Теория, расчет и конструирование винтовых компрессоров
Введение
Винтовые компрессоры относятся к классу
ротационных машин объемного принципа действия. Роль цилиндра - рабочего объема
- выполняют впадины (полости) между зубьями винтов, прикрытыми стенками
корпуса, в цилиндрические расточки которого помещены винты. Повышение давления
газа в них достигается за счет уменьшения замкнутого пространства (в конце
процесса всасывания) объема газа.
Винтовые компрессоры являются быстроходными
машинами, они не имеют всасывающих и нагнетательных клапанов.
В зависимости от подачи масла или другой
капельной жидкости компрессоры подразделяются на следующие типы:
винтовые маслонаполненные компрессоры;
винтовые компрессоры сухого сжатия;
винтовые компрессоры мокрого сжатия.
Расчет двухступенчатого винтового
компрессора
Техническим заданием (ТЗ) на проектирование ВКМ
предусматриваются (основные данные)
) Производительность, отнесенная к условиям
всасывания, Ve = 40 м3/мин;
) Сжимаемый газ - кислород ; Твс= 248 .ПаМ 0,1 =
всР ;К
) параметры нагнетания : Рн = 1,5 МПа
Компрессор устанавливается в отапливаемом
помещении. Привод - электрический. Для охлаждения ВКМ может быть использована
вода с температурой tвод≤ 23ْ С
Для обеспечения выполнения требований ТЗ
выбираем ВКМ, состоящую из двух ступеней - первой (индекс 1) и второй (индекс
2). Профиль зубьев винтов принимаем эллиптический. Корпуса машины охлаждаются
водой. Между ступенями и после 2 ступени предусматриваем холодильники. Перед 1
ступенью и после 1 и 2 ступеней устанавливаются глушители шума.
Рис. 1
Далее уточняем исходные расчетные параметры.
. Действительная производительность ВКМ Ve = 40
м3/мин.
. Параметры кислорода перед компрессором Р0 =
0,1 МПа; Т0 = 248 К. Затем выбираем значения параметров винтов:
. Число зубьев (заходов) на обеих ступенях по
схеме 4/6. Тогдаi12 = 1,5; i21 = 2/3; наружные диаметры ВЩ и ВМ винтов ступени
одинаковы.
. Относительная длина винтов λ1
= 1,35; λ2 = 1,0. Предполагая использовать винты
типоразмерного ряда, выбор других геометрических параметров винтов не
производим.
В результате предварительных прикидок,
сообразуясь с вероятной степенью сжатия в ступенях для кислорода указанных
параметров, выбираем (предварительно) следующие величины.
. Окружная скорость на внешней окружности ВЩ
винтов
= 120 ÷ 140 м/сек.
. Коэффициент подачи ηv1
= 0,95;
ηv2
= 0,92.
7. Теоретическая производительность 1 ступени,
отнесенная к условиям всасывания:
м3/мин,
Где коэффициент протечек через уплотнения валов βпр
= 1,5 % (принят с последующим обоснованием при проектировании уплотнений).
. Определяем диаметр внешней окружности
(головок) ведущего винта 1 ступени (предварительно). Согласно формуле
Так как для типоразмерного ряда винтов с
эллиптическим профилем при τ1з
≤
τ1пр
Wo = 0,118λd13, то
Ближайший размер d1типоразмерного ряда винтов
равен 160 мм.
Предварительные подсчеты показали, что для 2
ступени рационально выбрать винты, расположенные через один номер от винтов
первой ступени. Итак, окончательно выбираем винты для 1 и 2 ступеней по табл.
16
. Диаметры внешней окружности ВЩ и ВМ винтов в
мм:
=d12
=160 мм; d21 = d22 = 100 мм.
.
Диаметры начальной окружности ВЩ и ВМ винтов в мм:
н
= 102,4; d21н = 64н = 153,6; d22н = 96.
.
Межцентровое расстояние в мм:
А1
= 128; А2 = 80.
.
Длина винтов (при λ1
= 1,35 и
λ2
= 1,0) в
мм :
=
216; l2 = 100.
.
Ход нарезки ВЩ и ВМ винтов (см. табл. 3) в мм :
=
256; h21 = 120.
h12
= 384; h22 = 180.
.
Углы закрутки зуба ВЩ и ВМ винтов:
τ11з = 3030; τ21з = 300 0 .
τ12з = 202 0; τ22з = 200 0 .
.
Углы наклона винтовой линии на начальном цилиндре
β1н = 51ْ
29΄17,208˝; β2н = 59ْ 10΄11,772˝.
16.
Угол β02
.
Центральный угол половины впадины ведомого винта для винтов типоразмерного ряда
Для
приближенных вычислений
.
Угол начала заполнения впадин (начало сжатия)
19.
Предельный угол закрутки ВЩ винта 1 и 2 ступени
.
Наибольший полезный объем парной полости
=
637 см3; W20 = 113 см3
Так
как τ1з > τ1пр, то
W0<l (f1n + f2n). Потеря объема при λ = 1,0 составляет
3,5 - 4,2 % ; при λ
= 1,35 - 4,5 % , при
λ
= 1,5 - 6,5 % по
сравнению с максимальным объемом парной полости, равным l (f1n + f2n).
.
Число оборотов ВЩ винта (предварительно)
об/мин.
Таким
образом, привод 1 ступени от электродвигателя осуществим через мультипликатор.
.
Угол поворота ВЩ винта от начала сжатия до полного замыкания линии контакта по
формуле
.
Центральный угол толщины зуба ВМ винта в торцовом сечении
где
.
Оптимальное значение углов всасывания ВМ винта
.
Окончательно принимаем углы всасывания для ВЩ и ВМ винтов:
α11в= 280ْ
;α21в= 280ْ
;
α12в= 235 ;α22в= 235 ;
.
Истинное давление воздуха после 2 ступени
МПа
где
МПа
-предварительно принятая потеря давления воздуха в концевом холодильнике и
глушителе:
МПа
.
Давление нагнетания после 1 ступени принимаем равным
н
= 0,4 МПа
.
Давление в камере всасывания 1 ступени
МПа
где
МПа - потери
давления в глушителе со стороны всасывания.
.
Давление в камере всасывания 2 ступени
МПа
где
МПа -
принятые потери давления в глушителе после 1 ступени, в промежуточном
холодильнике и тракте между ступенями.
.
Расчетная степень сжатия воздуха
; .
.
Газовая постоянная кислорода:
=260
.
33.
Удельный вес всасываемого газа при внешних параметрах
кг/м3.
.
Весовая производительность ВКМ
кг/мин.
.
Действительная объемная производительность 1 ступени при параметрах p1ви Т1в
(при этом Т1в = Т0):
м3/мин,
кг/мм2.
.
Теоретическая объемная производительность 1 ступени (окончательно)
м3/мин
.
Температура воздуха на нагнетании находится по формуле(381).
В
соответствии с принятым в пункте 6 наст. расчета значениями коэффициентом
подачи по рис. 141 находим:
Следовательно,
Для
2 ступени T2в=2600 К - см. пункт 39 наст. расчета.
.
Действительная объемная производительность 1 ступени на нагнетании
м3/мин
где
кг/м3
Т1н=407
0К - см. пункт 37 наст. расчета; β2пр= 1,1 % - коэффициент
протечек через концевые уплотнения 2 ступени.
.
Действительная объемная производительность 2 ступени на всасывании
м3/мин
кг/м3
в=
260 0К - температура воздуха на всасывании 2 ступени (после промежуточного
холодильника). Она обеспечивается выбором соответствующих параметров
холодильника.
40.
Теоретическая производительность 2 ступени
м3/мин.
.
Действительная объемная производительность 2 ступени на нагнетании
м3/мин
где
кг/м3
Т2н
= 419 0К - см. пункт 37 наст расчета.
.
Окончательные число оборотов и окружная скорость ВЩ винта ступеней компрессора
(см. пункт 21 наст. расчета):
об/мин об/мин
м/сек
м/сек
Окружная
скорость ВЩ винта 1 ступени несколько превышает оптимальное значение, хотя она
примерно равна максимальному значению.
Принимая
во внимание, что для 2 ступени λ2 = 1,0 остановимся на полученном значении
u21.
43.
Внутренний адиабатный к.п.д. ступеней компрессора
.
Индикаторная мощность, потребляемая ступенями компрессора
кВт
.
Механический к.п.д. ступеней (задаемся):
.
Мощность на муфте, потребляемая ступенями компрессора:
кВт кВт
Общая
мощность двух ступеней компрессора
кВт
В
приведенном расчете (см. пункты 43 - 46) предполагалось, что режимы сжатия в
ступенях близки к основному. Это предположение должно быть оправдано при выборе
(см. пункт
48).
47.
Полная мощность, потребляемая ВКМ, включает также энергию, расходуемую на
привод вспомогательных механизмов (например, масляного и водяного насосов).
Схема
установки может быть выполнена в двух вариантах:
а)
с автономными электродвигателями и мультипликаторами;
б)
с одним электродвигателем и мультипликатором. Последний - с двумя выходными
валами, расположенными по бокам от центрального (соединенного с
электродвигателем), на котором расположено зубчатое колесо.
.
Геометрическая степень сжатия ступеней:
винтовой компрессор ступень сжатие
.
Угол сжатия
Оба
угла больше, чем угол (см. пункт
22 расчета).
.
Средняя скорость газа при входе в полости винтов (см. пункт 55)
м/сек
м/сек
51.
Площадь окна нагнетания для винтовых машин типоразмерного ряда определяются по
формуле
где
Для
1 ступени:
см2,
где
см2
см2
Для
2 ступени:
см2,
см2
см2
.
Средняя скорость воздуха в окне нагнетания
.
Количества тепла, отводимого от компрессора охлаждающей водой
ккал/кг;
ккал/мин
ккал/кг
ккал/мин
.
Расход охлаждающей воды определяется по формуле
Примем
Тогда
л/ч; л/ч;
Общий
расход охлаждающей воды на ВКМ составит Wохл=2042 л/ч.
С
учетом 25 % запасом пронимаем расход воды 2550 л/ч. Удельный расход охлаждающей
воды составит
Заключение
Приведенный
расчет основных элементов компрессора и параметров ВКМ следует рассматривать в
качестве первого этапа проектирования. Дальнейший расчет узлов ВКМ - масленого
насоса, мультипликатора, глушителей, холодильников - производится по методикам,
изложенным в соответствующей литературе. При этом необходимо обосновать
расчетом принятые выше потери давления на трактах и аппаратах (глушителях,
холодильниках), по возможности их следует уменьшать. После этих расчетов окончательно
уточняется расчет винтового компрессора, одновременно изыскиваются пути
дальнейшего повышения экономичности машины.