CC BY
9
удтей?.1 ?.?.
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ УГЛОООЙ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ К ОЛ 111Ч АТ О Г О БАЛА НА РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ ПОРШНЕЗОИ ГИБРИДНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
ОэЬЫИНО! ОДЬЙСИЗИИ
И. Э. Лобов1. В. Е. Шерба . В. В. Шалай\ А. В. Григорьев^. Е. А. Пазлюченко^ 'АО « Омский ¿сеид транспортного машиностроения», г. Омск. Россия Омский аосударс/пеенный технический университет, а Омс к. Россия
Аннотация - В стать* представлены результаты численного эксперимента провезенного с помсшью разработанной математической модели рабочих процессов новой перспективной конструкции поршневой гибридной энергетической машины объемного действия. Проведен анализ влияния скорости вращения киленчлюю ьалм н<1 рабочие ирш«иы. ¿нер! етчыкие и р.и"\и_шые харакдерт 1 ики пиршневии ш-
брпдисй энергетической мпшпвы обьошого действия. В результате проведанного анализа оиредгтено. что ч-всличспнс угловой скорости вращения коленчатого вала приводат к увеличению расхода жидкости, уволил с ппю равномерности подали газа п уменьшению пидпкпорпого изотермического КПД и коэффн ппентл подави ПГЭМОД.
Ключевые гллла: компрессор, рабочие процеггы, отлаждрнпе. гибридная машина.
I. В-Й:ДК.4М~.
В насгояшее время на предприятиях производства нефтехимических продуктов существует потребность использования и получения сжатых газов. Основными средствами получения сжатых газов в большинстве данных случаев выступают поршневые компрессоры Существенной экономичностью при получении сжатых газов по сравнению с компрессорами иблацнкл гибридные энергетические машины ибьемиш и дсйсшия Высоких экономично егь их работы, прежде всего, связана с интенсивным охлаждением сжимаемого газа, ннзким количеством утечек газа и пониженным значением работы сил грек н.э.
П. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
На сегодняшний день известно большое количество конструктивных исполнений поршневых гибридных энергетических машин (ПГЭМОД). имоиших определенные особенности работы [1]. Так. дохирамн рабихы [2] была предложена идея использования энергии колебаний давления газа в линии нагнетания компрессорной секции дтя фзтнецнокнревзния насосной се клин ПГЭМОД (рис. 1)
Описание конструкции.
Конструкция ПГЭМОД. представленная на рис 1. отличается простотой исполнения, способностью работать на высоких частотах врашения. высоким ресурсом работы насосной секции.
Рис. 1 Принципиальная схема поршневой гибридной энергетической машины, использующее колебания давления газа в липни пап:ета1шя
Работа машины заключается в периодическом возникновении скачка (за счет новой порцнн газа в процессе пи нагнгтини») лздлгния гхы к регингрг 4, ирикодищгп» к п]хггил&иканик) жидммтги Hrjtr.4 клянхн фубогро-коды ?.. 1 и руПмшгчжк*. пропрннпко 1 к jK-ruHrji 6 ТТфггскание ЖИДК1Х ги и< рггикгри (1 сбригно к рггингр 4 происходит за счет последующего уменьшения даьлеиня в ресивере 4, обусловленного постоянным истечением газа через трубопровод 10 при протекании процессов обратного расширения, всасывания н сжатия в компрессорной сехшш 111 JMUJ [подача газа в ресивер Л отсутствует).
Ш. ТЕ0П1Я
Математическая модель.
На основе современных методик моделирования рабочих пргтгеггпв портттневлго комттресггра и ПГЭМОД [3. -1] была разработана математическая модель рабочих процессов исследуемой ПГЭМОД [5]. Данная модель объединяет модс.ш рабочих процессов компрессорной н насосной секции. ь 1акже модели движения хаза л со-едкшгтелыюм трубопроводе 9. Разрабо-ташгая математическая модель базируется па фундаментальных законах сохранения массы, движения и энер] ин и уравнениях состояния длх нцеа.тьшно г<иг и реальн ой жидкое лк
Расчет нестационарного одномерного движения газа проводился методом «крупных частиц.> Системы обыкновенных дну ференциальных уравнений уешалнсэ методом Эйлера.
Адекватность разработанной математической модели подтверждается использованием фундаментальных законов сохранения массы, движения и энергии, а также проверенным комплексом экспериментальных исследований [2].
Разработанная математическая модель позволяет провести анализ влияния основных конструктивных н режимных параметров на характериттт раолты портпнеялй гибридной v-тергетическлй машины
В качсствс базового варианта для лрозеденпя анализа принимаем ПГЭМОД. имеющую следующие основные конструктивные размеры
Компрессорная секипя экспериментального образца ПГЭМОД: Цилиндр: диаметр цилиндра- 42 мм: ход поршня - 3S мм.
Всасиссаощий сазосглй ктгаист: диаметр седла 15 мм; диаметр тарелки 17 мм, ход 1,5 мм: жесткость иружины -4.23 Н'мм.
Hacvcmamon^uuu газовый клапан: диаметр седла - 10 мм; диаметр тарелки - 12 мм; ход - 1.5 мм; жесткость ир ужины - 4.7 Ну мм. кол-во - 2 шт.
Jpxoor.poeod Р о>г. компрессора до ресивера 4: внутренний диаметр - Я мм; длина - ЬЬО мм.
H.косная секция эксиериченшльиою обраша ПГЭМОД:
Ресиверы: диаметр цилиндра - 60 мм; высота цилиндра - 120 мм; диаметры входа жидкости или газа - 16
Жидкостный клетях: диаметр седла - 12 мм; диаметр тарелки - 14 мм; ход - 4 мм: жесткость пружины - 4
Гпдрстммг внутренний диаметр - б мм ллина трубопровода ? - 790 мм; длина трубопровода 5 - мм длила трубопровода 5 335 мм
IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Угловая сЕорость Еоленчатого вата является одним из двух основных режимных параметров, определяющих эффективность работы как кэсоса. так и компрессора. В настоящее время в поршневых компрессорах существ ye i генденция к повышению угловой скорос.и вращения коленчатого вала до 300С оо.'мин. что позволяет улучшить моссогзбарптные показзтелн изделия в ущерб его ресурсу
Рассмотрим работу ПГЭМОД в диапазоне частит от 110Э об/мин до 3GC0 об/мни. наиболее харак.ерной для поршневых хомлэессорных машин и отношении давлений € = 5.
На рис. 1 представлены индикаторные диаграммы и мгновенное давление в нагнетательной пслости при значениях лтловой скорости 11ЭЭ об/мин и 3000 об.'мин Из представленных результатов можно сделать следующие выводы:
I. Максимальное давление газа в раоэчей компрессорной полости с увеличением 11 оо увеличивается и при ¡7^- =3000об! мин его мгповеппое значение превышает 0,8 ХШа. Увеличиваются также относительные потери давления в процессах всасывания и нагнетании, а также относительные потерн работы в них.
7 При увеличении угловой скорости яратекия уменклгяетгя частота колеоачии при незначительном увеличении ампшггуды колебании.
Необходимо отметить что при п^ =1100o6f мгн в начале процесса нагнетания r полости нагнетания
наблюдаются колебания со значительной амплитудой и малой частотой, а затем эти колебания вырождаются в колебания с. болкгтей частотой и малой амплитудой При Г>м = 3000 об / мин ча.-тота колеланий давления в
полости нагнетания остается постоянной на протяжении всего цикла, при этом амплитуда колебаний после процесса нагнетания уменьшается.
Рс'Рл <"«)
пннип
8ОООСО
SOOOCO
4000с0
зооосо
2000CQ
lOOOCO
pt,pml (Па)
900QCO
f и I \ f \ n . =1100об!MUH ос
А/ А ^ A f. A ¡s* : 1
V Л Л А .. Ал Л О,
г ■ л U» 1 m / № t t P -w V^ - w - - Ч \ \ H \
p ! f f \ ■
S У V P.
■■
уя п К/ 4.11) 4.S4 4,S'y S.41 .\Hh h VH 11.44 11.«/ 1.:J1 1,/h /\1H к> CIS
■зооосо
7000CÛ SOOOCO эОООСО 4IKKKII
зооосо
2000CÛ lOOOCO
о
w. = ШОоб l мин *e
1
■
f
■ * V ^"Ai Чг1
f ■
Р * Р У / Л ц s
(р. рад
ç.paô
3,22 3,67 4,'0 4,54 4.Ç7 5,41 5^85 6,28 0/4 0,87 1,31 1,75 2,18 2 62 3 05
Рис. 2 Зависимисш шновсшли давлении газа в рабочей дилосхи и з полости нагнетания ПГЭМОД от угла поворота коленчатого вала
На Рис. 3 (а) и (о) представлены зависимости изменения мгновенного давления в полости нагнетания и ресивере 4. Представленные результаты позволяют сделать вывод, что частота колебаний уменьшилась, колебания кяходггея к противофаге ал всех случаях и наблюдает* нмначитмгьнпе увеличение амплитуды колебаний сростом 7?^.
Пррдгтанлрнньте ча риг i (а) и 4 (fï) измерения ?лгнояенного давления r регинерях 4 и fi лг> углу псворо-а колеи чагою вала позволяли сделать следующие выводы.
1. Амплитуды колебаний давлений в рссивсрах 4 н 6 остаются примерно одинаковыми.
2. С увеличением углевой скорости наблюдается значительное уменьшение частоты колебании давления в ресивере 4. Колебания давления в ресивере 5 практически отсутствуют при различных значениях угловой скорости коленчатого вола.
Р н\ • Рн1 Ша)
ух>ха
44UJUU
4ЛЫШ
3.5Я \f7 4.10 IM 4JJ7 S.41 ЗД5 «.Ж 0.44 П.Й7 1.11 1.7.4 5.1 f ?«? ЯГИ
Ряс 3 (я) Зависимость мгновенного давления r нагнетательной лолосги и в ресивере 4 от угла поворота коленчатого вала
Рп^Рш гШа)
воохо
/ 4ÖOXO
Al
зоохзо 200ХЮ 100X30
- - __л А -- чо* л г—*
\ »
Р, 2
77 - - ЗОООоб/ЛШИ оо .....
<р.рид
<?. рад
¿.23 3.€7 1.0 <1.6-1 4J)7 6.-11 5.86 €.23 0.41 0.87 1.J1 1.76 2.16 2 62 3.06
?нс. 3 (б). Зависимость мгновенного давления в нзгнетзтельноп полсстн и в рсснвсрс 4 от угла поворота коленчатого вала
Р<.-Р,АПа)
520хю
ölOJUü
500X30
4{ОХХ)
4ЕОХЗО
470X30
4ЮХ0
Ря2
н-н
Ы
♦ itf
lAi
Pn 3
V
n . -1100 об/мин
('), ptHi
0.23 3.e7 4. 0 4.54 -4B7 5.41 5.05 6.2Э 0.-44 0.07 1.31 1.75 2.1 С 262 105
Рис -1 (а). Зависимости мгиовешюго дапленпя в ресиверах 4 и 6 от угла поворота коленчатого вала
56Э00С 55Э00С
.14 нии SODOOC 62D00C ni иии SODOOC •lODOOC 49Э00С 47500C
Pul \ 'S \ ч
■ л
с ......■ < L— \ f
114+4 / •V ./ Н44, \ (
w ■ /4/ v
P V
п . =3000об/мин 1С
(р. рад
:<;n :<.«. 4.111 «>/ r>4i лж» л-м 144 ац/ ,4i \л» V.IK V.«V ?.ОЛ
Рнс 4 (с). Зависимости мгновенного давления в ресиверах 4 п 6 ог угла поворота коленчатого вала
3. На фазе нагнетания газз в компрессорное полости давление рк1 превышает давление в ресивере б ры}. Ззтем следует участок примерно одинакового по амплитуде превышения давления между- pi2 и рп3 и наоборот. Ка участке от ç = 3.23 до ç = 5S5 давлеппе риЪ превышает давление ptl2. При v.^ = ЗООО OD f J4UU стог участок чуть сдвинут по углу повсротз волепчагого вала па величину Ф = U.26
VMp-ныпгние члгкпы колебаний .цикл гни* р^ ii¡)hx:v,hi к уменьшению мжткггм ммгбхчий гкоршгей
н Vw (рис. 5 (а) н (6)). Увеличение амплитуды колебаний давления в рсснвсрс 4 н б с увеличением п^ приводит к увеличению амплитуды колебаний скоростей Vlv и ViXJ. Колебания скоростей V-2w н Víw по амплитуде происходит четко в противофазе.
R ijhiirrcr нагагпиним имплшуди ницхнгги макгиыялчна и :<я!гм iqkihi xd/ihi ег :<и1ухаьие (с:м риг î
(Ь)). IViia наблюдаем три всплеска скорости V2„ с постепенным затуханием амплитуды. Здесь х<е мы шштм четыре всплеска скорости F,v, с постепенным наращиванием амплитуды
3.10-2
5-02
25 10"' 2 • Ю-2 15 Ю-2
1 - ю-'
=4:
Е 02 ■
=-02
=-Ui-
M
rw
/
-
/
-1"
н, =1100од/мин
* К i
5 10"=*
V. (л/Уг)
™v '0
Рнс. 5 (а) Зависимость мгновенных скоро стей к от угла поворота коленчатого вала
S.SS S,b/ ¿,1J 4,S4 4.У/ í>/11 «,28 U44 U,B/ 1,31 1,/!> 2,1« 3,0>
(р. pao
3-Ю"2 ?„.«;. 1 о-2 2•10-* 15 • Ю-2 1 - '.О-2
п = 3000 об} мин 00
г»
I*
\ / \\ / 1 \ \ \
/ / V ! 1 1 ; | Л Г 1 / / >-т т
ь г £ 1 т — Г 1 <......... / и.
<р. рад
о 367 4,10 ¿54 4 07 5,41 5,35 6,28 О,-" С,37 1,31 1.75 2,18 2,62 3,С5
Рис. (б). Зависимость мгновенных скоростей У2ч. а У^ от утла попорота коленчатого вала.
Ияллженньте вылте аспекты приводят V увеличению средних скоростей У3„ср и У^гр ^ увеличением угло-вой скоросп-: коленчатого вала равномерность подачи газа к потребителю увеличивается Данное явление связано с тем, что обратное течение газа при п^ = 3000об1 мин практически отсугсп^ет. а при п^ = 1100г?г5/ мин обратное течение газа весьма значительное
Несмотря па то что расход охлаждающей жидкости с увеличением увеличивается. отношение мае сового расхода ждцкости к расходу газа С^У О, уменьшается, т.к увеличение расхода газа происходит быстрее чем увеличение расхода ахла-кдаюшей аидгогти рис 6)
сс
8М.
5С
4с
СС
л.
1С
■
Ч V. X ч ш. с
V \ ч ■
в /( \ ■
^ ■
1С 1,6 1.4
1.2 1
э,£
0,6 г),4
0.2 Г)
11с0
1300
2000
зооо
"об
Рис б. Зависимости относительного расхода охлаждающей жидкости и неравномерности подачи газа к потребителю от угловой скорости коленчзтого вала
Увеличение потерь работы в процессах всасывания н нагнетания, а также уменьшение количества отводимой теплоты приводит к уменьшению индикаторного изотермического КПД и коэффициента подачи ПГЭМОД (рис. 7)
^^анб.яг 0,6
0,5
0,4
0,3
0,2-------
0,1-------
0-1------
1 ЮС 1300 2D00
Рис. 7. Зависимость коэффициента подачи и индикаторного изотермического КПД от угловой скорости коленчатого вала
V. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных исследований теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что расход охлаждающей жидкости в насосной секции увеличивается при увеличении угловой скоросш вращения коленчатого вала. Увеличение угловой скорости вращения коленчатого вала также приводит к увеличению равномерности подачи газа, уменьшению индикаторного изотермического КПД и коэффициента подачи ПГЭМОД.
Прикладные научные исследования проводятся при финансовой поддержке государства в лице Мииобрнау-ки России. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57414X0068.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Щерба В. Е.. Болштянскин А. П.. Шалан В. В., Ходорева А. В. Насос-компрессоры. Рабочие процессы и основы проектирования. М.: Машиностроение. 2013. 3SS с.
2. Лобов И Э Разработка и экспериментальное исследование системы охлаждения поршневого компрессора, основанной на колебательных явлениях газа в линии нагнетания Н Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2015. № 3(143). С 145-149.
3. Пластинин П. И. Поршневые компрессоры. Теория и расчет. М.: Колос. 2000. Т. 1. 456 с.
4. S cher 1.1 а V. Е., Shalai V. V_, Pavljuchenko Е. A. [et al.]. Work Process Calculation of Rotary Hybrid Energy Converting Displacement Machines H Procedía Engineering. 2015. Vol. 113. P. 219-227.
5. Лобов И. Э. Щерба В. Е. Разработка и расчет системы жидкостного охлаждения поршневого компрессора на основе использования колебаний давления газа на нагнетании И Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2016 № 4 С. 19-25.
