Термо-газодинамический и конструктивный расчет поршневого детандера

Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных

 и пищевых технологий

Факультет криогенной техники и кондиционирования

Кафедра криогенной техники

Курсовая работа

по курсу

«Расширительные машины»

на тему

 «Термо-газодинамический и конструктивный расчет поршневого детандера»

Выполнил: студент 442 группы

Бажухин А.В.

Принял: д.т.н., профессор

Прилуцкий И.К.

Санкт-Петербург

2010 год

Содержание

1.  Выбор диаметра цилиндра и начального давления……………………………………1

2.  Выбор типа газораспределения…………………………………………………………1

3.  Расчет плотности газа на входе в детандер…………………………………………….1

4.  Относительное мертвое пространство ступени ……………………………………….1

5.  Расчет выпускных окон……………………………………………………………….1-2

5.1.  Осевой размер выхлопных окон……………………………………………………1

5.2.  Расстояние между окнами…………………………………………………………..1

5.3.  Число выхлопных окон……………………………………………………………...1

5.4.  Суммарное сечение выхлопных окон……………………………………………...2

6.  Выбор конструкции клапана………………………………………………………….2-3

6.1.  Ориентировочная оценка требуемого суммарного сечения щели впускного клапана ступени детандера………………………………………………………….2

6.2.  Конструктивная проработка клапанов……………………………………………..3

7.  Расчет длины пружин……………………………………………………………………3

8.  Расчет глубины выборки в седле клапана в местах расположения пружин…………3

9.  Толщина клапанных плит……………………………………………………………….3

10.  Расчет реального мертвого пространства в клапане и в ступени детандера………...3

11.  Динамический расчет………………………………………………………………...3-10

11.1.  Определение газовых сил……………………………………………………...3-4

11.2.  Расчет сил инерции………………………………………………………………4

11.3.  Расчет сил трения……………………………………………………...……….4-5

11.4.  Определение суммарной силы……………………………..………………….5-6

11.5.  Определение тангенциальных сил……………………………………………6-8

11.6.  Расчет маховика……………………………………………...……………….9-10

Исходные данные:

Рабочее вещество:…………………………………… воздух;

Начальное (на входе в детандер) давление газа:…..  МПа;

Конечное (на выходе из детандера) давление газа:..  МПа;

Начальная температура газа:………………………..  К;

База Ш-0,25-3

Параметры базы:

 3;

Рис. 1 Кинематическая схема детандера

1.  Выбор диаметра цилиндра и начального давления

с учетом коэффициента запаса , получим:  тогда

2.  Выбор типа газораспределения

Комбинированное: самодействующий впускной клапан и выпускные окна.

3.  Плотность газа на входе в детандер

4.  Относительное мертвое пространство ступени

Принимаем равным 21%.

5.  Расчет выпускных окон

Профиль окон – круглые.

5.1.Осевой размер выхлопных окон

 

5.2.Расстояние между окнами

Примем  м;

5.3. Число выхлопных окон

Принимаем

5.4. Суммарное сечение выхлопных окон

6.  Выбор конструкции клапана

В качестве впускного клапана выбираем кольцевой комбинированный клапан с одной пластиной средним диаметром  мм.

6.1. Ориентировочная оценка требуемого суммарного сечения щели впускного клапана ступени детандера

где 0,08 ‹ М*‹ 0,16 и  0,5 ‹ μ_щ* ‹ 0,7 (принимаем М* = 0,15, μ_щ* = 0,5).

6.2. Конструктивная проработка клапанов

F_щ  F_щ*;

Выбираем F_щ = 6.4 см² – геометрическое сечение щели;

h_кл = 1 мм;

D₁ = 48 мм – средний диаметр пластины клапана;

z₁ = 6 – число пружин, действующих на 1 пластину;

b_пл = 8 мм – ширина пластины;

0,7 ‹ f_щ/f_c ‹ 0,95 (принимаем f_щ/f_c = 0,7), отсюда

         Действительный критерий скорости потока газа в клапане:

Определение предварительного натяга пружин h₀ для обеспечения закрытия клапана в заданной по углу поворота вала точке 2:

Примем h₀ = 1,6 мм;

В первом приближении находим, что C_пр = 413 Н/м.

7.   Расчет длины пружин

8.   Глубина выборки в седле клапана в местах расположения пружин

9.   Толщина клапанных плит

10.  Расчет реального мертвого пространства в клапане и в ступени детандера

 - мертвое пространство в седле впускного клапана;

; – линейное мертвое пространство;

11.  Динамический расчёт

   Динамический расчёт предназначен для определения размеров маховика, который обеспечит необходимое значение степени неравномерности вращения вала.

      Расчёт ведётся с шагом 15⁰ по углу поворота вала j. Результаты расчёта всех сил сведены в таблице 1.

11.1. Определение газовых сил:

   Так как все ряды детандера конструктивно одинаковы, то расчёт будет вестись только для одной ступени.

Газовая сила, действующая на поршень P_газ , находится из уравнения:

11.2.  Расчёт сил инерции

Силы инерции возвратно-поступательно движущихся поршневых групп описываются уравнением: