2.4.Специальные расчеты

Заданием на курсовой проект предусмотрено выполнение вариантных расчетов с различной целью (например, для определения "режима максимальной мощности", потребляемой электродвигателем). В этом случае один из режимов работы выбирается основным, остальные режимы - дополнительными. Тогда для дополнительных режимов проводятся полные тепловые расчеты компрессора из условий, что компрессор, подобранный по результатам расчета основного режима работы, остается без изменений, т.е. V_h=const, таким образом холодопроизводительность для каждого дополнительного режима будет определяться как

где

λ и q_v - определяются для каждого из дополнительных режимов.

Это же выражение для определения Q₀ используется и в том случае, когда техническим заданием на проектирование компрессора предусмотрена модернизация известной конструкции При сохранении основных размеров, т.е. V_h=const.

3. Конструктивный расчет компрессора

При выполнении курсового проекта некоторые параметры компрессора являются заданными:

• частота вращения вала п, 1 /с;

• количество цилиндров компрессора z.

3.1. Определение основных размеров и параметров

Значение V_h, полученное в тепловом расчете, необходимо выразить через основные размеры компрессора

где

D - диаметр цилиндра, м; S - ход поршня, м; п - частота вращения вала, 1/с;

z - количество цилиндров компрессора.

Определение основных размеров и параметров производится в следующем порядке. Задаемся величиной ψ=S/D. В Таблице 7. даны значения ψ для современных серийно выпускаемых компрессоров.

Определяем величину D_pacч

Значение D_pacч необходимо скорректировать по ГОСТ (Приложение 3). В дальнейших расчетах и чертежах необходимо использовать скорректированное значение величины диаметра цилиндра D.

По величине D определяем ход поршня

Значение S необходимо округлить до ближайшего четного числа (в миллиметрах!).

Проверяем значения:

• средней скорости пррпюя (Таблица 8)

• параметра ускорения (Таблица 8)

• параметра удельных сил инерции (Таблица 9)

При разработке новых компрессоров следует ожидать более высоких значений указанных параметров. Допустимыми можно считать значения, превосходящие рекомендованные, для K_j в 2-3 раза и значения K_t 1,5 -2 раза.

3.2. Предварительное конструирование

Конструирование компрессора начинают с определения основных размеров шатунно-поршневой группы и коренного вала (рис.5-8).

Все размеры, определяемые при предварительном конструировании, рассчитывают в зависимости от диаметра цилиндра D.

Следует иметь в виду, что все нижеприведенные соотношения являются ориентировочными и отражают эмпирические зависимости в существующих конструкциях, С изменением конструктивных материалов и технологии эти соотношения могут изменяться.

Проектирование необходимо осуществлять при неразрывной связи конструктивной формы и расчета: нельзя производить расчет, не представляя себе конструкцию, и, наоборот, нельзя конструировать без учета расчетных величин. Проектирование следует начинать с разработки одной шатунно-поршневой группы.

К поршневой группе относят: поршень, уплотнительные и маслосъемные кольца, поршневой палец, стопорные кольца (рис.7).

Количество уплотнительных (компрессионных) колец в холодильных компрессорах является функцией частоты вращения вала (таблица 10).

Радиальная толщина кольца (рис.9)

Высота кольца

При диаметре поршня D<50 мм кольца обычно не устанавливают, ограничиваясь уплотнительными канавками h_{канавки} ≈(0,5... 1) h_кол.

Поршень снабжается также одним (редко двумя) маслосъемным кольцом, устанавливаемым непосредственно под компрессионными кольцами в непроходных поршнях и у нижней кромки поршня - в проходных. Ширина (высота) поясков между соседними кольцами обычно того же порядка, что и высота кольца.

Рис.5. Шатунно-поршневая группа Рис.6. Шатунно-поршнсвая группа

непрямоточного компрессора и фрагмент вала прямоточного компрессора

Рис.7. Поршневая группа:

1 - непрямоточный поршень;

2 - поршневой, палец;

3 - стопорные кольца;

4 - канавки под уплотнителные и маслосъемные кольца

Рис.8. Двухопорный двухколенчатый вал бессальникового компрессора:

1 — коренные шейки; 2 -шатунные шейки; 3 - крайние щеки; 4 - центральная щека; 5 -противовесы; 6 - место для насадки ротора электродвигателя

Рис.9. Уплотнительное кольцо

Диаметр поршневого пальца (рис.10)

d_п^н=(0,2...0,3)D

(большие значения соответствуют аммиачным компрессорам). Полыми пальцы изготавливают при d_п^н>10...12 мм. Соотношение диаметров при полых

пальцах

Рис.10. Поршневой палец (полый)

Длина пальца (l_п) выбирается конструктивно (рис.5-7).

Диаметр проволоки стопорного кольца (рис.11) определяется как

Диаметр канавки стопорного кольца

При d_п^н<10...12 мм стопорные кольца не устанавливают, а торцы пальцев обрабатывают по сфере.

Рис. 11. Стопорное кольцо

Высота непроходного поршня определяется из условия размещения уплотнительных и маслосъемных колец (рис.5) Н_п=D

Высота проходного поршня определяется из условия размещения колец, а также высоты всасывающего клапана и всасывающего окна (рис.6) h_on =S+ h_ог.

Обычно всасывающее окно состоит из отверстий h_ог=(0,1 ... 0,2)D

Количество отверстий определяется расчетом газового тракта. Высота всасывающего клапана проходного поршня h_вс.к=h_c+h_p

где

h_c - высота седла клапане, h_с=(0.07.. .0,1)D; h_р - высота розетки, h_Р=2/3h_с.

Бобышки в поршне располагают на расстоянии h_δ от нижней кромки поршня h_δ=0,5D

Толщину стенки гильзы (δ_г) и стенки поршня (δ_п)

можно принять равными (рис,5, 6) δ_г=δ_п=(0,05...0,1)D.

Высота гильзы (H_г) прямоточного компрессора должна быть такой, чтобы маслосъемное кольцо в положении поршня «нижняя мертвая точка» не выходило из цилиндра. В непрямоточном компрессоре поршень может выходить из цилиндра («свисать») на 15...20% своей высоты, что определяется конструктивно.

Длина шатуна L выбирается из условия обеспечения максимальной компактности компрессора. В современных поршневых холодильных компрессорах отношение радиуса кривошипа к длине шатуна принято в пределах

При конструировании длину шатуна следует уточнить, исходя из следующих соображений:

• при максимальном угле отклонения оси шатуна от оси цилиндра шатун не должен касаться стенки поршня или гильзы (зазор составляет не менее 2.. .3 мм);

• между противовесом и нижней кромкой поршня в положении «нижняя мертвая точка» должен оставаться зазор не менее 5 мм;

• в многоцилиндровых компрессорах длина шатуна определяется из расположения соседних (в плоскости, перпендикулярной оси вала) цилиндров, нижние кромки которых сближаются максимально.

Диаметр шатунной шейки вала (рис.5)

• для аммиачного компрессора d_шш =(0,5.. .0,7)D;

• для других рабочих веществ d_шш=(0,45...0,65)D. (большие значения соответствуют многоцилиндровым компрессорам).

Ширина верхней головки шатуна (рис.12)

а^в_ш=0,3D

Ширина нижней головки шатуна (а^н_ш) определяется по допускаемым максимальным давлениям (от максимального значения газовой силы)

где

[q]=3...4 МПа при баббитовых вкладышах и каленой шатунной шейке вала.

Рис.12. Шатун: а) общий вид; б) разрез; 1 - верхняя головка;

2 -стержень; 3 - нижняя головка; 4 - крышка нижней головки;

5 -шатунный болт

В многоцилиндровых современ­ных компрессорах из условий технологичности конструкции шатуна (рис. 12)

а^в_ш=а^н_ш

тогда диаметр шатунной шейки вала определяется по максимальным допускаемым давлениям

Диаметр коренных шеек вала (рис.12) выбирают следующим образом:

• для больших компрессоров d_кш=(0,65.. .0,7)D,

• для малых и средних компрессоров d_кш=(0,85... 1,0)D.

Обычно диаметр шатунной шейки вала (d_шш) и диаметр коренной шейки вала (d_кш) стараются выбирать одинаковыми из условий технологичности.

В компрессорах применяются подшипники скольжения и качения. Подшипникам качения свойственен шум, поэтому в компрессорах домашних холодильников, кондиционеров и т.д. применяют подшипники скольжения.

При использовании коренных подшипников качения величину d_кш следует принять кратной 5 мм, при использовании коренных подшипников скольжения d_кш принимается из условий наличия инструмента для изготовления (Приложение 3).

Толщина щеки коленчатого вала (рис.5)

l_щ=(0,4- 0,5) D.

Расстояние между осями соседних цилиндров определяется конструктивно в зависимости от толщины стенки гильзы цилиндра, размещения клапанов и т.д.

Для компоновки остальных элементов компрессора (система смазки, сальник и т.д.) следует использовать инженерные и конструкторские разработки прототипа проектируемого компрессора. Эскиз шатунно-поршневой группы необходимо производить одновременно в двух проекциях (продольный и поперечный разрезы), что поможет избежать ошибок и связанных с ним переделок.

Итак, в результате предварительного конструирования должны быть определены следующие размеры. Авторы рекомендуют выписать нижеприведенные размеры, что значительно упростит выполнение последующих прочностных расчетов:

D диаметр цилиндра

S ход поршня

R радиус кривошипа

Н_п высота поршня

Н_кр высота крейцкопфной части поршня

d^н_п наружный диаметр поршневого пальца

d^вн_п внутренний диаметр поршневого пальца

t_кол радиальная толщина кольца

h_кол высота кольца

h_p высота розетки всасывающего клапана

h_c высота седла всасывающего клапана

d_шш диаметр шатунной шейки коренного вала

d_кш, диаметр коренной шейки коренного вала

а^в_ш ширина верхней головки шатуна

а^н_ш ширина нижней головки шатуна

d^н_вг наружный диаметр верхней головки шатуна

d^вн_вг внутренний диаметр верхней головки шатуна

Х_ш, У_ш габаритные размеры нижней головки шатуна при прямом разъеме шатуна

D^н_ш наружный диаметр нижней головки шатуна при косом разъеме шатуна

l_шш длина шатунной шейки коренного вала

l_п длина пальца

1l_щ толщина щеки коленчатого вала

L длина шатуна

l_ст длина стержня шатуна

F_c-c площадь среднего сечения стержня шатуна

λ отношение радиуса кривошипа к длине шатуна