流體機(jī)械大作業(yè)

1、活塞式壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)說明姓名：韓景川班級：過控1101班學(xué)號：201102060105指導(dǎo)老師：孟祥愷時(shí)間：2014.5.19目錄1.題目22.設(shè)計(jì)計(jì)算3一、計(jì)算各級的行程容積 3二、計(jì)算各級名義壓力和名義壓力比 4三、排氣溫度 4四、第一次精度計(jì)算 6五、第一次復(fù)算 7六、第二次復(fù)算 9七、修正排氣溫度 10八、排氣量計(jì)算 10九、計(jì)算功率并核算電機(jī)功率是否適當(dāng) 12十、示功圖繪制 14十一 、綜合活塞力的計(jì)算 18十二、活塞力圖的繪制 24十三、切向力計(jì)算及切向力圖的繪制 29十四、參考書目 321.題目：復(fù)算19WY-9/150型氫氦氣壓縮機(jī)在目前操作條件下的各級壓力、排氣溫度、排氣量、功

2、率，作出計(jì)算示功圖、切向力圖、活塞力圖、標(biāo)明最大活塞力與切向力，核算配用電機(jī)功率是否適當(dāng)？2.19WY-9/150型氫氦氣壓縮機(jī)簡介19WY-9/150型氫氦氣壓縮機(jī)是我省投產(chǎn)3000噸小型化肥廠的氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)，二列之間為飛輪，由電機(jī)通過三角皮帶拖動。壓縮機(jī)為臥式、兩列、門型、四線壓縮。原料（半水煤氣）經(jīng)脫硫后進(jìn)入I級，經(jīng)I級壓縮后送去變換、水洗、碳化，碳化后為碳化氣。碳化氣返回II級、III、IV級壓縮后去洗銅、合成。3.目前操作條件與有關(guān)數(shù)據(jù)（1）操作條件：吸氣壓力：0.15MPa（絕）排氣壓力：16.0MPa（絕）I級出口與II級進(jìn)口壓力差為DP=0.09MPa吸氣溫度：級IIIIIII

3、VTs()30354040I級進(jìn)口相對濕度F=1（2）氣體組成組分N2H2CO2COO2ArCH4半水煤氣0.210.390.120.260.0050.00450.0105碳化氣0.2370.7090.0050.0290.0030.0050.012（3）有關(guān)數(shù)據(jù)：活塞行程：S=310mm(見注1)，活塞桿直徑d=60mm轉(zhuǎn)速：n=205rpm(見注2)，連桿長度l=700mm；I、IV列超前II、III列90度往復(fù)運(yùn)動件重量：IIV列210.9kg；IIIII列193.7kg級IIIIIIIV直徑D34021013565相對余隙a0.0650.150.160.1抽氣系數(shù)m10.890.890.

4、89飛輪矩GD2為471.0kgm2，配用電機(jī)額定功率：155kw。設(shè)計(jì)計(jì)算一 . 計(jì)算各級的行程容積。I級：II級：III級：IV級：二 計(jì)算各級名義壓力和名義壓力比已知 三 排氣溫度 1 .絕熱指數(shù)計(jì)算首先需算出各氣體的絕熱指數(shù)，查活塞式壓縮機(jī)附表1常用氣體物理性質(zhì)得：各氣體絕熱指數(shù)組分絕熱指數(shù)1.401.411.311.401.401.681.32注：表中所列的氣體絕熱指數(shù)為時(shí)的參數(shù)，但對于理想氣體絕熱指數(shù)的大小與溫度的關(guān)系不大，顧可不考慮溫度的影響，可把k看做是常數(shù)?；旌蠚怏w的k值計(jì)算式為：。對于半水煤氣來說有:同理對碳化氣有：所以。 2 計(jì)算排氣溫度 由式可得級次吸氣溫度排氣溫度壓力

5、比I303442.043.844II308486.374.864III313447.813.456IV313379.921.956四 第一次精度計(jì)算 1 各級容積系數(shù) 根據(jù)過程流體機(jī)械表2-1計(jì)算膨脹指數(shù)m得： 對于理想氣體，容積系數(shù) 2 計(jì)算工況系數(shù)C和精度B 由 精度不達(dá)標(biāo) 進(jìn)行第一次復(fù)算五 第一次復(fù)算 1. 計(jì)算各級進(jìn)出口壓力 由式計(jì)算各級壓力 2 計(jì)算各級壓力比 3 確定膨脹系數(shù) 根據(jù)過程流體機(jī)械表2-1計(jì)算膨脹指數(shù)得： 4 計(jì)算容積系數(shù) 5 計(jì)算工況系數(shù)和精度 精度不達(dá)標(biāo) 進(jìn)行第二次復(fù)算六 第二次復(fù)算 重復(fù)第一次復(fù)算步驟 ，列出計(jì)算結(jié)果如下表 級IIIIIIIV進(jìn)氣壓力0.150.5

6、3542.25596.7728排氣壓力0.62542.25596.772816壓力比4.1694.2133.0022.362容積系數(shù)0.85030.69830.80040.9157工況常數(shù)0.046240.046950.046610.04632精度0.98>0.97七 修正排氣溫度 由式，可得 級次吸氣溫度排氣溫度壓力比I303452.214.169II308466.604.213III313429.963.002IV313401.192.362八 排氣量計(jì)算 1 容積系數(shù) 2 確定壓力系數(shù)對于第一級，壓力系數(shù)可取為0.950.98，顧?。粚τ谄溆喔骷?，壓力系數(shù)可取為0.981，顧??；

7、3 確定溫度系數(shù) 根據(jù)各級壓力比，查過程流體機(jī)械圖2-12可得： ； ； ； 4 確定泄露系數(shù)對于泄露系數(shù)的選取，有如下規(guī)則：對于不嚴(yán)密，延遲關(guān)閉的閥門：；對于單作用式氣缸的活塞環(huán)：；對于雙作用式氣缸的活塞環(huán)：；對于填料，j為級次。泄露系數(shù)計(jì)算表級次IIIIIIIV氣閥I0.02II0.02III0.02IV0.02活塞環(huán)I0.009II0.009III0.03IV0.03填料I0.0005II0.00100.0010III0.00150.00150.0015IV0.00200.00200.00200.0020總相對泄漏量0.03400.03350.05350.052泄露系數(shù)0.96710.9

8、6760.94920.9506 5 綜上并且將結(jié)果列表如下級次行程容積（）容積系數(shù)壓力系數(shù)溫度系數(shù)泄露系數(shù)轉(zhuǎn)速n（r/min)I0.054380.85030.970.940.9671 228II0.017040.69830.990.940.9676III0.003560.80040.990.950.9492IV0.001030.91570.990.960.9506 6 計(jì)算排氣量 由式，并代入上表數(shù)據(jù)可得 九 計(jì)算功率并核算電機(jī)功率是否適當(dāng) 1 計(jì)算各級指示功率和總指示功率 計(jì)算相對壓力損失 根據(jù)各級進(jìn)排氣壓力，查過程流體機(jī)械圖2-14可得： 計(jì)算實(shí)際循環(huán)指示功率 由公式 總指示功率 2 計(jì)算

9、軸功率 取機(jī)械效率 則軸功率 3 計(jì)算驅(qū)動機(jī)功率 取傳動效率 則驅(qū)動機(jī)功率 考慮到實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中壓縮機(jī)會受到載荷波動，氣體泄漏等因素影響，會引起功率的增加，驅(qū)動機(jī)因留有的儲備功率，故所選用壓縮機(jī)的功率為,取壓縮機(jī)功率為1100kW，而配用電機(jī)額定功率為155kW ，故不適當(dāng)。十 示功圖繪制示功圖及壓力指示圖是壓縮機(jī)循環(huán)過程在P-V圖上的表示，從圖中可反映出循環(huán)的功耗。在作示功圖時(shí)，可將膨脹變壓和壓縮變壓過程可看做是絕熱膨脹和壓縮過程，其體積和壓力之間存在著關(guān)系式：，C為常數(shù)。對于I,II,III,IV級汽缸，其相關(guān)參數(shù)列表如下：級次IIIIIIIV行程容積0.054380.017040.0035

10、60.00103相對余隙容積0.0650.150.160.1余隙容積0.0035350.0025560.00056960.000103容積系數(shù)0.85030.69830.80040.91570.046240.011900.0028490.0009432絕熱指數(shù)1.38981.40611.40611.40610.057920.019600.004130.001130.02070.007050.00190.000610.0035350.0025560.00056960.0001030.011680.0076960.0012810.000190 利用Matlab畫出示功圖，圖及程序如下：第一級：&g

11、t;> x1=0.01168:0.00001:0.05792;>> y1=0.15;>> x2=0.0207:0.00001:0.05792; >> y2=0.15*0.057921.3898.*x2.(-1.3898); >> x3=0.003535:0.00001:0.0207;>> y3=0.6254;>> x4=0.003535:0.00001:0.01168; >> y4=0.6254*0.0035351.3898.*x4.(-1.3898);>> plot(x1,y1,x2,y2,

12、x3,y3,x4,y4)第二級：>> x1=0.007696:0.00001:0.01960;>> y1=0.5354;>> x2=0.00705:0.00001:0.01960; >> y2=0.5354*0.019601.4061.*x2.(-1.4061);>> x3=0.002556:0.00001:0.00705;>> y3=2.2559;>> x4=0.002556:0.00001:0.007696; >> y4=2.2559*0.0025561.4061.*x4.(-1.4061);&

13、gt;> plot(x1,y1,x2,y2,x3,y3,x4,y4)第三級：>> x1=0.001281:0.00001:0.00413;>>y1=2.2559;>>x2=0.0019:0.00001:0.00413; >> y2=2.2559*0.004131.4061.*x2.(-1.4061);>>x3=0.0005696:0.00001:0.0019;>> y3=6.7728;>> x4=0.0005696:0.00001:0.001281; >> y4=6.7728*0.000569

14、61.4061.*x4.(-1.4061);>> plot(x1,y1,x2,y2,x3,y3,x4,y4)第四級：>> x1=0.000190:0.00001:0.00113;>>y1=6.7728;>>x2=0.00061:0.00000001:0.00113; >> y2=6.7728*0.001131.4061.*x2.(-1.4061);>>x3=0.000103:0.00001:0.00061;>>y3=16;>>x4=0.000103:0.00000001:0.000190; >

15、> y4=16*0.0001031.4061.*x4.(-1.4061);>>plot(x1,y1,x2,y2,x3,y3,x4,y4)十一 綜合活塞力的計(jì)算 綜合活塞力為活塞中的氣體力、往復(fù)慣性力和往復(fù)摩擦力的代數(shù)和 1 氣體力計(jì)算 確定蓋側(cè)面積和軸測面積 活塞運(yùn)動分析 活塞的位移公式為： 活塞的加速度為：式中：其中I-IV列運(yùn)動的角度為，II-III列為，以 II-III列為例，則蓋側(cè)對應(yīng)于氣缸容積的活塞當(dāng)量位移：軸側(cè)對應(yīng)于汽缸容積的活塞當(dāng)量位移： 計(jì)算任意過程中的某處壓力 膨脹過程： 吸氣過程： 壓縮過程： 排氣過程： 其中余隙容積的當(dāng)量行程 I-IV列 氣體力計(jì)算 蓋

16、側(cè)氣體力計(jì)算 膨脹過程: 吸氣過程： 壓縮過程： 排氣過程 ：軸側(cè)氣體力計(jì)算 壓縮過程： 排氣過程：膨脹過程：吸氣過程 II-III列 氣體力計(jì)算 蓋側(cè)氣體力計(jì)算 膨脹過程:吸氣過程 壓縮過程 排氣過程 ： 軸側(cè)氣體力計(jì)算 壓縮過程： 排氣過程 ：膨脹過程: 吸氣過程：2 往復(fù)慣性力的計(jì)算 對I-IV列 對II-III列3 往復(fù)摩擦力的計(jì)算 取，式中為第i列指示功率；為壓縮機(jī)的機(jī)械效率；s為活塞行程，n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速 對I-IV列 對II-III列 十二 活塞力圖的繪制1）由以上的計(jì)算結(jié)果，利用matlab繪制I-IV列活塞力圖及程序如下：蓋側(cè)活塞力程序及Matlab圖：>> a1=

17、0:0.0001:0.5793;b1=-(3.072./(5.501-cos(a1)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).(1./2).1.3898+5.285./(5.569-cos(a1)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).(1./2).1.4061);a2=0.5793:0.0001:pi;b2=-35.61;a3=pi:0.0001:5.01;b3=-(35.906./(5.501-cos(a3)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a3).2).(1./2).1.3898+65.163./(5.569-cos(a

18、3)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a3).2).(1./2).1.4061);a4=5.01:0.0001:2.*pi;b4=-107.79;plot(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4)蓋側(cè)活塞力軸測活塞力Matlab程序及Matlab圖：>> a1=0:0.0001:1.84;b1=36.107./(-3.25+cos(a1)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).0.5).1.3898;a2=1.84:0.0001:pi;b2=54.98;a3=pi:0.0001:3.915;b3=3.089./(-3.25+cos

19、(a3)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a3).2).0.5).1.3898;a4=3.915:0.0001:2.*pi;b4=13.19;plot(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4)軸測氣體力圖摩擦力和往復(fù)慣性力Matlab程序及Matlab圖：>> a1=0:0.0001:2.*pi;b1=16.32;a2=0:0.0001:2.*pi;b2=19.24.*(cos(a2)+0.2286.*cos(2.*a2);plot(a1,b1,a2,b2)摩擦力和往復(fù)慣性力圖綜合活塞力的matlab程序及matlab圖：>> a1=0:0.0

20、001:0.5793;b1=-(3.072./(5.501-cos(a1)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).0.5).1.3898+5.285./(5.569-cos(a1)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).0.5).1.4061)+36.107./(-3.25+cos(a1)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).0.5).1.3898+19.24.*(cos(a1)+0.2286.*cos(2.*a1)+16.32;a2=0.5793:0.0001:1.8392;b2=-35.61+36.107./(

21、-3.25+cos(a2)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a2).2).0.5).1.3898+19.24.*(cos(a2)+0.2286.*cos(2.*a2)+16.32;a3=1.8392:0.0001:pi;b3=-35.61+54.98+19.24.*(cos(a3)+0.2286.*cos(2.*a3)+16.32;a4=pi:0.0001:3.9151;b4=-(35.906./(5.501-cos(a4)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a4).2).0.5).1.3898+65.163./(5.569-cos(a4)-4.375.*(1

22、-0.052245.*(sin(a4).2).0.5).1.4061)+3.089./(-3.25+cos(a4)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a4).2).0.5).1.3898+19.24.*(cos(a4)+0.2286.*cos(2.*a4)+16.32;a5=3.9151:0.0001:5.01;b5=-(35.906./(5.501-cos(a5)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a5).2).0.5).1.3898+65.163./(5.575-cos(a5)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a5).2).0.5).1.4

23、061)+13.19+19.24.*(cos(a5)+0.2286.*cos(2.*a5)+16.32;a6=5.01:0.0001:2.*pi;b6=-107.79+13.19+19.24.*(cos(a6)+0.2286.*cos(2.*a6)+16.32;plot(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4,a5,b5,a6,b6)綜合活塞力圖綜合活塞力的最大值約在1.8弧度的位置，其大小約為25kN2） 由以上的計(jì)算結(jié)果，利用matlab繪制II-III列活塞力圖及程序如下：蓋側(cè)活塞力程序及Matlab圖：>> a1=0:0.0001:0.9934;b1=-78.14.

24、*(0.29./(5.666-cos(a1)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).0.5).1.4061;a2=0.9934:0.0001:pi;b2=-18.55;a3=pi:0.0001:5.299;b3=-18.55.*(2.23./(5.666-cos(a3)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a3).2).0.5).1.4061;a4=5.299:0.0001:2.*pi;b4=-78.14;plot(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4)蓋側(cè)活塞力軸測活塞力Matlab程序及Matlab圖：>> a1=0:0.000

25、1:1.7926;b1=10.88.*(2.23./(-3.084+cos(a1)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).0.5).1.4061+25.92.*(2.25./(-3.065+cos(a1)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).0.5).1.4061;a2=1.7926:0.0001:pi;b2=123.66;a3=pi:0.0001:4.211;b3=45.84.*(0.29./(-3.084+cos(a3)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a3).2).0.5).1.4061+77.82.*(0.31./

26、(-3.065+cos(a3)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a3).2).0.5).1.4061;a4=4.211:0.0001:2.*pi;b4=36.80;plot(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4)軸測氣體力圖摩擦力和往復(fù)慣性力Matlab程序及Matlab圖：>> a1=0:0.0001:2.*pi;b1=16.46;a2=0:0.0001:2.*pi;b2=17.67.*(sin(a2)+0.2286.*cos(2.*a2); plot(a1,b1,a2,b2) 摩擦力和往復(fù)慣性力圖綜合活塞力的matlab程序及matlab圖：>

27、> a1=0:0.0001:0.9934;b1=-78.14.*(0.29./(5.666-cos(a1)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).0.5).1.4061+10.88.*(2.23./(-3.084+cos(a1)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).0.5).1.4061+25.92.*(2.25./(-3.065+cos(a1)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).0.5).1.4061+16.46+17.67.*(sin(a1)+0.2286.*cos(2.*a1);a2=0.9934:

28、0.0001:1.7926;b2=-18.55+10.88.*(2.23./(-3.084+cos(a2)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a2).2).0.5).1.4061+25.92.*(2.25./(-3.065+cos(a2)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a2).2).0.5).1.4061+16.46+17.67.*(sin(a2)+0.2286.*cos(2.*a2);a3=1.7926:0.0001:pi;b3=-18.55+123.66+16.46+17.67.*(sin(a3)+0.2286.*cos(2.*a3);a4=pi:0.0

29、001:4.211;b4=-18.55.*(2.23./(5.666-cos(a4)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a4).2).0.5).1.4061+45.84.*(0.29./(-3.084+cos(a4)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a4).2).0.5).1.4061+77.82.*(0.31./(-3.065+cos(a4)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a4).2).0.5).1.4061+16.46+17.67.*(sin(a4)+0.2286.*cos(2.*a4);a5=4.211:0.0001:5.299;b5

30、=-18.55.*(2.23./(5.666-cos(a5)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a5).2).0.5).1.4061+36.80+16.46+17.67.*(sin(a5)+0.2286.*cos(2.*a5);a6=5.299:0.0001:2.*pi;b6=-78.14+36.80+16.46+17.67.*(sin(a6)+0.2286.*cos(2.*a6); plot(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4,a5,b5,a6,b6)綜合活塞力圖綜合活塞力的最大值約在1.8弧度的位置，其大小約為135kN。十三、切向力計(jì)算及切向力圖的繪制由化工機(jī)

31、器P72公式得切向力的公式為：式中：為列的綜合活塞力，T為切向力由以上公式和已算得的綜合活塞力，使用Matlab容易得、列的切向力圖：>> a1=0:0.0001:0.5793;b1=(-(3.072./(5.501-cos(a1)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).0.5).1.3898+5.285./(5.569-cos(a1)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).0.5).1.4061)+36.107./(-3.25+cos(a1)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).0.5).1.3898

32、+19.24.*(cos(a1)+0.2286.*cos(2.*a1)+16.32).*(sin(a1)+0.2286.*sin(2.*a1)./(2.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).0.5);a2=0.5793:0.0001:1.8392;b2=(-35.61+36.107./(-3.25+cos(a2)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a2).2).0.5).1.3898+19.24.*(cos(a2)+0.2286.*cos(2.*a2)+16.32).*(sin(a2)+0.2286.*sin(2.*a2)./(2.*(1-0.052245.*(s

33、in(a2).2).0.5);a3=1.8392:0.0001:pi;b3=(-35.61+54.98+19.24.*(cos(a3)+0.2286.*cos(2.*a3)+16.32).*(sin(a3)+0.2286.*sin(2.*a3)./(2.*(1-0.052245.*(sin(a3).2).0.5);a4=pi:0.0001:3.9151;b4=(-(35.906./(5.501-cos(a4)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a4).2).0.5).1.3898+65.163./(5.575-cos(a4)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a

34、4).2).0.5).1.4061)+3.089./(-3.25+cos(a4)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a4).2).0.5).1.3898+19.24.*(cos(a4)+0.2286.*cos(2.*a4)+16.32).*(sin(a4)+0.2286.*sin(2.*a4)./(2.*(1-0.052245.*(sin(a4).2).0.5);a5=3.9151:0.0001:5.01;b5=(-(35.906./(5.501-cos(a5)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a5).2).0.5).1.3898+65.163./(5.575

35、-cos(a5)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a5).2).0.5).1.4061)+13.19+19.24.*(cos(a5)+0.2286.*cos(2.*a5)+16.32).*(sin(a5)+0.2286.*sin(2.*a5)./(2.*(1-0.052245.*(sin(a5).2).0.5);a6=5.01:0.0001:2.*pi;b6=(-107.79+13.19+19.24.*(cos(a6)+0.2286.*cos(2.*a6)+16.32).*(sin(a6)+0.2286.*sin(2.*a6)./(2.*(1-0.052245.*(sin(a

36、6).2).0.5);plot(a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4,a5,b5,a6,b6)切向力圖I-IV列最大切向力出現(xiàn)在約為5.0弧度位置處，其大小約為78kN。由以上公式和已算得的綜合活塞力，使用Matlab容易得II-III列的切向力圖：>> a1=0:0.0001:0.9934;b1=(-78.14.*(0.29./(5.666-cos(a1)-4.375.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).0.5).1.4061+10.88.*(2.23./(-3.084+cos(a1)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).0.

37、5).1.4061+25.92.*(2.25./(-3.065+cos(a1)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).0.5).1.4061+16.46+17.67.*(sin(a1)+0.2286.*cos(2.*a1).*(sin(a1)+0.2286.*sin(2.*a1)./(2.*(1-0.052245.*(sin(a1).2).0.5);a2=0.9934:0.0001:1.7926;b2=(-18.55+10.88.*(2.23./(-3.084+cos(a2)+4.375.*(1-0.052245.*(sin(a2).2).0.5).1.4061+25.92.*(2.2