CC BY
38
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл Н5ФС 77 - 30569. Государственная регистрация №0421100025.155М 1994-0408_
77-30569/259598 3Б моделирование машин динамического действия со сложной проточной частью на примере винто-вихревого нагнетателя
# 10, октябрь 2011
авторы: Сергеев В. Н., Федосеев А. Ю.
УДК 621.514.52
Современное развитие информационных технологий привело к появлению ряда программных и аппаратных приложений, позволяющих существенно упростить процесс конструирования и исследования вновь создаваемых машин. С помощью систем САПР стало возможно создавать самые сложные модели и определять их технические характеристики с минимальными затратами времени.
Относительно новым направлением сжатия различных газов является применение вихревых и винто-вихревых машин, ранее затрудненное сложностью проточной части и большими трудозатратами на её исполнение. Но ряд преимуществ, таких как:
• непрерывность подачи газа
• высокий коэффициент напора при малых расходах
• нечувствительность к помпажным режимам
• устойчивая работа во всём диапазоне изменения характеристик
• хорошая уравновешиваемость
• сухая проточная часть
• отсутствие трущихся элементов и др.
не позволили отказаться от исследования машин данного типа.
Главным и самым сложным, с технологической точки зрения, элементом винто-вихревого нагнетателя является ротор, представляющий собой цилиндр с проточкой сложной формы, выполненной по винтовой линии на всей длине ротора. В винтовом канале равномерно по окружности расположены лопатки, установленные наклонно к радиусу ротора.
При вращение ротора, установленного с зазором в статор (корпус) нагнетателя возникает пространственный поток газа, представляющий собой сложное движение. Г аз движется в трех направлениях: в осевом и
радиальном по винтовому каналу, в направление канала, а также вихревом -в межлопаточном пространстве. Из-за сложности потока, его параметры (скорость, давление, температура) в каждой точке канала имеют различные значения, которые определить расчётными методами очень сложно.
В общем случае повышение давления происходит под действием центробежных сил и изменения скорости газа потока в межлопаточном пространстве. Частицы газа движутся по линиям тока - спиралям. Таким образом, газ многократно взаимодействует с лопатками рабочего колеса и давление газа непрерывно возрастает по всей длине ротора от всасывающего к нагнетательному патрубкам.
Теоретический расчёт течения и параметров потока винто-вихревых машин является достаточно сложным и неточным даже для самых мощным математических пакетов. Это обусловлено следующими факторами:
• сложный пространственный поток
• сложная структура потерь в проточной части
• большое количество допущений.
В этой связи сотрудниками кафедры «Вакуумная и компрессорная техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана была предложена методика исследования новых проточных частей с помощью исполнения 3Э моделей, изготовления их на 3Э принтере и дальнейшего расчёта нагнетателя по формулам подобия.
Построение 3Э модели проточной части является несложной задачей при владение основными приемами моделирования.
На примере построения ротора в системе САПР КОМПАС-3Б У12 будут показаны основные приемы, примененные для создания модели.
Основными параметрами ротора являются:
• внешний диаметр, примем значение равное 100 мм;
• диаметр рабочего канала, определяется с помощью коэффициента относительного диаметра, равного отношению диаметра канала к диаметру ротора. Многочисленные эксперименты с подобными проточными частями позволили определить оптимальное значение относительного диаметра с точки зрения эффективности КПД. Данное значение равное 0,12 (т.е. диаметр канала будет равен 12 мм);
• количество витков винтовой линии, является исследуемым параметром, и основной задачей является определение характера (линейно либо по определенному закону) влияния на степень повышения давления нагнетателя. Примем количество витков равным двум.
• угол наклона винтовой линии по отношению к оси ротора. Данное значение является объектом исследования, поскольку может оказывать различное влияние на давление нагнетания. В случае маленького значения винтовая линия будет вытянута и газ не будет заходить достаточное количество раз на лопатки, в случае большого значения, гидравлическое сопротивление канала увеличится. Оба эти фактора негативно скажутся на давление нагнетания. С точки зрения энергоэффективности наилучшим значением является угол в 100, что подтвердили многочисленные исследования;
• количество винтовых линий на теле ротора. Они определяют заходность потока и как следствие производительность нагнетателя. Принимаем значение равное двум.
• угол установки лопатки, также является исследуемым параметром из-за различного воздействия на поток. Угол в 550 является оптимальным с точки зрения КПД.
• толщина лопатки и их количество, определяются конструктивно; лопатка недолжна загромождать канал.
Последовательность выполнения построений:
1. Предварительные расчёты.
Перед построением ротора необходимо определить его длину, которая будет определяться длиной одного витка винтовой линии.
Ь = 2 • п • Я • tg^ = 2 • п • 100 • 2^(10°) = 110,79 мм
Длину ротора принимаем равной 110 мм.
Следует отметить, что одним из направлений исследования винтовихревых машин является определение взаимосвязи длины ротора и давления газа на выходе из нагнетателя. Но данный вопрос не является ключевым в этой работе.
2. Построение эскиза ротора.
Т.к. ротор представляет собой цилиндр, то эскизом будет прямоугольник, который в дальнейшем необходимо будет повернуть относительно оси.
кг\ N 110
ш
Рис. 1. Эскиз цилиндра ротора Центральное отверстие в теле ротора выполнено для того, чтобы разместить его на металлическом валу. С одной стороны вал будет иметь буртик, а с другой зажиматься гайкой.
3. Построение винтовой линии и проточки канала.
Винтовую линию на теле цилиндра выполним с помощью операции «Вырезать кинематически». Для её осуществления необходимы эскиз канала и образующая - винтовая линия, по которой эскиз будет двигаться.
г- „ 10
М2)
1 I
Рис. 2. Эскиз сечения канала ротора Канал представляет из себя полуокружность радиусом 6 мм и надстройку над ней высотой 5 мм в виде прямоугольника. Г оризонтальная
линия эскиза совпадает с наружным радиусом цилиндра. Эскиз выполнен на удаление 10 мм от основного тела цилиндра для того, чтобы при вращение его по спиральной линии канал врезался в ротор и на торце образовывались серповидные окна, через которые газ будет поступать в рабочую полость.
В новой плоскости, расположенной параллельно одному из торцев на удаление 10 мм, в направление цилиндра строим винтовую линию. Для её определения нам необходимы: диаметр витка - принимаем его равным диаметру цилиндра (100 мм), шаг витка - 110,79 мм (был определен раннее в пункте 1) и количество витков - принимаем равным 1,2, это значение не является единственно верным, главное, чтобы винтовая линия выходила за цилиндр, т.е. винтовой канал выходил с тела ротора.
Рис.3. Модель после построения винтовой линии Применив операцию «Вырезать кинематически» получим требуемый канал на роторе. В дальнейшем с помощью операции «Массив» создадим на роторе требуемо количество каналов.
Рис. 4. Модель после построения каналов Как видно на рис. 4 на торцах ротора образовались серповидные окна, через которые газ будет поступать на ротор и выходить с него.
4. Построение лопаток.
Лопатка строится с помощью операции «Выдавливание», для этого необходимо построить эскиз лопатки и указать длину выдавливания (равна длине ротора 110 мм).
Рис. 5. Эскиз лопатки Эскиз лопатки строится в плоскости торца ротора (перпендикулярно направлению выдавливания). Толщину лопатки принимаем равной 2 мм, данное значение позволит ей быть достаточно прочной и в тоже время не
загромождать канал. Угол наклона лопатки 550. Верхние и нижние грани лопатки выполнены как часть окружности, для того, чтобы на роторе не было выступов и провалов.
После выполнения операции вытягивание и увеличения количества лопаток с помощью операции массив ротор будет выглядеть следующим образом.
Рис. 6. Окончательный вид модели ротора
В дальнейшем модель изготавливается на 3D принтере ZPrmter450, который имеет возможность печатать модели с размерами 203 x 254 x 203 мм.
Методика получения модели, описанная выше позволяет избежать дорогостоящего изготовления ротора в металле. Но в тоже время её прочностные и массогабаритные характеристики позволяют провести испытания и получить основные характеристики необходимые для проектирования винто-вихревых машин с помощью формул подобия.
Литература
1. Хмара В.Н. Вихревые вакуум-компрессоры. Учебное пособие. М., изд.
МВТУ, 1979.
electronic scientific and technical periodical
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS 77 - 30569. №0421100025.ISSN 1994-0408
77-30569/259598 3D modeling of dynamic machines with a complex running part on the example of helical - vortex supercharger
# 10, October 2011
authors: Sergeev V., N., Fedossev A., Yu.
In this paper the producer of constructing 3D modeling of dynamic machines with a complex running part on the example of helical - vortex supercharger
Spisok literatury.
1. Dj. Trevis. LabView dlya vseh. Izdatel'stvo PriborKomplekt, 2005, 539 str.
2. O. Zvelto. Principy lazerov. Izdatel'stvo Mir, 1990, 559 str.
