Проектирование поршневого компрессора на нормализованной базе - Курсовая работа

Использование этой тяги совместно с потребляемой тягой, определяемой аэродинамическим сопротивлением самолета, позволяет определять его летно-тактические данные: наивыгоднейшие режимы полета, характеристики разгона и торможения, высотность, дальность и продолжительность полета и т.д. Изотермический КПД компрессора подбирается из условия: 0,55??из?0,65 Тнг.1 = Тнг.2 - температуры нагнетания на первой и второй ступенях должны быть одинаковыми, из чего следует, что: Тнг.1= , Тнг.2= , рнг1 принимается равным 0,372 МПА. Расхождение Тнг1 и Тнг2 составляет 0,04%, поэтому давление нагнетания на первой ступени окончательно принимается равным рнг1 = 0,372 МПА Принимается равным для первой ступени ?р1 = 0,98 и ?р2 = 0,99 для второй ступени.Посадочные диаметры клапанов и диаметры цилиндров остались без изменения. Однако в конструкцию клапанов внесены изменения:-в клапане ЛУ70-0.4 изменена толщина пластин от 0,6 мм до 0,2 мм, уменьшена высота подъема центральной точки пластины от 2,7 мм до 1,53 мм. -в клапане ЛУ110-1.0 изменена толщина пластин от 0,6 мм до 0,5 мм, уменьшена высота подъема центральной точки пластины от 2,7 мм до 1,18 мм В результате изменений получена приемлемая диаграмма перемещения пластин, то есть: скорости соударения пластин удовлетворяют требованиям, потери мощности меньше допустимых. Всасывание Нагнетание Всасывание Нагнетание п.прямого действия п.обратного действия п.прямого действия п.обратного действия п.прямого действия п.обратного действия п.прямого действия п.

Летные характеристики ТРД являются одним из видов эксплуатационных характеристик и состоят из скоростных и высотных характеристик. Они позволяют произвести оценку эксплуатационных свойств ТРД при различных условиях полета и на различных режимах его работы.

В виду этого знание летных характеристик двигателя является весьма важным для летной эксплуатации. Тяга, создаваемая ТРД на определенной скорости и высоте полета, представляет собой располагаемую тягу самолета. Использование этой тяги совместно с потребляемой тягой, определяемой аэродинамическим сопротивлением самолета, позволяет определять его летно-тактические данные: наивыгоднейшие режимы полета, характеристики разгона и торможения, высотность, дальность и продолжительность полета и т.д. Помимо этого определяется необходимая степень дросселирования двигателя для осуществления горизонтального полета с заданной скоростью.

Рассчитать и спроектировать поршневой компрессор на основе следующих данных: Рвс = 0,1 МПА - давление на входе в 1-ю ступень компрессора

Рнг = 1,1 МПА - давление на выходе из последней ступени компрессора

Vвс = 6 м3/мин - объемная производительность компрессора

Твс = 293 К - температура всасываемого газа

Рабочий газ: воздух

Охлаждение: воздушное поршневой компрессор нормализованная база

1. Определение базы компрессора

Определение производительности компрессора при t = 20 C и Р = 760 мм рт. ст. (н.у.)

Давление при н.у.: Рн.у.= = = 1,033 атм = 0,1033 МПА

Плотность воздуха при н. у.: Рн.у.= = = 1,228 кг/м3

Плотность воздуха на всасывании: Рвс.= = = 1,189 кг/м3

Объем всасываемого воздуха: Vвс = = = 0,097 нм3/с

Производительность компрессора по условиям всасывания при нормальных условиях составляет Vвс = 0,097 нм3/с, что согласно таблице 2.1 стр. 20 [1] соответствует Ш-образной базе.

2. Предварительное определение мощности компрессора

Изотермический КПД компрессора подбирается из условия: 0,55??из?0,65

Принятый изотермический КПД составляет ?из=0,6 ?из = , где

- изотермическая мощность компрессора: Nиз =

Nиз = = 23979 Вт

- мощность на валу проектируемого компрессора: Nk= = = 39964 Вт

3. Определение параметров базы

Определение количества ступеней в ряду базы по с. 22 рис. 2.1 [1]

Мощность на валу проектируемого компрессора Nk = 39964 Вт, что соответствует базе 3Ш с числом рядов zp = 3.

4. Определение требуемого числа ступеней

Тнг.max = 453К - максимальная температура нагнетания для транспортных машин с воздушным охлаждением

Твс.1 = 293К - температура всасывания газа в первую ступень

Твс.2 = 313К - температура всасывания газа во вторую ступень (на 20 К больше, чем температура всасывания в первую ступень)

Тнг.1 = Тнг.2 - температуры нагнетания на первой и второй ступенях должны быть одинаковыми, из чего следует, что: Тнг.1= , Тнг.2= , рнг1 принимается равным 0,372 МПА. Тогда: Тнг1= = 426,46 К

Тнг2= = 426,65 К

Расхождение Тнг1 и Тнг2 составляет 0,04%, поэтому давление нагнетания на первой ступени окончательно принимается равным рнг1 = 0,372 МПА

П1 = = = 3,72

П2 = = = 2,957

5. Выбор компрессора с. 25 рис. 2.2. “д” [1]

Рис. 1. Двухступенчатый трехрядный компрессор, Ш-образная база

6. Определение номинального усилия базы с. 24 п. 2.2 [1]

1) Np - максимальная мощность ряда

Np = = = 13321 Вт = 13,321 КВТ

= = 2,589 КВТ

По с. 15 рис. 1.7 [1]: = 2,25 => Пб = 3,426 КН.

2) Из уравнения 1.1 [1]: Пб= = = 9,198 КН

Параметры базы с. 18 табл. 1.2 [1]: Пб = 10 КН;

zp = 3;

Sп = 75 мм;

n = 25 = 1500 об/мин;

Np = 15-20 КВТ;

dшт = 20 мм;

7. Определение плотности газа по ступеням с. 34 п. 2.3 [1] ?всi = , ?вс1 = = 1,189 кг/м3 ?вс2 = = 4,14 кг/м3

8. Определение массовой производительности компрессора за цикл с. 34 п. 2.4 [1] m’ = ?вс1Vвс = const - по всем ступеням, если не учитывать утечки газа;

Vвс = 0,1 м3/с m’ = 1,189·0,1 = 0,1189 кг/с = 428,04 кг/ч mk = = = 0,00475 кг/об, где mk - массовый расход за один оборот коленчатого вала, n - частота вращения вала компрессора (задается равной частоте вращения вала принятой базы)

9. Конструктивный расчет компрессора

Определение предварительных значений относительных мертвых пространств по ступеням с. 34 п. 2.4.1 [1] ?i=?1 (0,02 0,04)(i-1), ?1 - относительное мертвое пространство 1 ступени сжатия;

?2 - относительное мертвое пространство 2 ступени сжатия;

Допустимое значение ?1 находится в диапазоне 0,06 0,15, в данном расчете принимается ?1= 0,07;

?2 = 0,07 0,03 = 0,1

Расчет объемного коэффициента с. 35 п. 2.5.2 [1] ?0i = 1- ?i( - 1), np - показатель условной политропы конечных параметров при расширении газа из мертвого пространства ступени np = 0,975nсж, nсж=0,975 к к = 1,4 nсж = 0,975 1,4 = 1,365;

np = 0,975 1,365 = 1,331;

?01 = 1- 0,07( -1) = 0,882;

?02 = 1- 0,1( -1) = 0,874;

Расчет коэффициента подогрева с. 35 п. 2.5.3 [1]

?ТI =(1 - ?T)-С(Пі-1)

Относительные тепловые потери принимаются равными ?T = 0,01; коэффициент, учитывающий способ охлаждения С = 0,02, т.к. способ охлаждения - воздушный

?Т1 = (1-0,01)-0,02(3,72-1) = 0,9356, ?Т2 = (1-0,01)-0,02(2,957-1) = 0,9508;

Выбор коэффициента давления с. 36 п. 2.5.5 [1]

Принимается равным для первой ступени ?р1 = 0,98 и ?р2 = 0,99 для второй ступени.

Оценка статической негерметичности элементов ступени с. 36 п. 2.5.5 [1] ?пр=?кл ?П - коэффициент протечек, складывающийся из суммарных относительных протечек через закрытые клапаны ступеней (для данного расчета принимаются равными ?кл = 0,02), и относительных протечек через уплотнения поршня (?П = 0,01)

Тогда: ?пр = 0,02 0,01 = 0,03

Оценка динамической негерметичности ступеней с. 39 п. 2.5.6 [1]

Суммарный коэффициент перетечек лежит в диапазоне 0,01 0,025. Для данного расчета принимается равным ?пер = 0,015.

Задание коэффициента влажности с. 40 п. 2.5.8 [1] ?вл1 = 0,01 - на 1-й ступени ?вл2 = 0 - на последующих ступенях

Определение коэффициента подачи ступеней с. 40 п. 2.5.9 [1] ?i = [ ?р ?T (?o- ?пер)]i-?прi-?влi-

Принимаем =0, ?1 = [ 0,98· 0,9356(0,882-0,015)]-0,03-0,01 = 0,755 ?2 = [ 0,99· 0,9508(0,874-0,015)]-0,03 = 0,779

Определение рабочих объемов цилиндров с. 41 п. 2.5.11 [1]

Vhi = ;

Vh1 = = 0,002649 м3, Vh2 = = 0,001475 м3

Определение активной площади поршней с. 41 п. 2.5.12 [1]

Fni = , Fn1 = = 0,0353 м2, Fn2 = = 0,0197 м2.

Расчет диаметров ступеней с учетом конструкционных особенностей с. 42 п.2.5.13 [1]

= = = 0,151 м, = = = 0,113 м

Диаметры цилиндров уточняются согласно основным размерам стандартных поршневых колец (с. 43 табл. 2.4 [1])

Тогда: = 0,155 м

= 0,115 м

Уточнение активных площадей поршней F:

м2 м2

Уточнение рабочих объемов цилиндров Vh: Vhiy =

Vh1у = = 0,075 = 0,00281 м3;

Vh2у = = 0,075 = 0,00153 м3

Расчет поршневых сил с. 44 п. 2.5.14 [1]

Ргаз = KNПБ = 1,25 0000 = 12,5 КН

1-я ступень, 1-й ряд: ВМТ: -рнг1 ( рвс ратм =

= -0,372 ( 0,1 0,1 =

= -5129 КН 12,5 КН

НМТ: -рвс ( рнг1 ратм =

= -0,1 ( 0,372 0,1 =

= 5044 КН 12,5 КН

Значения верхней и нижней мертвых точек 3-его ряда будут одинаковы значениям ВМТ и НМТ 1-го ряда.

1-я ступень, 3-й ряд: ВМТ: -5129 КН 12,5 КН

НМТ: 5044 КН 12,5 КН

2-я ступень, 2-й ряд

ВМТ: -рнг ( рнг1 ратм =

= -1,1 ( 1,1 0,1 =

= -7643 КН 12,5 КН

НМТ: -рнг1 ( рнг ратм =

= -0,372 ( 1,1 0,1 =

= 7243 КН 12,5 КН

Расчет производительности компрессора с. 44 п. 2.5.15 [1]

Vk’ = ?1· Vh1у·n·z, Vk’= 0,755·0,00281·1500·2 = 6,355 м3/мин

= 6,355/6 = 1,059

Расчет потребляемой мощности с. 45 п. 2.6 [1]

Nномi = РВСIVHIУ(?o,аді-?перi)( -1) zцi ?o,аді - объемный адиабатный коэффициент для i-й ступени сжатия, определяемый для процесса расширения с эквивалентным показателем политропы;

?o,аді = 1-?i( -1) ?o,ад1 = 1-0,07( -1) = 0,891 ?o,ад2 = 1-0,1( -1) = 0,883

Nном1 = 3,5·0,1·106·0,00281(0,891-0,015)(3,720,286-1)·2· = 19591 Вт

Nном2 = 3,5·0,372·106·0,00153(0,883-0,015)(2,9570,286-1))·1· =15735 Вт

Относительные потери давления с. 45 п. 2.6 [1]

При всасывании: ?всi = 0,3( ) ?вс1 = 0,3( ) = 0,03231 ?вс2 = 0,3( ) = 0,02464

При нагнетании: ?нгi = 0,7( ) ?нг1 = 0,7( ) = 0,0754 ?нг2 = 0,7( ) = 0,0575

Относительные суммарные потери мощности с. 45 п. 2.6 [1]

?NI= , ?N1 = 0,286 = 0,089

?N2 = 0,286 = 0,081

Расчет индикаторной мощности с. 45 п. 2.6 [1]

Nиндi = Nномi(1 ?NI), Nинд1 = 19591(1 0,089) = 21337 Вт

Nинд2 = 15735(1 0,081) = 17010 Вт

Nиндк = Nинд1 Nинд2

Nиндк = 21337 17010 = 38347 Вт

Расчет мощности компрессора с. 45 п. 2.6 [1]

Nk =

Для данного расчета механический КПД компрессора принимается равным = 0,93

Nk = = 41234 Вт

Расчет мощности двигателя

Nдв = кр ;

Величины кр, принимаются согласно стр. 66 [1]: КПД передачи = 0,99; коэффициент резерва мощности кр = 1,05;

КПД двигателя = 0,95;

Nдв =1,05 = 45574 Вт

Расчет изотермического КПД компрессора с. 46 п. 2.6 [1] ?из = , Nиз = , Nиз = 0,1·106· · = 23979 Вт, ?из = = 0,582

Выбор клапанов

1) Относительные потери в мощности в клапанах по ступеням с. 46 п. 2.7.1 [1]

?NКЛI = 0,6 ?NI, ?NКЛ1 = 0,6·0,089 = 0,053

?NКЛ2 = 0,6·0,081 = 0,049

2) Критерий скорости потоков с. 46 п. 2.7.1 [1]

Мвсі =

Мвс1 = = 0,182

Мвс2 = = 0,145

3) Эквивалентная площадь с. 48 п. 2.7.3 [1]

Fni - уточненная активная площадь поршня одного цилиндра i-й ступени сжатия zклi - число клапанов, устанавливаемых в i-й полости

Cn = 2·Sn·n = 2·0,075·1500/60 = 3,75

М =

= м2

= 0,01038 м2

= = 5,665 см2

= = 7,546 см2

4) Выбираем клапаны из стандартных по величине эквивалентной площади

1 ступень: ЛУ70-0,4 по 2 шт. на всасывание и нагнетание

2 ступень: ЛУ110-1,0 1 шт., комбинированный

Подбор поршневых колец с. 53 п. 2.8 [1]

Число колец zk зависит от перепада давления в ступенях и определяется по с. 55 рис. 2.14 [1]: ?р1 = (рнг1-рвс1) = 0,372-0,1 = 0,272 МПА => zk=2

?р2 = (рнг2-рвс2) = 1,1-0,372 = 0,728 МПА => zk=3

10. Смазка элементов компрессора

1) Определение требуемого расхода масла для каждого цилиндра мці’ = 2K·?·Di(S Hi)n;

К = 2,5·10-6 - рекомендованный расход масла на единицу смазываемой поверхности цилиндра;

Ні = zkihki - суммарная высота уплотнительных колец на поршне рассматриваемой ступени;

H1 = 2·3,5·10-3 = 0,007 м; H2 = 3,5·4·10-3 = 0,014 м;

мц1’= 2·2,5·10-6·3,14·0,155(0,075 0,007)25 = 0,0049 г/с, мц2’= 2·2,5·10-6·3,14·0,115(0,075 0,014)25 = 0,004 г/с;

2) Расход масла на сальники для нормализованных баз определяется по с. 59 рис. 2.19 [1] мс1’ = мц2’ = 0,01 г/с;

3) Суммарный расход смазки

ММ’= z1 - количество смазываемых цилиндропоршневых групп z2 - количество сальниковых уплотнительных узлов

ММ’ = (0,01 0,0049 0,01 0,0049 0,01 0,004) = 0,0438 г/с

4) Мощность трения

Ntp = К?NК(1-?мех), где К?= 0,25 - доля суммарной мощности трения, приходящейся на механизм движения

Ntp = 0,25·41234 (1-0,93) = 0,721 КВТ;

5) Мощность, отводимая с потоком масла

Nm = ?·MМ’·cm·?t, где cm = 1,9 КДЖ/кг - теплоемкость смазочных масел, ?t = 12?С - разность температур масла на входе и выходе из системы;

Nm= 0,01·0,0438·1900·12 = 9,98 Вт, 6) Массовый расход в системе m’ = Ntp /? ·cm·?t, m’ = 721/(0,01·1900·12) = 3,16 кг/с;

7) Производительность масляного насоса

Vm’ = Kp(m’/?м), где

Kp = 1,1 - коэффициент резерва, ?м=900 кг/м3 - плотность смазочных масел.

Vm’ = 1,1 (3,16/900) = 0,00386 м3/с = 3,86 л/с

8) Мощность привода насоса

Nm = ?м’· V’/?м, где ?м’ = 0,65 МПА, ?м = 0,5 - общий КПД насоса;

Nm= 0,65· 0,00386/0,5 = 0,00502 КВТ

11. Изменение производительности компрессора методом дросселирования

Снижение производительности компрессора на 5, 10 и 15% производится в программе «Комдет» методом понижения давления всасывания на первой ступени. Расчеты сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Давление всасывания первой ступени, МПА Массовый расход первой ступени, кг/ч Производительность, % от номинальной

0,1 510,62 100

0,0948 480,48 95

0,091 457,27 90

0,087 433,76 85

12. Индивидуальное задание

Задание: диаметр цилиндра первой ступени был увеличен до 180 мм

= 155 мм

= 180 мм

Вследствие увеличения диаметра цилиндра возрастает производительность компрессора, что влечет за собой необходимость регулирования промежуточного давления. Регулирование промежуточного давления осуществляется в программе «Комдет».

Произведенные в программе “Комдет” расчеты находятся в приложении 2 и сведены в таблицу 2.

Таблица 2

= 155 мм = 180 мм% увеличения

Промежуточное давление, МПА 0,372 0,484 23,14

Массовый расход первой ступени, кг/ч 510,62 640,36 20,26

1. Оптимизация

В результате расчетов получены следующие результаты: -диаметры цилиндров 155 и 115 мм

-клапаны ЛУ70-0,4 и ЛУ110-1,0

Посадочные диаметры клапанов и диаметры цилиндров остались без изменения. Однако в конструкцию клапанов внесены изменения: -в клапане ЛУ70-0.4 изменена толщина пластин от 0,6 мм до 0,2 мм, уменьшена высота подъема центральной точки пластины от 2,7 мм до 1,53 мм.

-в клапане ЛУ110-1.0 изменена толщина пластин от 0,6 мм до 0,5 мм, уменьшена высота подъема центральной точки пластины от 2,7 мм до 1,18 мм

В результате изменений получена приемлемая диаграмма перемещения пластин, то есть: скорости соударения пластин удовлетворяют требованиям, потери мощности меньше допустимых. Данные о потерях мощности и скоростях соударения приведены в таблице 4, 5, 6.

2. Целесообразность выбора базы 3Ш

По полученной величине производительности компрессора, при нормальных условиях, рекомендованными базами являлись У- и Ш-образная базы. Кроме того, в качестве допустимых предлагались Р, М и др.типы баз.

Поскольку к конструкции проектируемого компрессора не предъявлялось специфических требований, для расчета была выбрана база 3Ш. Выбранные диаметры цилиндров соответствуют размерному ряду данной базы.

Таблица 3

Объемный расход, м3/мин Массовый расход, кг/ч Изотермический КПД, %

Ручной расчет ЭВМ Ручной расчет ЭВМ Ручной расчет ЭВМ

6,355 7,069 428,04 510,62 0,582 0,737

Таблица 4

Потери мощности, %

1 ступень 2 ступень

Всасывание Нагнетание Всасывание Нагнетание п.прямого действия п.обратного действия п.прямого действия п.обратного действия п.прямого действия п.обратного действия п.прямого действия п.обратного действия

4,9 4,6 4,4 3,5 5,7 5,3 5,4 4,2

Таблица 5

Максимальные скорости посадки пластин клапанов в 1-й ступени, м/с

Всасывающего на ограничитель Всасывающего на седло Нагнетательного на ограничитель Нагнетательного на седло п.прямого действия п.обратного действия п.прямого действия п.обратного действия п.прямого действия п.обратного действия п.прямого действия п.обратного действия

6,134 5,610 1,278 1,540 7,920 7,651 2,356 1,574

Таблица 6

Максимальные скорости посадки пластин клапанов в 2-й ступени, м/с

Всасывающего на ограничитель Всасывающего на седло Нагнетательного на ограничитель Нагнетательного на седло п.прямого действия п.обратного действия п.прямого действия п.обратного действия п.прямого действия п.обратного действия п.прямого действия п.обратного действия

3,917 3,668 0,785 1,135 6,831 6,882 2,278 1,533

Таким образом, разработанный вариант конструкции компрессора с последующей его оптимизацией представляется работоспособным и удовлетворяющим основным требованиям

1. Прилуцкий И.К., Прилуцкий А.И. Расчет и проектирование поршневых компрессоров и детандеров на нормализованных базах: Учеб. пособие.-СПБ.: СПБГАХПТ, 2010

2. Вагин А.Н., Неспела А.Н. “Теория авиадвигателей”, ч.2,”Воениздат”, 2009г.

3. Ливинский С.И. “Теория авиадвигателей ” изд. “Машиностроение”, 1982г.

4. Маслеников М.М., Шамман Ю.И. “Авиационные газотурбинные двигатели”

Размещено на