机械毕业设计53过程流体机械课程设计V1.1byzhangjie

东 北 石 油 大 学 课 程 设 计 2013年 3 月 2 日 课 程 过程流体机械课程设计 题 目 校核计算 2D3.5-15/0.4-13 对称平衡型空气压缩机 院 系 机械学院过程装备与控制工程系 专业班级 装备 2009-03班 学生姓名 张杰 学生学号 090403140311 指导教师 杨志军 I 摘 要 摘要也称内容提要，概括研究题目的主要内容、特点，文字要精练。中文摘要约 300 字左右，外文摘要的内容应与中文摘要相对应。 关键词：关键词 1；关键词 2；关键词 3；关键词 4 II 目 录 第 1 章 压 缩 机的热力 计 算 . 1 1.1 初步确定压力比及各级名义压力 . 1 1.2 初步计算各级排气温度 . 1 1.3 计算各级排气系数 . 2 1.4 计算各级凝析系数及抽加气系数 . 4 1.5 初步计算各级气缸行程容积 . 5 1.6 确定活塞杆直径 . 5 1.7 计算各级气缸直径 . 7 1.8 计算气缸直径圆整后的实际行程容积，各级名义压力及压力比 . 7 1.9 按修正后的名义压力考虑压力损失后计算缸内实际压力 . 9 1.10 根据实际压力比，计算各级实际排气温度 . 10 1.11计算缸内最大实际气体力并核算活塞杆直径 . 10 1.12 复算排气量 . 11 1.13 计算功率，选取电机 . 12 1.14 热力计算结果数据 . 12 第 2 章 压 缩机的动力计算 . 14 2.1 运动计算 . 14 2.2 气体力计算 . 14 2.3 往复惯性力计算 . 14 2.4 摩擦力的计算 . 14 2.5 综合活塞力计算及综合活塞力图的绘制 . 14 2.6 切向力的计算及切向力图的绘制 . 14 2.7 作幅度面积向量图 . 14 2.8 飞轮矩的计算 . 14 2.9 分析本压缩机动力平衡性能 . 14 第 3 章 计 算结果分析 . 15 参考文献 . 16 附录 . 17东北石油大学本科生课程设计 1 第 1章 压 缩 机 的热力 计 算 1.1 初步确定压力比及各级名义压力 1.1.1 按等压力比分配原则确定各级压力比： 21zIIzkIpp两级 压缩 总压力比 211 . 3 0 . 1100 . 0 4 0 . 1IIIpp 取 1 0 3 . 1 6I I I 1.1.2 各级名义进、排气压力如下： 21k k kpp,1( 1) 2kkpp 表 1-1 各级名义进、排气压力 (MPa) 级次 名义 吸 气压力1P名义排气压力2P 0.14 0.44 0.44 1.4 1.2 初步计算各级排气温度 按 绝热过程考 虑，各级 排 气温 度 可 用 下 式 求 解 ： 121kkTT 介质为空气， k=1.4。 计算结果如 表 1-2 所示。计算结果表明排气温度2 180 T ， 在允许适用范围内。 表 1-2 各级名义排气温度 级 次 名义 吸 气 温 度 计算参数 名义排气温度 K k 1kk K 40 313 3.16 1.4 1.389 435 162 40 313 3.16 1.4 1.389 435 162 东北石油大学本科生课程设计 2 1.3 计算各级排气系数 因为压缩机工作压力不高，介质为空气，全部计算可按理想气体处理。 由排气系数的计算公式： v P T l 分别求各级的排气系数。 1.3.1 计算容积系数： 111mv 其中，多变膨胀指数 m 的计算按 表 1-3 查得： 表 1-3 按等熵指数确定气缸膨胀过程等端点指数 进气压力 10 5Pa 任 意 k值时 K=1.40时 1.5 m=1+0.5(k 1) 1.20 1.5 4.0 m=1+0.62(k 1) 1.25 4.0 10 m=1+0.75(k 1) 1.30 10 30 m=1+0.88(k 1) 1.35 30 m=k 1.40 I 级多变膨胀指数Im： 1 0 . 5 ( 1 ) 1 0 . 5 ( 1 . 4 1 ) 1 . 2Imk 级多变膨胀指数IIm： 1 0 . 7 5 ( 1 ) 1 0 . 7 5 ( 1 . 4 1 ) 1 . 3IImk 则各级容积系数为： 1 11 . 21 ( 1 ) 1 0 . 0 8 ( 3 . 1 6 1 ) 0 . 8 7 1Imv I I I 1 11 . 31 ( 1 ) 1 0 . 1 1 ( 3 . 1 6 1 ) 0 . 8 4 4IImv I I I I I I 东北石油大学本科生课程设计 3 1.3.2 压力系数p的选择： 考虑到用环状阀，气阀弹簧力中等，吸气管中压力波动不大，两级压力差也不大，可选取 0.97pI , 0.98pII （选择范围：级 0.95 0.98；其余各级 0.98 1.0） 。 1.3.3 温 度系数 T 的选取： 考虑到压缩比不大，气缸有较好的水冷却，气缸尺寸及转速中等，从 (教材 P20 图 2-12)查得T在 0.930.97 范围内，可选取 0 .9 6TI TII。 1.3.4 泄漏系数 1 的计算： 11l iv 由于无油润滑压缩机的取值范围在 0.85-0.95，且介质为空气粘度 低易泄漏以下相对泄漏值iv取上限， 用相对漏损法计算l： （ 1）考虑气阀成批生产，质量可靠，阀弹簧力中等，选取气阀相对泄漏值 0 .0 2vI vIIvv （气阀不严密或延迟关闭的泄漏 0 .0 1 0 .0 4vv ） （ 2）活塞均为双作用， 无 油润滑 ，缸径中等，压力不高。选活塞环相对泄漏值 0.005rIv ， 0.006rIIv （双作用气缸活塞环的泄漏 0 .0 0 3 0 .0 1 5rv ） （ 3）因 无 油润滑 ，压力不高，选取填料相对泄漏值 0.0005pIv ， 0.001pIIv （经验范围 0 . 0 0 0 5 - 0 . 0 0 1 0pv ） 由于填料为外泄漏，需在第级内补足，所以第级相对泄漏中也包括第级填料的外泄漏量在内，泄漏系数的计算列入 表 1-4。 表 1-4 泄露系数的计算 漏损部位 相对泄漏值 级 级 气阀 vIvvI0.02 0.02 活塞环 rIvrIv0.005 0.006 填料 pIvpIIv0.0005 0.001 0.001 总相对泄漏 v 0.0265 0.027 泄漏系数 11l iv 0.974 0.973 东北石油大学本科生课程设计 4 1.3.5 各级排气系数计算结果列入 表 1-5 表 1-5 各级排气系数计算结果 级数 vpTlv P T l 0.871 0.97 0.96 0.974 0.7900 0.844 0.98 0.96 0.973 0.7726 1.4 计算各级凝析系数及抽加气系数 1.4.1 计算各级凝析系数 （ 1） 计算在级间冷却器中有无水分凝析出来 查 表 1-6 得水在 40时的饱和蒸汽压 7 . 3 7 5 4 0 b I b I IP P K P a 表 1-6 饱和水蒸汽的压力与密度 温度 t 饱和蒸汽压bPkPa 密度stkg/m3 温度 t 饱和蒸汽压bPkPa 密度stkg/m3 0 0.611 0.00485 31 4.491 0.03205 1 0.656 0.00519 32 4.753 0.03381 2 0.705 0.00556 33 5.029 0.03565 3 0.757 0.00595 34 5.318 0.03758 4 0.813 0.00636 35 5.622 0.03960 5 0.872 0.00680 36 5.940 0.04172 6 0.935 0.00726 37 6.274 0.04393 7 1.000 0.00775 38 6.624 0.04623 8 1.069 0.00827 39 6.991 0.04864 9 1.147 0.00882 40 7.375 0.05115 10 1.227 0.00940 41 7.777 0.05376 11 1.312 0.01001 42 8.198 0.05649 12 1.401 0.01066 43 8.638 0.05935 13 1.497 0.01134 44 9.100 0.06234 14 1.598 0.01206 45 9.582 0.06545 15 1.704 0.01282 46 10.085 0.06868 16 1.817 0.01363 47 10.612 0.07205 东北石油大学本科生课程设计 5 17 1.937 0.01447 48 11.162 0.07557 18 2.062 0.01536 49 11.736 0.07923 19 2.196 0.01630 50 12.335 0.08300 20 2.337 0.01729 51 12.961 0.08696 21 2.485 0.01833 52 13.613 0.09107 22 2.642 0.01942 53 14.293 0.09535 23 2.808 0.02057 54 15.002 0.09980 24 2.982 0.02177 55 15.741 0.1044 25 3.167 0.02304 56 16.510 0.1092 26 3.360 0.02437 57 17.312 0.1142 27 3.564 0.02576 58 18.146 0.1193 28 3.779 0.02722 59 19.021 0.1247 29 4.004 0.02875 60 19.917 0.1302 30 4.241 0.03036 则11 0 . 9 5 7 . 3 7 5 3 . 1 6 2 2 . 1 7 . 3 7 5I b I b I Ip k P a P K P a 所以在级间冷却器中必然有水分凝析出来，这时1 1II 。 （ 2）计算各级凝析系数 1I 11 11 1 10 . 1 4 0 . 9 5 0 . 0 0 7 3 7 5 0 . 4 4 0 . 9 6 6 10 . 4 4 1 0 . 0 0 7 3 7 5 0 . 1 4I I b I IIII I I I I b I I IPP PP P P 1.4.2 抽加气系数o因级间无抽气，无加气，故 1oI oII1.5 初步计算各级气缸行程容积 31 1 1 5 0 . 0 3 5 60 . 7 9 0 0 5 3 3I o I dhIIVVmn 311110 . 9 6 6 1 1 0 . 1 4 3 1 3 1 5 0 . 0 0 8 90 . 9 7 3 0 . 4 4 3 1 3 5 3 3I I o I I dI I Ih I I I I I I IVPTP T n 1.6 确定活塞杆直径 为了计算双作用气缸缸径，必须首先确定活塞杆直径，但活塞杆直径要根据最大气体力东北石油大学本科生课程设计 6 来确定，而气体力又需根据活塞面积（气缸直径）来计算，他们是互相制约的。因此需先暂选活塞杆直径，计算气体力，然后校核活塞杆是否满足要求。 1.6.1 计算任一级活塞总的工作面积 hkK VF SZ ，（ Z 同一级气缸数）有： 220 . 0 3 5 6 0 . 1 9 7 8 1 9 7 80 . 1 8 1hII VF m c mSZ 220 . 0 0 8 9 0 . 0 4 9 4 4 9 40 . 1 8 1hIII VF m c mSZ 1.6.2 暂选活塞杆直径 根据双作用活塞面积和两侧压差估算出该空压机的最大气体力约为 32 吨左右， 由过程流体机械课程设计指导书附表 2，暂选活塞杆直径 d=50mm。 活塞杆面积 2 22( 5 ) 1 9 . 6 2 544d df c m 1.6.3 非贯穿活塞杆双作用活塞面积的计算 盖侧活塞工作面积 1 ()2g k dF F f轴侧活塞工作面积 1 ()2z k dF F f级： 211( ) (1 9 7 8 1 9 . 6 2 5 ) 9 9 922g I I dF F f c m 211( ) (1 9 7 8 1 9 . 6 2 5 ) 9 7 922z I I dF F f c m 级： 211( ) ( 4 9 4 1 9 . 6 2 5 ) 2 5 722g I I I I dF F f c m 211( ) ( 4 9 4 1 9 . 6 2 5 ) 2 3 722z I I I I dF F f c m 1.6.4 计算活塞上所受气体力 （ 1）第一列（第级）： 外止点： 1222 = 0 .1 4 9 7 9 1 0 0 .4 4 9 9 9 1 0 = 3 0 2 5 0I Z I I g IIP P F P FN 外 内止点： 2122 = 0 .4 4 9 7 9 1 0 0 .1 4 9 9 9 1 0 = 2 9 0 9 0I Z I I g IIP P F P FN 内 （ 2）第二列（第级）： 东北石油大学本科生课程设计 7 外止点： 1222 = 0 .4 4 2 3 7 1 0 1 .4 2 5 7 1 0 = 2 5 5 5 2I I Z I I I I g I IIIP P F P FN 外 内 止点： 2122 = 1 .4 2 3 7 1 0 0 .4 4 2 5 7 1 0 = 2 1 8 7 2I I Z I I I I g I IIIP P F P FN 内 由以上计算可知，第 一 列的气体力最大，为 -30250N，约合 30 吨。 由过程流体机械课程设计指导书附表 2 可知， 选取活塞杆直径 d=50mm。 1.7 计算各级气缸直径 1.7.1 计算非贯穿活塞杆双作用气缸直径 根据 222hkKV dDSZ,有： 222 2 0 . 0 3 5 6 0 . 0 5 0 . 3 5 72 3 . 1 4 0 . 1 8 1 2hIIV dDmSZ 222 2 0 . 0 0 8 9 0 . 0 5 0 . 1 8 12 3 . 1 4 0 . 1 8 1 2h I IIIV dSZ 1.7.2 确定各级气缸直径 根据查 表 -1-6，将计算缸 径圆整为公称直径： 370ID mm ； 210IID mm 1.8 计算气缸直径圆整后的实际行程容积，各级名义压力及压力比 1.8.1 计算各级实际行程容积 hV 非贯穿活塞杆直径双作用气缸行程容积： 2 224h k kV D d S Z 2 2 2 2 32 2 0 . 3 7 0 . 0 5 0 . 1 8 1 0 . 0 3 844h I IV D d S Z m 2 2 2 2 32 2 0 . 2 1 0 . 0 5 0 . 1 8 1 0 . 0 0 9h I I I IV D d S Z m 1.8.2 各级名义 压力及压力比 因各级实际行程容积 hkV与计算行程容积hkV不同，各级名义压力及压力比必然变化。各级进、排气压力修正系数k及1k分别为： 东北石油大学本科生课程设计 8 （ 1） 各级进气压力修正系数： hI hkk hI hkVVVV =1hI hII hI hIVVVV 0 . 0 3 8 0 . 0 0 8 9= 1 . 0 60 . 0 3 5 6 0 . 0 0 9h I h I III h I h I IVVVV （ 2）各级排气压力修正系数： ( 1 )1 ( 1 )hkhIkh I h kVVVV ( 1 )1 10 . 0 3 8 0 . 0 0 8 9 1 . 0 60 . 0 3 5 6 0 . 0 0 9hIhII h I h IVVVV （ ） ( 1 ) 21 ( 1 ) 2= 1h I IhI IIIIh I h I I I IVV PV V P （ 3） 修正后各级名义压力及压力比 11k k kPP 2 1 2k k kPP 21kkPP 计算结果列入 表 1-7 表 1-7 气缸直径圆整后的实际行程容积，各级名义压力及压力比 级 次 计算行程容积 hkV3m 0.0356 0.0089 实际行程容积 hkV3m 0.038 0.009 修 正 系 数 hI hkk hI hkVVVV 1 1.06 ( 1 )1 (1hkhIkh I h kVVVV ）1.06 1 名义吸气压力 （ MPa） 1kP0.14 0.44 11k k kPP 0.14 0.47 名义排气压力 2kP0.44 1.4 东北石油大学本科生课程设计 9 (MPa) 2 1 2k k kPP 0.47 1.4 修正后名义压力比 21kkPP 3.36 2.98 1.9 按修正后的名义压力考虑压力损失后计算缸内实 际压力 缸内实际压力 : 1 (1 )ssPP 2 (1 )ddPP 由 图 1-1，查得s, d，计算各级气缸内实际压力， 结果见 表 1-8。 图 1-1 相对压力损失 表 1-8 考虑压力损失后的缸内实际压力及压力比 级 次 修正后名义 压力（ MPa） 相对压力 损失 1 s 1 d 缸内实际 压力（ MPa） 实际 压力比 1P 2P s d sP dP dsPP 0.14 0.47 0.042 0.07 0.958 0.93 0.134 0.437 3.261 0.47 1.4 0.03 0.055 0.97 0.945 0.456 1.323 2.9 东北石油大学本科生课程设计 10 1.10 根据实际压力比，计算各级实际排气温度 121kkTT 按 k=1.4 和 m=1.1 两种情况计算，计算结果见 表 1 9。从中可以看出，按 k=1.4 计算出的排气温度超过了 100的允许范围，但实际测出的排气温度接近多变压缩 m=1.1 的结果，认为在允许的范围内。 表 1-9 根据实际压力比求得 各级实际排气温度 级 数 吸气温度 实际压力比 k=1.4 m=1.1 （） （ K） 1kk 2T(K) 2T( ) 1kk 2T(K) 2T( ) 40 313 3.261 1.402 439 166 1.113 348 75 40 313 2.9 1.356 424 151 1.102 345 72 1.11 计算缸内最大实际气体力并核算活塞杆直径 气缸直径的圆整，活塞杆直径的选取及各级吸排气压力的修正都直接影响到气体力，需重新计算如下： 1.11.1 第列 (第级 ) （ 1）活塞面积 盖侧： 2 2 4 20 . 3 7 1 0 7 5 1 044IgI DFm 轴侧： 4 4 20 . 1 0 7 5 1 9 . 6 2 5 1 0 1 0 5 5 1 0Z I g I dF F f m （ 2） 压力 0 .1 3 4sIP M P a 0 .4 3 7dIP M P a （ 3）气体力 外止点： 22 0 . 1 3 4 9 7 9 1 0 0 . 4 3 7 9 9 9 1 03 0 5 3 8s I Z I d I g IIP P F P FN 外 内止点： 22 0 . 4 3 7 9 7 9 1 0 0 . 1 3 4 9 9 9 1 02 9 3 9 5d I Z I s I g IIP P F P FN 内 东北石油大学本科生课程设计 11 1.11.2 第列 (第级 ) （ 1）活塞面积 盖侧： 2 2 4 20 . 2 1 3 4 6 1 044IIg I I DFm 轴侧： 4 4 20 . 0 3 4 6 1 9 . 6 2 5 1 0 3 2 6 1 0Z I I g I I dF F f m （ 2） 压力 0 .4 5 6sIIP M P a 1 .3 2 3dIIP M P a （ 3）气体力 外止点： 22 0 . 4 5 6 2 3 7 1 0 1 . 3 2 3 2 5 7 1 02 3 1 9 3s I I Z I I d I I g I IIIP P F P FN 外 内止点： 22 1 . 3 2 3 2 3 7 1 0 0 . 4 5 6 2 5 7 1 01 9 6 3 6d I I Z I I s I I g I IIIP P F P FN 内 由以上计算表明，最大气体力 在第 列外止点（ -30538N），约为 31 吨 ，没有超过活塞杆的允许值，可用。 1.12 复算排气量 气缸直径圆整后，压力比发生变化，引起容积系数相应的变化。 1 1 1 . 11 ( 1 ) 1 0 . 0 8 ( 3 . 2 6 1 1 ) 0 . 8 4 6mV I I I 1 1 1 . 11 ( 1 ) 1 0 . 1 1 ( 2 . 9 1 ) 0 . 8 2 0mV I I I I I I 如其它系数不变，则排 气系数为： 0 . 8 4 60 . 7 9 0 . 7 6 70 . 8 7 1VIII VI 0 . 8 2 00 . 7 7 2 6 0 . 7 5 10 . 8 4 4V I II I I I V I I 经上述修正后的排气量为： 30 . 0 3 8 0 . 7 6 7 5 3 3 1 5 . 5 3 / m i nd h I IV V n m 计算结果与题目要求接近，说明所选用的气缸是合适的。 东北石油大学本科生课程设计 12 1.13 计算功率，选取电机 1计算各级指示功率 1 ( 1 )1 6 0k ki k s k V k h k kknN P Vk 1 1 . 4 16 1 . 4( 1 )1 6 01 . 4 5 3 30 . 1 3 4 1 0 0 . 8 4 6 0 . 0 3 8 ( 3 . 2 6 1 1 )1 . 4 1 6 05 3 . 8kki I s I V I h I IknN P VkKW 1 1 .