате ( ), находим температуру нагнетания [2, уравнение (2.14)]:

Т_н=Т_всε^(k-1)/k

Расчет сведен в таблице 1.4.

Таблица 1.4 ‒ Данные к определению температуры нагнетания:

Допустимой является температура нагнетания до 440 К.

6. Определение мощности привода компрессора

Определяем индикаторную мощность ступени компрессора, используя упрощенную схематизированную диаграмму [см. рис. 3.6 и уравнение (3.40)]:

N_инд.ст=p₁V_hΘ (ε_ц^(n-1)/n-1),

где Θ ‒ коэффициент, учитывающий возвращение энергии в процессе обратного расширения:

Θ =1-а_м(ε_ц^1/n-1);

Θ_І =1-0,1·(2,9^1/1,4 -1)=0,889;

Θ_II =1-0,1·(2,78^1/1,4 -1)=0,892;

Тогда индикаторные мощности по ступеням:

N_индІ=0,096 0,033 0,889· ·(1,36^(1,4-1)/1,4-1)·10⁶ = 3,54 кВт,

N_индІІ=0,313 0,011 0,892· ·(1,34^(1,4-1)/1,4-1)·10⁶ = 3,65 кВт.

Индикаторная мощность компрессора равна сумме индикаторных мощностей ступеней:

N_{инд.к .}=N_индІ+ N_индІІ

N_инд.к. = 3,54 + 3,65 = 7,19 кВт.

Задаемся значением механического КПД[2, § 3.15]:

ή_мех=0,85.

Эффективную мощность (мощность на валу компрессора) определяем по N_инд.ки ή_мех[2, уравнение (3.52)]:

N_e=N_инд.к/ή_мех

N_e=7,19/0,85 = 8,46 кВт.

Используя значение N_e,подбираем электродвигатель.

Выбираем электродвигатель 4А160М8У3. Его технические характеристики приведены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 – Технические характеристики электродвигателя:

Рис 1.2 –Электродвигатель 4А160М8У3

2. Проектирование поршневого компрессора

   1. Определение толщины стенок цилиндра

При давлении до 6 МПа толщину стенки цилиндра можно определить исходя из представления цилиндра как тонкостенного сосуда [3, стр. 140]:

где р – наибольшее давление в цилиндре, МПа;

D – внутренний диаметр цилиндра, м;

– допускаемое напряжение при растяжении, МПа, ;

– дополнительная толщина стенки, м, .

Для І ступени:

Принимаем .

Для ІІ ступени:

Принимаем .

2. Определение размеров основных элементов поршня и поршневых колец. Выбор поршневых колец.

Общая высота поршня [3, стр. 287]:

H=(0,6...1,65)·D_п;

Для I ступени: H_I = 1 145 = 145 мм;

Для II ступени: H_II =1,41 85 = 120 мм.

Толщина днища поршня [3, стр. 288]:

δ_I=(0,1...0,2)·D_п;

Для I ступени: δ_I = 0,11 145 = 16 мм;

Для II ступени: δ_II = 0,11 85 = 9 мм.

Толщина юбки поршня S₁= S₂=8 мм, т.к. D_п не превышает 300 мм.

Расстояние от днища поршня до 1-ого поршневого кольца:

е =10...15 мм.

Принимаем е =10 мм.

Высота поршневого кольца [3, с. 683]:

Для I ступени: h=4 мм;

Для II ступени: h=3 мм.

Высота перемычки b₁ между канавками:

b₁≥h

Для I ступени: b₁=5 мм;

Для II ступени: b₁=4 мм.

Расстояние от днища поршня до оси поршневого пальца:

h₁= (0,6...0,8)·H;

Для I ступени: h₁= 0,6 145= 87 мм;

Для II ступени: h₁= 0,725 120= 87 мм.

Внутренний диаметр канавки в чугунном поршне под поршневые кольца:

Для I ступени: ;

Для II ступени: ,

где t– ширина поршневого кольца;

Для I ступени: t=5;

Для II ступени: t=3,2.

Диаметр бобышки:

d_б=(1,3...1,4) d_п,

где d_п – диаметр пальца (расчет представлен ниже).

Для I ступени: d_б=1,4 36=50 мм;

Для II ступени: d_б=1,4 26=36 мм.

Количество поршневых колец (компрессионных) определяется в зависимости от разности давлений нагнетания и всасывания [3, с. 335]:

∆Р=Р_нІ-Р_всІ;

Для I ступени: ∆Р= -0,1=0,213 МПа;

∆Р=Р_нІІ-Р_всІІ;

Для II ступени: ∆Р= - =0,557 МПа

если ∆Р < 0,7 мПа – Z=2 компрессионных кольца. В результате имеем: одно маслосъёмное кольцо, два компрессионных для обеих ступеней.

Определяем монтажный зазор между поршнем и цилиндром в холодном состоянии ∆М [3, стр. 289]:

∆М=(0,003...0,008)·D_п;

Для I ступени: ∆М=0,007 =1 мм;

Для II ступени: ∆М=0,007 0,6 мм;

в нагретом ∆Р:

∆Р=(0,002...0,003)·D_п;

Для I ступени: ∆P=0,003 =0,44 мм;

Для II ступени: ∆P=0,003 0,26 мм.

Рисунок 2.1- Поршень в разрезе

Будем использовать цилиндрический поршневой палец, зафиксированный в поршне при помощи упорных колец, и бронзовые втулки, вставляемые в бобышки поршня.

Диаметр поршневого пальца:

d_п= (0,25...0,3) D_п;

Для І ступени: d_п= 0,25 145 = 36 мм;

Для II ступени: d_п= 0,3 85 = 26 мм.

Внутренний диаметр пальца:

d_вн=(0,65...0,75) d_п;

Для І ступени: d_вн= 0,7 36 = 25 мм;

Для II ступени: d_вн= 0,7 26 = 18 мм.

Длина пальца:

L_п=(0,78...0,88) D_п;

Для І ступени: L_п= 0,87 145 = 126 мм;

Для II ступени: L_п= 0,85 85 = 74 мм.

Рисунок 2.2- Поршневой палец в разрезе

Выбор поршневых колец:

Для І ступени:

2 кольца У145˟4 ГОСТ 9515-81;

1 кольцо У145˟4 ГОСТ 9515-81.

Для ІІ ступени:

2 кольца У85˟3 ГОСТ 9515-81;

1 кольцо У85˟3 ГОСТ 9515-81.

3. Определение основных размеров шатуна и шатунных болтов

Расстояние между осями шатуна [3, стр. 416]:

где R – радиус кривошипа (половина хода поршня);

λ_R=1/4...1/5, в нашем случае 1/4.

Для І и II ступеней:

Диаметр наружный головки шатуна [3, стр. 425]:

d_г =(1,5...1,7)·d_п;

Для І ступени: d_г = 1,7 36 = 58 мм;

Для II ступени: d_г = 1,7 26 = 44 мм.

Длина поршневой головки для закреплённого пальца:

L_м=(0,28...0,32)·D_п;

Для І ступени: L_м= 0,31 145 = 45 мм;

Для II ступени: L_м= 0,31 85 = 26 мм.

Закреплённый палец устанавливается в головку шатуна при помощи стяжного болта.

Минимальная толщина стенки головки:

h_г > 0,3·d_п;

Для І ступени: h_г > 0,3 36 = 10,8 мм;

Для II ступени: h_г > 0,3 26 = 7,8 мм.

Толщина запрессованной втулки:

S_п > 0,09·d_п;

Для І ступени: S_п > 0,09 36 = 3,2 мм;

Для II ступени: S_п > 0,09 26 = 2,3 мм.

Ширина минимальная стержня шатуна [3, стр. 427]:

h_{ш min}= (0,5...0,6)·d_г;

Для І ступени: h_{ш min}= 0,6 58 = 35 мм;

Для II ступени: h_{ш min}= 0,6 44 = 26 мм.

Ширина максимальная стержня шатуна:

h_{ш max}=(1,2...1,4)·h_{ш min};

Для І ступени: h_{ш max}= 1,4 35 = 49 мм;

Для II ступени: h_{ш max}= 1,4 26 = 36 мм.

Размер полок двутавровых сечений:

b_ш=(0,55…0,8) L_м;

Для І ступени: b_ш= 0,6 45 = 27 мм;

Для ІI ступени: b_ш= 0,7 26 = 18 мм.

Диаметр шатунной шейки:

d_ш.ш 0,68·D_п;

Для I ступени: d_ш.ш 0,68 145=98,6 мм;

Для II ступени: d_ш.ш 0,68 85=57,8 мм.

Примем усредненное значение d_ш.ш=80 мм.

Диаметр коренной шейки принимаем исходя из рекомендаций [2, с.398].

Длина кривошипной головки:

L_к.г.=(0,45...0,95)·d_ш.ш.;

Для І и II ступеней: L_к.г = 0,62 80 = 50 мм.

Высота стягиваемой шатунными болтами части обоймы:

Для обоймы шатуна [3, стр. 430]:

h₁= (0,55...0,65)·d_ш.ш= 0,65 80 = 50 мм.

Для крышки головки шатуна:

h₂= (0,5...0,65)·d_ш.ш= 0,54 80 = 43 мм.

Диаметр шатунного болта:

d_ш.б=(0,18...0,25)·d_ш.ш= 0,2 80 = 16 мм.

Расстояние между шатунными болтами:

С_б=(1,2...1,3)·d_ш.ш= 1,3∙80 = 104 мм.

Рисунок 2.3 ‒ Шатун

4. Выбор клапанов по пропускной способности. Подбор пружин клапанов

Задаемся допустимыми относительными потерями мощности в клапанах ∆N_кл /N_ном, где ∆N_кл – суммарные потери мощности в нагнетательном и всасывающем клапанах; N_ном – номинальная индикаторная мощность ступени [2, стр. 173].

Рассчитываем всасывающие клапана

∆N_кл /N_ном выбираем в зависимости от значения давления всасывания:

∆N_кл /N_ном = 11,2 – для I и II ступени.

По выбранному допустимому значению находим соответствующие значения критерия скорости F из рисунка 2.4.1.

Рисунок 2.4.1 – Суммарная потеря мощности во всасывающих

и нагнетательных клапанах ступеней в зависимости от F

Из графика: F = 0,22 - для I и II ступени.

Скорость звука при условиях в клапане:

а_зв = , (2.4.1)

где R – газовая постоянная воздуха, равная R = 287,2 Дж/(кг*К):

а_зв = = 349 м/с – для I ступени;

а_зв = = 354,8 м/с – для II ступени.

Рассчитываем допустимую угловую скорость газа в клапане по формуле:

w_ф = F·а_зв, (2.4.2)

w_ф = 0,22·349 = 76,78 м/с – для I ступени;

w_ф = 0,22·354,8 = 78,06 м/с– для II ступени.

Определяем необходимое значение площади клапанов:

Ф = , (2.4.3)

где – площадь поршня; – средняя скорость поршня; число клапанов; = 1 выбираем для I ступени, = 1 выбираем для II ступени:

Ф = = 8,6 см² – для I ступени;

Ф = = 2,9 см² – для II ступени.

Аналогично рассчитываем нагнетательные клапана для I и II ступени. Все расчеты сводим в таблицу 2.4.1.

Таблица 2.4.1 – Расчет эквивалентной площади клапана