Теория, расчет и конструирование винтовых компрессоров

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)

1) Производительность, отнесенная к условиям всасывания, Ve = 40 м3/мин;

2) Сжимаемый газ — кислород; Твс= 248 .ПаМ 0,1 = всР ;К

3) параметры нагнетания: Рн = 1,5 МПа Компрессор устанавливается в отапливаемом помещении. Привод — электрический. Для охлаждения ВКМ может быть использована вода с температурой tвод? 23ъ 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.

1. Действительная производительность ВКМ Ve = 40 м3/мин.

2. Параметры кислорода перед компрессором Р0 = 0,1 МПа; Т0 = 248 К. Затем выбираем значения параметров винтов:

3. Число зубьев (заходов) на обеих ступенях по схеме 4/6. Тогдаi12 = 1,5; i21 = 2/3; наружные диаметры ВЩ и ВМ винтов ступени одинаковы.

4. Относительная длина винтов л1 = 1,35; л2 = 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.

5. Окружная скорость на внешней окружности ВЩ винтов

U1 = 120 ч 140 м/сек.

6. Коэффициент подачи зv1 = 0,95; зv2 = 0,92.

7. Теоретическая производительность 1 ступени, отнесенная к условиям всасывания:

м3/мин, Где коэффициент протечек через уплотнения валов впр = 1,5% (принят с последующим обоснованием при проектировании уплотнений).

8. Определяем диаметр внешней окружности (головок) ведущего винта 1 ступени (предварительно). Согласно формуле

Так как для типоразмерного ряда винтов с эллиптическим профилем при ф1з? ф1пр Wo = 0,118лd13, 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

9. Диаметры внешней окружности ВЩ и ВМ винтов в мм:

d11=d12 =160 мм; d21 = d22 = 100 мм.

10. Диаметры начальной окружности ВЩ и ВМ винтов в мм:

d11н = 102,4; d21н = 64

d12н = 153,6; d22н = 96.

11. Межцентровое расстояние в мм:

А1 = 128; А2 = 80.

12. Длина винтов (при л1 = 1,35 и л2 = 1,0) в мм :

L1 = 216; l2 = 100.

13. Ход нарезки ВЩ и ВМ винтов (см. табл. 3) в мм :

h11 = 256; h21 = 120.

h12 = 384; h22 = 180.

14. Углы закрутки зуба ВЩ и ВМ винтов:

ф11з = 3030; ф21з = 300 0 .

ф12з = 202 0; ф22з = 200 0 .

15. Углы наклона винтовой линии на начальном цилиндре в1н = 51ъ 29ґ17,208Ѕ; в2н = 59ъ 10ґ11,772Ѕ.

16. Угол в02

17. Центральный угол половины впадины ведомого винта для винтов типоразмерного ряда

Для приближенных вычислений

18. Угол начала заполнения впадин (начало сжатия)

19. Предельный угол закрутки ВЩ винта 1 и 2 ступени

20. Наибольший полезный объем парной полости

W10 = 637 см³; W20 = 113 см³

Так как ф1з > ф1пр, то W0

21. Число оборотов ВЩ винта (предварительно) об/мин.

Таким образом, привод 1 ступени от электродвигателя осуществим через мультипликатор.

22. Угол поворота ВЩ винта от начала сжатия до полного замыкания линии контакта по формуле

23. Центральный угол толщины зуба ВМ винта в торцовом сечении

24. Оптимальное значение углов всасывания ВЩ винта по формуле

где

25. Оптимальное значение углов всасывания ВМ винта

26. Окончательно принимаем углы всасывания для ВЩ и ВМ винтов:

б11в= 280ъ ;б21в= 280ъ ;

б12в= 235 ;б22в= 235 ;

27. Истинное давление воздуха после 2 ступени

МПа где МПапредварительно принятая потеря давления воздуха в концевом холодильнике и глушителе:

МПа

28. Давление нагнетания после 1 ступени принимаем равным

p1н = 0,4 МПа

29. Давление в камере всасывания 1 ступени

МПа где МПа — потери давления в глушителе со стороны всасывания.

30. Давление в камере всасывания 2 ступени МПа где МПа — принятые потери давления в глушителе после 1 ступени, в промежуточном холодильнике и тракте между ступенями.

31. Расчетная степень сжатия воздуха

; .

32. Газовая постоянная кислорода:

R =260 .

33. Удельный вес всасываемого газа при внешних параметрах кг/м3.

34. Весовая производительность ВКМ кг/мин.

35. Действительная объемная производительность 1 ступени при параметрах p1ви Т1 В (при этом Т1 В = Т0):

м3/мин, кг/мм2.

36. Теоретическая объемная производительность 1 ступени (окончательно) м3/мин

37. 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.

38. Действительная объемная производительность 1 ступени на нагнетании м3/мин где

кг/м3

Т1н=407 0К — см. пункт 37 наст. расчета; в2пр= 1,1% - коэффициент протечек через концевые уплотнения 2 ступени.

39. Действительная объемная производительность 2 ступени на всасывании м3/мин кг/м3

T2в= 260 0К — температура воздуха на всасывании 2 ступени (после промежуточного холодильника). Она обеспечивается выбором соответствующих параметров холодильника.

40. Теоретическая производительность 2 ступени м3/мин.

41. Действительная объемная производительность 2 ступени на нагнетании м3/мин где кг/м3

Т2н = 419 0К — см. пункт 37 наст расчета.

42. 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 л2 = 1,0 остановимся на полученном значении u21.

43. Внутренний адиабатный к.п.д. ступеней компрессора

44. Индикаторная мощность, потребляемая ступенями компрессора

кВт

кВт

45. Механический к.п.д. ступеней (задаемся):

46. 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.

48. Геометрическая степень сжатия ступеней:

винтовой компрессор ступень сжатие

49. Угол сжатия

Оба угла больше, чем угол (см. пункт 22 расчета).

50. 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

52. Средняя скорость воздуха в окне нагнетания

53. Количества тепла, отводимого от компрессора охлаждающей водой

ккал/кг;

ккал/мин ккал/кг

ккал/мин

54. 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.