Теория, расчет и конструирование винтовых компрессоров

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.