CC BY
27
10. А. с. 1550295 СССР, МТО 4 F 25 В 9/00. Холодильно-газовая машина / П. Д. Балакин, О. М. Троян (СССР) // Открытия. Изобретения. 1990. № 10.
БАААкин Павел Дмитриевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Машиноведение» Омского государственного технического университета (ОмГТУ). ЗГОННИК Ирина Павловна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Машиноведение» ОмГТУ.
КРАСОТИНА Аариса Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета.
Адрес для переписки: tmm@omgtu.ru
Статья поступила в редакцию 07.11.2017 г. © П. Д. Балакин, И. П. Згонник, А. В. Красотина
УДК 621.512
в. и. суриков в. р. ведрученко в. с. щербаков в. е. щерба а. ю. овсянников
Омский государственный технический университет, г. Омск
Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск
Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет,
г. Омск
повышение эффективности работы поршневой энергетической машины объемного действия с газовым объемом на всасывании путем использования колебания давления в нижней полости насосной секции
Статья посвящена проблематике повышения эффективности энергетической машины объемного действия поршневого типа. Основной целью работы является улучшение интенсивности охлаждения газа за счет увеличения амплитуды и скорости движения жидкости в рубашечном пространстве энергетической машины путем изменения давления в нижней полости насосной секции, служащей для слива охлаждающей жидкости. Для достижения поставленной цели, составлена математическая модель рабочих процессов, описывающая течение жидкости в рубашечном пространстве, а также изменение параметров газа в полостях машины.
Ключевые слова: поршневой компрессор, гибридная энергетическая машина, рабочие процессы, рабочая полость, рубашечное пространство, жидкостное охлаждение.
Введение. Увеличение потребления электриче- блему можно считать стратегической задачей. Так,
ской энергии и энергоресурсов, повышают актуаль- в статье 24 Федерального закона № 261-ФЗ [1] предъ-
ность проблемы энергосбережения. Энергетическая являются требования по сокращению энергетиче-
безопасность государства обеспечивается, в том ских ресурсов в размере трёх процентов ежегод-
числе и энергосбережением, поэтому данную про- но на предприятиях муниципальной и бюджетной
сферы. Программа Правительства РФ «Энергоэффективность и развитие энергетики» [2] предполагает сокращение издержек на все виды энергоресурсов.
Обзор литературы. Одним из основных путей повышения эффективности работы объёмных компрессоров и насосов является объединение их в единый агрегат, получивший название «гибридная энергетическая машина» [3]. При объединении насоса и компрессора достигается улучшение энергетических, расходных характеристик и масса-габаритных показателей [4 — 7]. Улучшение показателей компрессорной секции достигается за счёт улучшения охлаждения компилируемого газа, сокращения утечек и уменьшения работы сил трения в цилин-дропоршневой группе. Для насосной секции увеличивается кавитационный запас на всасывании и сокращается деформационная работа за счёт подвода теплоты от компрессорной секции.
Среди существующего многообразия конструктивных схем гибридных энергетических машин поршневая гибридная машина с газовым объёмом на всасывании, благодаря своей конструктивной простоте и высоким энергетическим показателям [8, 9] может рассматриваться как объект нашего исследования.
Анализируя существующие недостатки известной конструктивной схемы, можно выделить невысокий расход охлаждающей жидкости и, соответственно, невысокую среднюю скорость движения жидкости в рубашечном пространстве. Это обусловлено опусканием жидкости в рубашечном пространстве под действием сил тяжести. Для интенсификации процесса опускания жидкости допустим, что добавление газа над жидкостью в нижней полости насосной секции будет уменьшаться по некому гармоническому закону.
Теория метода. На рис. 1. представлена конструктивная схема поршневой гибридной энергетической машины с газовым объёмом на всасывании, у которой давление в нижней полости насосной секции уменьшается по гармоническому закону.
При разработке математической модели рабочих процессов компрессорной секции использовались основные фундаментальные уравнения сохранения энергии массы движения и уравнения состояния и дополнительные уравнения, изложенные в работе [10]. Система уравнений, описывающая движение жидкости в рубашечном пространстве и давление в нижней полости насосной секции, записывается в виде:
dW,
Р - Р
1 VО 1
Р!
д + 12)
- д ± д
Ак
11 + 12
d(l1 + I,) = W2d
АР = А ' + <в0т)
Данная математическая модель представлена уравнениями: уравнением скорости движения жидкости в рубашечном пространстве, уравнением текущей высоты жидкости в рубашечном пространстве, уравнением изменения давления в нижнем ресивере, уравнением текущего давления в нижнем ресивере.
Для проведения численного анализа выберем поршневую гибридную энергетическую машину, имеющую следующие основные параметры:
Рис. 1. конструктивная схема поршневой гибридной энергетической машины с газовым объёмом на всасывании
— сжимаемый газ — воздух;
— охлаждающая жидкость — вода;
— диаметр поршня — 0,047 м;
— ход поршня — 0,038 м;
— относительный мертвый объем — 10,52 %;
— диаметр внешней поверхности цилиндра — 0,070 м;
— диаметр внутренней поверхности рубашечного пространства — 0,080 м;
— длина подводящего трубопровода — 0,2 м;
— полная высота рубашки-охлаждения — 0,06 м;
— начальная высота жидкости в рубашечном пространстве — 0,04 м;
— диаметр подводящего жидкостного трубопровода — 0,008 м;
— номинальное давление всасывания — 0,1 МПа;
— номинальное давление нагнетания — 0,5 МПа;
— угловая скорость вращения коленчатого вала — 950 об/мин.
При проведении расчета рабочих процессов в рабочей полости компрессорной секции величина ф0 принималось равной п при т < 0. Величина ю0 равна угловой скорости коленчатого вала. Модуль величины А0 находится в пределах 0,01—0,02 МПа.
Рассмотрим влияние амплитуды колебания А0 на рабочие процессы и интегральные характеристики ПГЭМОД с газовым объёмом на всасывании.
Амплитуда колебания давления является одним из определяющих параметров изменения давления в нижнем ресивере и определяется величиной А0. Примем, что значения ф0 = п, а ю0 = ю, где ю — угловая скорость вращения вала. Величину А0 будем исследовать в диапазоне —15000 < А0 <+15000. Данная величина обусловлена практическими соображениями.
На рис. 2. представлен график зависимостей скорости воды и высоты подъёма воды от угла поворота для А0 = 0 и А0= — 10000 Па. Анализ графика показывает, что мгновенная скорость имеет положительные значения в моменты, когда жидкость поднимается вверх по рубашечному пространству и наоборот. Поднятие жидкости вверх происходит в диапазоне от 1,31 до 4,54 радиан.
о
Е >
РВ2 = Рвс + АР
Рис. 2. Зависимость мгновенной скорости и перемещения жидкости в рубашечном пространстве от угла поворота
коленчатого вала при различных амплитудах: 1, 4 — текущая высота, скорость жидкости в рубашечном пространстве при амплитуде А0 = 0 Па; 2, 3 — текущая высота, скорость жидкости в рубашечном пространстве при амплитуде А0 = -10000 Па
Рис. 4. Зависимость изменения высоты столба жидкости и относительной высоты столба жидкости от различных значений А0: 1 — кривая изменения высоты столба жидкости в рубашечном пространстве от различных значений А0; 2 — кривая изменения относительной высоты столба жидкости от различных значений А0
Г., м/с
105000 100000 95000 90000 85000 80000 75000 70000
X
Ч 2
ч ь /
J / 4 v
/ кА 3 Г ' ь
г к 4 -
3,23 3,67 4,10 4,54 4,97 5,41 5,85 6,28 0,44 0,87 1,31 1,75 2,18 2,62 3,05 ф, рад
Рис. 3. Зависимость мгновенного давления в полости всасывания и нижнем ресивере от угла поворота коленчатого вала:
1, 4 — зависимость изменения мгновенного давления
в полости всасывания, нижнем ресивере при амплитуде А = -10000 Па;
2, 3 — зависимость изменения мгновенного давления
в полости всасывания, нижнем ресивере при амплитуде А0 = 0 Па
Л - 0
,2 г" • • 0 ч
Г ч у ♦♦ • • 0 -• 0
n 67 4 V 10 4 97 ! ,41 5 28 ( 44 0 87 / 1 75 2 18 ; ,62 05 Ф - 0
\ ■/ 4 / /3 / • • 0 • • 0
\ 1 ■■ 0
- 0 -■■ 0
Рис. 5. Зависимость мгновенной скорости и перемещения жидкости в рубашечном пространстве от угла поворота коленчатого вала:
1, 3 — текущая высота, скорость жидкости в рубашечном
пространстве при амплитуде А0 = 0 Па;
2, 4 — текущая высота, скорость жидкости в рубашечном
пространстве при амплитуде А0 = 5000 Па
Чтобы увеличить скорость и высоту подъёма жидкости в рубашечном пространстве, необходимо увеличить разницу давлений в полости всасывания и нижнем ресивере. Для этого при подъёме воды давление Рв2 должно быть либо большим, либо
равным Р, что достигается на углах (1,75.....4,7),
рис. 3, что почти совпадает со значениями предыдущего графика. Благодаря этому, скорость поднятия увеличивается на 0,2 м/с. И наоборот, давление при опускании жидкости должно быть выше в полости всасывания Р , чем в нижней полости Рв2, что увеличивает скорость опускания до 0,6 м/с.
Резюмируя, можно выделить следующие выводы: уменьшение величины амплитуды приводит к увеличению поднятия жидкости и увеличению относительного хода рис. 4.
Также в этом случае увеличивается расход охлаждающей жидкости и относительных массовых расходов жидкости.
Увеличение интенсивности движения жидкости проводит к увеличению средней скорости жидкости в рубашечном пространстве.
Но увеличение параметров, представленных выше, приводит к увеличению относительных по-
терь давления в процессе всасывания и относительных потерь давления, обусловленных поднятием жидкости в рубашечном пространстве, что приводит к увеличению потерь работы.
Анализируя, можно сделать вывод, что, с одной стороны, увеличение интенсивности охлаждения приводит к увеличению X (коэффициента подачи) и п (индикаторного изотермического КПД), но, с другой стороны, потери на подъём жидкости приводят к уменьшению X и п. Потери составляют 12 % и 5 % соответственно.
На втором этапе сравниваются полученные результаты для нулевой амплитуды, с расчетами, произведенными для положительной амплитуды. Анализ рис. 5. показывает, что при положительных значениях амплитуды жидкость начинает движение вниз уже на угле 3,23, значение максимально положительной скорости при этом уменьшается.
Это происходит потому, что при движении жидкости в рубашечном пространстве, как в верхнюю, так и в нижнюю сторону, в отличие от отрицательных амплитуд, колебания давления в верхней и нижней частях находятся почти в противофазе (рис. 6).
р,
110000
' 1*2 '
/ 1 .....
и \ V А Л /
\ * д И х Гл / ¥
¥ N /v
1.75 2,1В 2.62 3.05
Рис. 6. Зависимость мгновенного давления в полости всасывания, нижнем ресивере от угла поворота коленчатого вала:
1, 4 — зависимость изменения мгновенного давления
в полости всасывания, нижнем ресивере при А0 = 5000 Па;
2, 3 — зависимость изменения мгновенного давления в полости всасывания, нижнем ресивере при Ао = 0 Па
Рис. 8. Зависимость мгновенной скорости и перемещения жидкости в рубашечном пространстве от угла поворота коленчатого вала:
1, 3 — текущая высота, скорость жидкости в рубашечном
пространстве при А0 = —5000 Па;
2, 4 — текущая высота, скорость жидкости в рубашечном
пространстве при А0 = 5000 Па
ДЛ^,, им
ЬК ЯГ
1.
2
Га. Па
г; \Г -
У \\л г V Л я г-
N Л 11 У л /ч/ 1 V т*
V Л* у\
3.23 3.67 4.10 4.54 4.97 5.4
1.31 1.75 2.18 2.62
Рис. 7. Зависимость изменения высоты столба жидкости и относительной высоты столба жидкости от различных значений А0: 1 — кривая изменения высоты столба жидкости в рубашечном пространстве от различных значений А0; 2 — кривая изменения относительной высоты столба жидкости от различных значений А0
Рис. 9. Зависимость мгновенного давления в полости всасывания, нижнем ресивере от угла поворота коленчатого вала:
1, 3 — зависимость изменения мгновенного давления
в полости всасывания, нижнем ресивере при А0 = 5000 Па;
2, 4 — зависимость изменения мгновенного давления
в полости всасывания, нижнем ресивере при А0 = —5000 Па
Тогда, в данном случае, основной движущей силой является только изменение давления в нижнем ресивере. Увеличение амплитуды, так же как и уменьшение в отрицательную сторону, приводит к увеличению высоты подъёма и относительной высоты подъёма. Однако достигаемые значения этих величин существенно меньшие, чем при аналогичных отрицательных амплитудах (рис. 7).
При прямом сравнении графиков скоростей и высот жидкости в рубашечном пространстве для положительных и отрицательных значений амплитуд (рис. 8). Можно сделать вывод, что для отрицательной амплитуды ход намного более существенный и явный, а значение максимальных и минимальных скоростей намного выше, нежели для положительной.
Различия мгновенных давлений в полости всасывания для положительной и отрицательной амплитуд показывают, что при амплитуде, равной 5000 Па, уменьшаются потери давления и относительные потери давления, в отличие от отрицательных значений (рис. 9).
Несмотря на уменьшение потерь, меньший расход жидкости ухудшает охлаждение, что приводит к не слишком сильному увеличению X и п.
Вывод. Наблюдается увеличение хода столба охлаждающей жидкости в рубашечном пространстве
ПГЭМОД с увеличением модуля А0, при этом отрицательные его значения оказывают более существенное влияние на охлаждение ПГЭМОД, чем положительные.
Библиографический список
1. Российская Федерация. Законы. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: Федер. закон от 23 ноября 2009 г., № 261-ФЗ. Доступ из справ.-правовой системы «Консультант Плюс».
2. Энергоэффективность и развитие энергетики: Государственная программа Правительства РФ от 15 апреля 2014 г., № 321. Доступ из справ.-правовой системы «Консультант Плюс».
3. Щерба В. Е. Болштянский А. П., Кайгородов С. Ю. [и др.]. Анализ основных преимуществ объединения компрессоров и насосов объемного действия в единый агрегат // Вестник машиностроения. 2015. № 12. С. 15—19.
4. Лобов И. Э., Щерба В. Е., Григорьев А. В. Анализ рабочих процессов, протекающих в поршневой гибридной энергетической машине, использующей колебания давления газа в линии нагнетания // Омский научный вестник. 2016. № 2 (146). С. 40-44.
5. Лобов И. Э., Щерба В. Е., Павлюченко Е. А. [и др.]. Анализ влияния отношений давлений нагнетания и всасывания на рабочие процессы поршневой гибридной энергетической
машины объемного действия // Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства: материалы 6-й Междунар. науч.-техн. конф., 25 — 30 апреля 2016 г. / ОмГТУ. Омск, 2016. С. 80.
6. Кондюрин А. Ю., Щерба В. Е., Шалай В. В. [и др.]. Расчет течения жидкости в щелевом уплотнении насос-компрессора, выполненном в виде гидродиода // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2016. № 4. С. 30 — 34.
7. Щерба В. Е., Болштянский А. П., Нестеренко Г. А. [и др.]. О соотношении массовых потоков жидкости и давления нагнетания между насосной и компрессорной полостями в поршневой гибридной энергетической машине // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2016. № 4. С. 35 — 38.
8. Щерба В. Е., Носов Е. Ю., Павлюченко Е. А. [и др.]. Анализ динамики движения жидкости в поршневой гибридной энергетической машине с газовым объемом на всасывании // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2016. № 4. С. 15-18.
9. Кузеева Д. А. Разработка и экспериментальное исследование поршневой гибридной энергетической машины с газовым объемом на всасывании // Омский научный вестник. 2015. № 3 (143). С. 154-158.
10. Щерба В. Е., Кузеева Д. А., Носов Е. Ю. Математическое моделирование рабочих процессов поршневого насос-компрессора с газовым объемом на всасывании // Вестник машиностроения. 2016. № 4. С. 3-8.
СУРИКОВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Физика» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).
ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Теплоэнергетика» Омского государственного университета путей сообщения.
ЩЕРБАКОВ Виталий Сергеевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Автоматизация производственных процессов и электротехника» Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. ЩЕРБА Виктор Евгеньевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Гидромеханика и транспортные машины» ОмГТУ. ОВСЯННИКОВ Андрей Юрьевич, магистр по направлению подготовки «Энергетическое машиностроение» ОмГТУ.
Адрес для переписки: ovsyannikov.mail@gmail.com
Статья поступила в редакцию 11.08.2017 г. © В. И. Суриков, В. Р. Ведрученко, В. С. Щербаков, В. Е. Щерба, А. Ю. Овсянников
удк 621771073 е. б. бочектуева
в. е. рогов
Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления,
г. Улан-Удэ Байкальский институт природопользования СО РАН, г. Улан-Удэ
анализ трещиностойкости прокатных валков стана кварто
Основными элементами любого прокатного стана являются валки, выполняющие прокатку листов, изготовление которых достаточно трудоемкий процесс. Основная часть прокатных валков холоднолистовой прокатки закупается за рубежом. Актуальной становится задача изготовления российских прокатных валков и оценка их трещиностойкости, позволяющая выполнить верный вывод о сроках замены валков. В статье представлены результаты расчета на долговечность прокатных валков стана кварто в процессе эксплуатации с учетом остаточных термонапряжений. Расчет представлен для круговых внутренних дефектов, расположенных перпендикулярно оси валка, представляющих наибольшую опасность. В итоге получено, что максимальную опасность представляют трещины, расположенные в краевой зоне шеек.
Ключевые слова: прокатные валки, трещиностойкость, коэффициент интен-3 сивности напряжений, долговечность.
о
Производительность прокатного стана кварто долговечности валков можно только посредством
[1] в значительной степени определяется долговеч- использования стали новых марок и прогрессивных
ностью рабочих и опорных валков. Валки в про- видов термической обработки. Экспериментальные
цессе своей работы берут на себя внушительное методы исследования ресурса прокатных валков
1 усилие, которое возникает непосредственно в про- малоэффективны, так как чрезвычайно дорогосто-
цессе работы всей прокатной линии, поэтому это ящие [2-4]. В изготовленных прокатных валках
наиболее изнашивающаяся часть любого прокат- имеется множество внутренних и внешних трещин
но го стана. Достигнуть значительного увеличения [5-6]. Из обзора научной литературы и статиче-
<
