Анализ рабочих процессов, протекающих в поршневой гибридной энергетической машине, использующей колебания давления газа в линии нагнетания Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.512

И. Э. ЛОБОВ В. Е. ЩЕРБА А. В. ГРИГОРЬЕВ

Омский государственный технический университет

АНАЛИЗ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ПОРШНЕВОЙ ГИБРИДНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МАШИНЕ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЙ КОЛЕБАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА В ЛИНИИ НАГНЕТАНИЯ

В работе предложена новая эффективная конструкция поршневой гибридной энергетической машины, использующая колебания давления газа в линии нагнетания. На основе разработанной математической модели проведен вычислительный эксперимент, позволяющий раскрыть физические аспекты о рабочих процессах, протекающих в полостях и трубопроводах исследуемой машины.

Ключевые слова: компрессор, насос, поршень, рабочие процессы, охлаждение.

Прикладные научные исследования проводятся при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57414X0068.

Введение. В настоящее время для повышения экономичности работы поршневых компрессоров совмещают их работу и работу поршневых насосов [1]. Данный агрегат получил название поршневой гибридной энергетической машины. Необходимо отметить, что экономичность сжатия газа в поршневой гибридной энергетической машине увеличивается за счет улучшения охлаждения комприми-руемого газа, уменьшения утечек и уменьшения работы сил трения. Однако объединение компрессора и насоса в единый агрегат требует конструктивных изменений и, следовательно, материальных затрат.

Одной из перспективных схем поршневых гибридных энергетических машин является схема, изображенная на рис. 1.

Объект исследования [2]. Сжатый газ из рабочей полости через нагнетательный клапан поступает в полость нагнетания. Из полости нагнетания по трубопроводу 1 поступает в ресивер 4. Нижняя часть ресивера 4 заполнена жидкостью, а верхняя часть — газом. Трубопровод 2 соединяет нижнюю часть ресивера 4 через обратный клапан с рубашечным пространством 3 цилиндра компрессора. Нижняя часть рубашечного пространства соединена трубопроводом 5 с нижней частью ресивера 6, которая также заполнена жидкостью, как и нижняя часть ресивера 4. Верхняя часть ресивера 6 заполнена газом. Нижняя часть ресивера 6 соединена также через обратный клапан и трубопровод 8 с нижней частью ресивера 4. Из верхней части ресивера 4 газ через регулируемый вентиль подается

к потребителю. Исследуемый объект выполнен на базе серийного выпускаемого поршневого компрессора и имеет следующие основные размеры (табл. 1).

Математическая модель рабочих процессов ПГЭМОД. Математическая модель рабочих процессов включает в себя расчет термодинамических параметров в полостях постоянного и переменного объема, расчет нестационарного одномерного движения газа в соединительном трубопроводе 1, нестационарного движения жидкости в соединительных трубопроводах. Математическая модель рабочих процессов основана на фундаментальных законах сохранения массы, движения и энергии, а также используется уравнение состояния для идеального газа. Расчет нестационарного одномерного движения газа проводился методом «крупных частиц». Системы обыкновенных дифференциальных уравнений решались методом Эйлера.

Адекватность разработанной математической модели подтверждается использованием фундаментальных законов сохранения массы, движения и энергии, а также проведенным комплексом экспериментальных исследований.

Анализ рабочих процессов ПГЭМОД. На рис. 2 представлены зависимость изменения давления в рабочей полости ПГЭМОД рс и зависимость изменения давления в полости нагнетания от угла поворота коленчатого вала. Нетрудно видеть, что с началом процесса нагнетания амплитуда колебаний давления в полости нагнетания увеличивается, а затем постепенно затухает до начала процесса

Основные геометрические размеры ПГЭМОД

Таблица 1

№ Элемент ПГЭМОД Характеристика

Газовая часть экспериментального образца ПГЭМОД

1. Цилиндр Диаметр цилиндра — 42 мм Ход поршня — 38 мм Длина рубашки охлаждения — 100 мм Внешний диаметр рубашки — 58 мм Внутренний диаметр рубашки — 48 мм Линейный мертвый объем — 3 мм

2. Всасывающий газовый клапан Диаметр седла — 15 мм Диаметр тарелки — 17 мм Ход — 1,5 мм Жесткость пружины — 4,23 Н/мм Предварительный натяг — 0 мм Масса запорного органа — 2,5 г

3. Нагнетательный газовый клапан Диаметр седла — 10 мм Диаметр тарелки — 12 мм Ход — 1,5 мм Жесткость пружины — 4,7 Н/мм Предварительный натяг — 0 мм Масса запорного органа — 5 г Кол-во клапанов — 2 шт

4. Головка цилиндра Объем на всасывании — 20 см3 Объем на нагнетании — 28 см3

5. Всасывающий трубопровод Внутренний диаметр — 12 мм Длина — 35 мм

6. Газопровод от компрессора до ресивера 4 Внутренний диаметр — 8 мм Длина — 550 мм

7. Газопровод от ресивера 4 до ресивера-буфера Внутренний диаметр — 14 мм Длина — 1500 мм

8. Ресивер-буфер Объем — 25 л

Жидкостная часть экспериментального образца ПГЭМОД

9. Ресивер 4 Диаметр цилиндра — 60 мм Высота цилиндра — 120 мм Диаметры входа жидкости или газа — 16 мм

10. Ресивер 6 Диаметр цилиндра — 60 мм Высота цилиндра — 120 мм Диаметр входа жидкости — 16 мм

11. Гидролиния от рубашки охлаждения до ресивера 4 Внутренний диаметр — 6 мм Длина — 290 мм

12. Гидролиния от ресивера 4 до ресивера 6 Внутренний диаметр — 6 мм Длина — 335 мм

13. Гидролиния от ресивера 6 до рубашки охлаждения Внутренний диаметр — 6 мм Длина — 285 мм

14. Жидкостный клапан Диаметр седла — 12 мм Диаметр тарелки — 14 мм Ход — 4 мм Жесткость пружины — 4 г/мм Предварительный натяг — 3 мм Масса запорного органа — 2,4 г

нагнетания. Необходимо отметить, что первый максимум при колебаниях газа в полости нагнетания соответствует первому минимуму давления нагнетания в цилиндре машины.

Представленные на рис. 3 зависимости изменения давления в полости нагнетания и газовой полости ресивера 4 по углу поворота коленчатого вала позволяют сделать следующие выводы:

1. Амплитуда колебаний давления газа в полости нагнетания и в полости ресивера 4 увеличивается с началом процесса нагнетания газа и максимальное значение давления газа в полости нагнетания достигает 346922 Па, а минимальное — 287125 Па. В газовой полости ресивера 4 амплитуда колебаний меньше. Максимальное значение составляет 330636 Па, а минимальное — 301169 Па;

Е

X

О го

Рис. 1. Принципиальная схема поршневой гибридной энергетической машины, использующей колебания давления газа в линии нагнетания

А. АДПа)

Рис. 2. Зависимость мгновенного давления в рабочей полости и полости нагнетания ПГЭМОД от угла поворота коленчатого вала

Рис. 3. Зависимость мгновенного давления в полости нагнетания и в ресивере 4 от угла поворота коленчатого вала

2. Необходимо отметить, что колебания давления в полости нагнетания и в газовой полости ресивера находятся в противофазе. Максимальное значение давления в полости ресивера соответствует минимальному значению давления в полости нагнетания.

На рис. 4 представлено изменение давления в ресиверах 4 и 6 по углу поворота коленчатого вала. Нетрудно видеть, что:

1) амплитуда колебаний давления в ресивере 6 весьма мала. Максимальное значение давления

У,ЫП 02 п-

Рис. 5. Зависимости мгновенных скоростей жидкости в ресивере 4 и в ресивере 6 (У^) от угла поворота коленчатого вала

составляет 312408 Па, а минимальное значение — 311250 Па;

2) на угле поворота коленчатого вала 5,85<ф<0,87 давление в полости ресивера 4 превышает давление в ресивере 6. На этом участке наблюдается движение жидкости из ресивера 4 в ресивер 6.

Представленные на рис. 5 значения скоростей в ресивере 4 (У^) и в ресивере 6 (У3ш) позволяют сделать вывод, что значение скорости У3ш равно нулю, значение скорости У2ш максимально и ее значение составляет 2 • 10-2 м/с. Характер изменения скорости У^ полностью соответствует характеру изменения давления в ресивере 4.

На участке угла поворота 0,87<ф<3,1415 давление в ресивере 4 (рн2) становится то больше давления в ресивере 6 (рн3), то меньше. С увеличением угла поворота ф разница между давлениями (рн2 — рн3) уменьшается, а разница между давлениями (рн3 — рн2) увеличивается. Это приводит к тому, что амплитуда колебаний скорости У2ш уменьшается, а амплитуда колебаний скорости У3ш увеличивается (рис. 5). На тех участках, где (рн2 — рн3)>0, скорость У3ш равна нулю, а значения скорости У>0. На тех участках, где (рн3 — рн2)>0, значение скорости У2ш=0, а значение скорости У3ш>0. На участке 3,1415<ф<5,85 давление в ресивере 6 превышает давление в ресивере 4. На этом участке ско-

рость У2ш = 0, а значение У3 практически постоянно и равно 1,5 • 10-2 м/с;

3) минимальное значение давления нагнетания в ресивере 6 достигается чуть позже начала процесса нагнетания. Необходимо отметить, что количество жидкости, перетекаемое за цикл из ресивера 4 в ресивер 6, равно количеству жидкости, перетекаемой из ресивера 6 в ресивер 4. В первом случае при наличии обратных клапанов жидкость перетекает по трубопроводу 2, рубашечному пространству 1 и трубопроводу 5, а во втором случае по трубопроводу 8. В том случае, если количество жидкости, перетекаемое из одного ресивера в другой, отнести ко времени цикла, то мы получим расход жидкости (кг/с). Расход жидкости при отношении давлений всасывания (р=0,1 МПа) и нагнетания (рн = 0,3 МПа) 8 = 3 и частотой вращения коленчатого вала п ,-=1500 об/мин составляет 1,468 • 10-2 кг/с.

об

Если отнести расход жидкости Сш, подаваемой на охлаждение компрессора к массовому расходу компрессора С, то эта величина для данного режима работы составит С /С =26.

1 ш г

На рис. 6 представлено изменение мгновенного массового расхода газа, подаваемого к потребителю. Максимальная подача газа к потребителю наблюдается при угле поворота ф от 6,11 до 0,35, т.е. практически в процессе нагнетания газа. Для

о

го

оценки неравномерности подачи газа к потребителю примем величину 8 , определяемую как

М - М ■

g _ г max г mm

G М

(1)

Величина 8С для 8 = 3 и по6= 1500 об/мин составляет величину 0,8.

Библиографический список

1. Щерба, В. Е. Насос-компрессоры. Рабочие процессы и основы проектирования / В. Е. Щерба, А. П. Болштянский, В. В. Шалай, Е. В. Ходорева. — М. : Машиностроение, 2013. — 388 с.

2. Решение о выдаче патента РФ, МПК Б 04 В 39/06. Поршневой компрессор с автономным жидкостным охлаждением / Болштянский А. П., Щерба В. Е., Кайгородов С. Ю., Кузеева Д. А. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. —

№ 2015105837/06 ; заявл. 19.02.15 ; опубл. 15.01.16, Бюл.

№ 1. - 5 с.

ЛОБОВ Игорь Эдуардович, соискатель по кафедре «Гидромеханика и транспортные машины» Омского государственного технического университета (ОмГТУ), генеральный директор ОАО «Омсктранс-маш».

Адрес для переписки: grigorev.84@list.ru ЩЕРБА Виктор Евгеньевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Гидромеханика и транспортные машины» ОмГТУ. Адрес для переписки: Scherba_V_E@list.ru ГРИГОРЬЕВ Александр Валерьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидромеханика и транспортные машины» ОмГТУ. Адрес для переписки: grigorev.84@list.ru

Статья поступила в редакцию 15.02.2016 г. © И. Э. Лобов, В. Е. Щерба, А. В. Григорьев

Книжная полка

621.51/Ю95

Юша, В. Л. Теория, расчет и конструирование поршневых компрессоров : конспект лекций / В. Л. Юша. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. - 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).

Конспект лекций по дисциплине «Теория, расчет и конструирование поршневых компрессоров» предназначен для обучения студентов специальности 150801 «Вакуумная и компрессорная техника физических установок» дистанционной, заочной и дневной форм обучения.

621.83/М79

Моргунов, А. П. Производство зубчатых колес : учеб. пособие для вузов по направлению подгот. «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»/ А. П. Моргунов, И. В. Ревина. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. - 225 с.

Рассмотрены методы изготовления и термической обработки заготовок, а также принципы построения технологических процессов обработки зубчатых колес. Особое внимание уделено технологическим методам изготовления цилиндрических, конических и червячных колес, а также цилиндрических и глобоидных червяков. Приведены способы нарезания и отделки зубьев, применяемое оборудование и инструмент. Предназначено для студентов механических специальностей при изучении дисциплин «Основы технологии машиностроения», «Технология машиностроения», «Технология приборостроения», также может быть использовано аспирантами и инженерно-техническими работниками машиностроительных предприятий.