Научная статья на тему 'Анализ влияния соотношения прямого и обратного потоков жидкости в щелевом уплотнении поршневой гибридной энергетической машины на соотношение давлений нагнетания в насосной и компрессорной полостях'

Анализ влияния соотношения прямого и обратного потоков жидкости в щелевом уплотнении поршневой гибридной энергетической машины на соотношение давлений нагнетания в насосной и компрессорной полостях Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
147
16
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
PUMP / COMPRESSOR / HYBRID POWER MACHINE / HYDRODIODE / НАСОС / КОМПРЕССОР / ГИБРИДНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МАШИНА / ГИДРОДИОД

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Баженов Алексей Михайлович, Щерба Виктор Евгеньевич, Григорьев Александр Валерьевич, Кондюрин Алексей Юрьевич, Парамонов Александр Михайлович

В работе рассмотрено влияние соотношения прямого и обратного массовых потоков жидкости в щелевом уплотнении поршневой гибридной энергетической машины на соотношение давлений нагнетания в насосной и компрессорной полостях, при которых в щелевом уплотнении гарантированно находится жидкость. Разработана методика расчета давления нагнетания в компрессорной секции при известном давлении нагнетания в насосной секции. Представлены результаты расчетов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Баженов Алексей Михайлович, Щерба Виктор Евгеньевич, Григорьев Александр Валерьевич, Кондюрин Алексей Юрьевич, Парамонов Александр Михайлович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The analysis of influence of ratio of direct and return streams of liquid in slot-hole sealing of piston hybrid power machine on ratio of pumping pressure in pumping and compressor cavities

In work the influence of ratio of direct and return mass streams of liquid in slot-hole sealing of the piston hybrid power machine on a ratio of pressure of pumping in pumping and compressor cavities at which in slot-hole sealing with guarantee there is a liquid is considered. The method of calculation of pressure of pumping in compressor section with the known pressure of pumping in injection unit is developed. Results of calculations are presented.

Текст научной работы на тему «Анализ влияния соотношения прямого и обратного потоков жидкости в щелевом уплотнении поршневой гибридной энергетической машины на соотношение давлений нагнетания в насосной и компрессорной полостях»

УДК 621512 А. М. БАЖЕНОВ

В. Е. ЩЕРБА А. В. ГРИГОРЬЕВ А. Ю. КОНДЮРИН А. М. ПАРАМОНОВ

Омский государственный технический университет

Федеральный н аучно-производственный центр «Прогресс», г. Омск

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СООТНОШЕНИЯ ПРЯМОГО И ОБРАТНОГО ПОТОКОВ ЖИДКОСТИ В ЩЕЛЕВОМ УПЛОТНЕНИИ ПОРШНЕВОЙ ГИБРИДНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МАШИНЫ НА СООТНОШЕНИЕ ДАВЛЕНИЙ НАГНЕТАНИЯ В НАСОСНОЙ И КОМПРЕССОРНОЙ ПОЛОСТЯХ_

В ра боте рассмотрено влияние соотношения прямого и обратного массовых потоков жидкости в щелевом уплотнении поршневой гибридной энергетической м ашины н а соотношение давлений нагнетания в насосной и компрессорной полостях, при которых в щелевом уплотнении гарантированно н а ходится жидкость. Р а зработана методика расчета давления нагнетания в компрессорной секции при известном давлении нагнетания в насосной секции. Представлены результаты расчетов.

Ключевые слова: н а сос, компрессор, гибридная энергетическая машина, гидродиод. Прикладные научные исследования проводятся при финансовой поддержке Минобрнауки России. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований РРМБР157ШХ0068.

Введение. Поршневые гибридные энергетические мально долго задерживаться в компрессорной сек-

машины ввиду неоспоримых преимуществ находят ции, что позволит интенсивно охлаждать ком-

все больше практическое применение [1]. К числу примируемый газ, детали цилиндро-поршневой

преимуществ можно отнести: интенсивное охлаж- группы и приблизить значение объемного коэф-

дение сжимаемого газа; надежное уплотнение ци- фициента подачи к 1. С этой целью выполняют либо

линдро-поршневой группы; уменьшение сил трения канал в поршне [5], либо щелевое уплотнение [6]

в ней и увеличение кавитационного запаса в насос- с различным гидравлическим сопротивлением для

ной секции [2]. Принципиальная схема поршневой прямого и обратного потоков, т.е. сопротивление

гибридной энергетической машины включает в себя течению жидкости из компрессорной секции в на-

компрессорную секцию, расположенную над порш- сосную должно быть больше сопротивления течению

нем, и насосную секцию, расположенную под порш- жидкости из насосной секции в компрессорную.

нем [1]. Компрессорная и насосная секции соединены Конструктивно это можно выполнить несколькими

между собой поршневым уплотнением. Поршневое путями: щелевое уплотнение выполняется с профи- |

уплотнение, учитывая, что оно заполняется жид- лированными канавками на поршне [6], щелевое

костью, целесообразнее всего выполнять в виде ще- уплотнение выполняется в виде гладкой щели

левого уплотнения [3]. ступенчатого вида [7]. В этом случае соотношение

При работе поршневой гибридной энергетиче- давлений нагнетания в компрессорной и насосной

ской машины в зависимости от соотношения давле- секций будут изменяться по отношению к данным

ний нагнетания в насосной и компрессорной полости соотношениям для гладкой концентричной щели [4].

возможны три режима [4]. Проведенные исследо- Теория метода. Целью настоящей статьи является о

вания показали, что для повышения эффективности разработка методики и проведения расчетов по >

и экономичности работы компрессорной секции определению соотношений давлений нагнетания

наиболее предпочтительны режимы работы 1 и 3. в насосной и компрессорной полостях при различ-

В этом случае охлаждающая жидкость будет макси- ных соотношениях расходов жидкости в прямом

Рис. 1. Принципиальная схема поршневой гибридной энергетической машины с разными видами щелевых уплотнений и изображением схематизированных индикаторных диаграмм

в насосной и компрессорной полостях

и обратном направлениях. Принципиальная схема поршневой гибридной энергетической машины с различными видами щелевых уплотнений и изображением схематированных индикаторных диаграмм в насосной и компрессорной полостях представлена на рис. 1.

Наличие жидкости в компрессорной полости и реализация режимов работы 1 и 3 возможна в том случае, если количество жидкости за цикл, поступающей из насосной полости в компрессорную, равно или превышает количество жидкости, поступающей из компрессорной секции в насосную.

(1)

Значение величин Мнас и Мшм определим как

х„

Мком =1 ¿т = | ¿щ, (2)

Миас = | = | ,

(3)

где йт1 — элементарная масса жидкости, поступающая из компрессорной секции в насосную за время йх;

йт2 — элементарная масса жидкости, поступающая из насосной секции в компрессорную за время йх ; хц — время цикла.

В общем случае для профилированной концентричной щели для ламинарного, переходного и турбулентного движения [8] значение йт1 можно определить как

р¿80 , ,

йт1 = У10 , (Рком - Риас Кйх , (4)

12И" Ьпор

где у10 — коэффициент, учитывающий отклонение расхода через профилированную щель от гладкой щели [6];

й — диаметр поршня; т — динамическая вязкость жидкости;

носа массы за счет движения поршня не учитывался. Значение величины йт2, определяющей значение элементарного расхода жидкости из насосной секции в компрессорную через профилированную концентричную щель, можно определить как

йт2 = У 20 ^^ (Рнас - Рком )Р^Х , (5)

12т Ьпор

где у20 — коэффициент, учитывающий отклонение расхода через профилированную щель от гладкой щели.

Подставляя записанные выражения (4) и (5) в выражения (2) и (3) с учетом (1), получаем

хц рй83

К (Рком - Рнас )р^Х <

0 12т^пор

< |у20 7:^(Р..С - Ром)р^х.

(6)

Вынося за знак интеграла постоянные величины й, 80, Р, , т, ,пор и проводя сокращения, получаем

{у 20 (Риас - Рком )йХ > |Ую (Роом - Риас )йХ

(7)

Значение поправочных коэффициентов у10 и у20 в общем случае зависит от геометрии профилированного щелевого уплотнения [6] (углов а, р , длин полок Ь1, Ь2 и высоты выступов Л) и перепада давлений \Роо„ - риас\, а значения давлений Рком и Рнас, в свою очередь, зависят от х и, следовательно, выносить у10 и у 20 за знак интеграла нельзя. Однако проведенные исследования [6] позволили установить, что влияние перепада давления между компрессорной и насосной полостью незначительно и им можно в первом приближении пренебречь. Тогда значения у10 и у20 можно вынести за знак интеграла и выражение (7) преобразуется к следующему виду

Р,

плотность жидкости;

ком' нас ^

секциях.

Необходимо отметить, что скорость поршня в поршневых энергетических машинах не велика (менее 10 м/с) и в уравнении (4) и далее эффект пере-

| (Риас - Роом ) ¿X > У12 | (Роом - Риас ) ¿X ,

где У12

У10 У12

(8)

безразмерный коэффициент, учиты-

М > М

иас ~ ком

0

0

0

0

Ь — длина поршня

0

0

46

Таблица 1

Давление нагнетания в компрессорной секции в зависимости от давления нагнетания в насосной секции при разных значениях коэффициентов у12

Ч\ У12 бар \ч 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4

2 2,61 2,92 3,34 3,92 4,78 6,15 8,59

3 5,67 6,59 7,86 9,69 12,56 17,54 29,18

4 10,16 12,12 14,94 19,36 27,58 37,64 31,64

5 16,56 20,44 26,84 37,64 37,64 37,64 37,64

6 26,42 37,64 37,64 37,64 37,64 37,64 37,64

вающий разницу массовых расходов в прямом и обратном направлениях через щелевое профилиро-

ванное уплотнение

У12

с

с,

Значение коэффици-

ента у12 находится в пределах 0 < у12 < 1. Если значение у12 = 1, то мы имеем щелевое уплотнение, у которого соотношение массовых расходов в прямом и обратном направлениях одинаково. Если у <1, то это соотношение различно, и чем меньше у 12, тем эта разница больше.

Проведем определение давлений Рком и Рнас. На угле поворота коленчатого вала 0 < ф < р поршень движется от ВМТ к НМТ. Соответственно, в насосной секции происходит процесс сжатия и нагнетания, а в компрессорной — процессы расширения и всасывания. Принимая во внимание, что модули упругости капельных жидкостей весьма высоки, а изменение массы жидкости в рабочей полости в насосной секции не так значительно, то с достаточной степенью точности можно считать, что процесс сжатия в насосной секции протекает изохорно (при У= =сопб^ . В процессе нагнетания давление жидкости в общем случае переменно и превышает номинальное давление нагнетания. Примем, что потери давления в процессе нагнетания в насосной секции постоянны на всем протяжении процесса нагнетания и равны АРнн. В компрессорной секции присутствие жидкости уменьшает величину мертвого пространства либо вообще его сводит к нулю (режим работы ПГЭМОД №1 [4]). Вследствие этого с достаточной степенью точности можно принять отсутствие процесса расширения в компрессорной секции.

В процессе всасывания в компрессорной секции давление ниже номинального давления всасывания и оно переменно. При проведении дальнейших расчетов примем такую схематизацию индикаторной диаграммы, при которой потери в процессе всасывания постоянны и равны АРвск . Тогда значение интеграла в левой части выражения (8) определится как

| {Рнас - Ром = | [(Рнн + АРЛЛ ) - (Рвск - АРвск =

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

= [Рнн (1 + 8 нн )- Рве (1 -8 вск )]-, (9)

ю

где

АР

_Н1

Р„„

относительные потери давления

в процессе нагнетания в насосе;

АРвск

8

Р

относительные потери давления в

Таким образом, на угле поворота коленчатого вала от 0 до Р жидкость из насосной полости перетекает в компрессорную. На угле поворота от р до 2р в компрессорной секции происходят процессы сжатия и нагнетания, а в насосной секции — процессы обратного расширения и всасывания. В насосной секции принимаем с большой долей достоверности, что процесс обратного расширения, так же как и процесс сжатия, изохорический. Тогда на всем протяжении угла поворота от р до 2 р, принимаем, что давление постоянно и меньше номинального давления всасывания на величину потерь АРвсн.

Процесс сжатия в компрессорной секции в общем случае описывается политропической зависимостью, которую при постоянной массе сжимаемого газа можно записать в виде

рвсуП = рсжк • уП (ф) ,

(10)

где л

показатель политропы процесса сжатия;

У1= Ук + Ут+ Ужк — объем газа в рабочей полости

в начале процесса сжатия;

Ук — рабочий объем;

Ут — величина мертвого объема;

Ужк — начальный объем жидкости в компрессорной

полости;

/ ч У Ук (ф) = у

(1 - соб ф) + 4 (1 - соб 2ф)

+ у -у + г

т жк I

Р

р г ж

— — отношение хода поршня к удвоенной длине шатуна.

Текущее давление в рабочей полости компрессорной секции может быть определено как

р улс

р вск 1 =

сжк = у? (ф) =

р (у + у _ у )лс

г вск V к ^ у т " жк)

у,

(1 - соб ф)лс + — (1 - соб 2ф)

+ у,

ф dm1

(11)

процессе всасывания в компрессорной секции.

р Рж

С учетом вышеизложенного выражение для правой части уравнения (8) запишется в виде

У12{Рком -Рж> =

о

оэ >

+

>

2

>

47

0

= Ч/12

Рвск{^Ь Ущ ^ )

(1 - С08ф) + 44 (1 - С082ф)

+к - V +

г ¿т

- Рвси(1 -8вси)

Ф+Рик (1 +8ик )-Рвси(1 -8вси )] ^

(12)

X АРвси

где 8вси = -увси

относительные потери давления

в процессе всасывания в насосе;

8 ик = ЛРик/Рик — относительные потери давления в процессе нагнетания в компрессоре; ф2 — угол коленчатого вала, соответствующий концу процесса сжатия.

Выражение (8) с учетом вышеизложенного преобразуется к следующему виду

[Рии (1 +8ии )- Рвск (1 -8 вск )]•*>

У2

У12 I

Р (VЛ + V - V )п

вск\ Л т ,к >

V,

(1 - СОЪ ф) + 4 (1 - СОЪ 2ф)

+ V,

- ^ +|

ф ¿т1

П" - Рвси (1 -8вси )

Йф +

+ У12 [Рик (1 + 8™ ) - Р,си (1 - 8гш )](2р - ф2 )

(13)

Интегральное уравнение (13) должно решаться одним из численных методов. Необходимо отметить, что верхняя граница интегрирования ф2 является функцией искомой величины Рнк при заданных значениях Рнн и ф12 .

Обсуждение результатов. На основе полученного уравнения (13) проведем расчет значений давления нагнетания насосной секции.

При проведении расчетов влиянием изменения объема газа в компрессорной секции за счет уменьшения объема охлаждающей жидкости в ней будем пренебрегать вследствие малых значений.

При проведении расчетов примем следующие значения величин, входящих в уравнение (13): 8вск = 0,1; 8вси = 0,2; 8ик = 0,05 ; 8ии = 0,03 ; ам = 0,05 (относительное мертвое пространство компрессорной секции); 1 = 0,2; Рвси = Рвск = 0,1 МПа ; пс = 1,2.

Результаты проведенных расчетов сведены в табл. 1.

Представленные результаты позволяют сделать следующие выводы.

1. С уменьшением значения коэффициента у12 значение давления нагнетания в компрессорной секции увеличивается. Эта зависимость значимая и имеет зависимость, близкую к параболе. Так, при Рнн = 2 бар при У12 = 1, т. е. когда массовые расходы в прямом и обратном направлении одинаковы, зна-

чение давления нагнетания в компрессорной секции составляет 2,61 бар. При уменьшении коэффициента У12 до 0,7, что соответствует достигнутым в работе [6] результатам, давление нагнетания компрессорной секции увеличивается до 3,92 бар. Таким образом, давление нагнетания в компрессорной секции увеличилось более чем на 1 бар.

2. С увеличением давления нагнетания в насосной секции и уменьшением у12 наблюдается более интенсивный рост Рнк. Так, при Рнн = 4 бар и у12 = 1 значение Рнк = 10,16 бар, а при у12 = 0,7 значение Рнк увеличивается до 19,36 бар, т. е. на 9,36 бар.

3. Проведенные расчеты показывают, что существует предельное значение Рнк, объяснение этому явлению дано в работе [4]. С увеличением Рнн предельное давление нагнетания в компрессорной секции достигается при более высоких значениях у12. Так, при Рнн = 4 бар предельное значение Рнк достигается при у12 = 0,5, а при Рнн = 6 бар предельное значение Рнк, равное 37,64 бар, достигается при У12 = 0,9.

Библиографический список

1. Щерба, В. Е. Насос-компрессоры. Рабочие процессы и основы проектирования / В. Е. Щерба, А. П. Болштянский, В. В. Шалай [и др.]. — М. : Машиностроение, 2013. — 367 с.

2. Щерба, В. Е. Анализ основных преимуществ объединения компрессоров и насосов объемного действия в единый агрегат / В. Е. Щерба, А П. Болштянский, С. Ю. Кайгородов [и др.] // Вестник машиностроения. — 2015. — № 12. — С. 15 — 19.

3. Щерба, В. Е. Расчет поршневого уплотнения насос-компрессора, выполненного в виде концентричной щели с отделительной канавкой в теле поршня / В. Е. Щерба, Г. А. Несте-ренко, Е. А. Павлюченко [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2014. — № 2. — С. 25 — 29.

4. Щерба, В. Е. О соотношении массовых потоков жидкости и давлений нагнетания между насосной и компрессорной полостями в поршневой гибридной энергетической машине /

B. Е. Щерба, А. П. Болштянский, Г. А. Нестеренко [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2016. — № 4. —

C. 35-38.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Щерба, В. Е. Математическое моделирование рабочих процессов поршневого компрессора с повышенным охлаждением цилиндро-поршневой группы / В. Е. Щерба, В. В. Шалай, Е. А. Павлюченко [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2015. - № 5. - С. 28-31.

6. Кондюрин, А. Ю. Анализ и оптимизация основных геометрических параметров кольцевого щелевого уплотнения, выполненного в виде гидродиода / А. Ю. Кондюрин, В. Е. Щерба, В. В. Шалай [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2016. - № 4. - С. 39-44.

7. Щерба, В. Е. Разработка и исследование поршневого уплотнения, выполненного в виде гладкой щели ступенчатого вида, для поршневой гибридной энергетической машины объемного действия / В. Е. Щерба, Е. А. Лысенко, Г. А. Нестеренко // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2016. -№ 4. - С. 45-48.

8. Кондюрин, А. Ю. Расчет течения жидкости в щелевом уплотнении насос-компрессора, выполненного в виде гидродиода / А. Ю. Кондюрин, В. Е. Щерба, В. В. Шалай [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2016. - №4. -С. 30-34.

БАЖЕНОВ Алексей Михайлович, соискатель по кафедре гидромеханики и транспортных машин Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

Адрес для переписки: [email protected]

0

2

0

2

>

ЩЕРБА Виктор Евгеньевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой гидромеханики и транспортных машин ОмГТУ. Адрес для переписки: [email protected] ГРИГОРЬЕВ Александр Валерьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры гидромеханики и транспортных машин ОмГТУ. Адрес для переписки: [email protected] КОНДЮРИН Алексей Юрьевич, соискатель по кафедре гидромеханики и транспортных машин ОмГТУ; заместитель генерального директора ФНПЦ «Прогресс», г. Омск.

Адрес для переписки: пда[email protected] ПАРАМОНОВ Александр Михайлович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры теплоэнергетики ОмГТУ. Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 22.09.2016 г. © А. М. Баженов, В. Е. Щерба, А. В. Григорьев, А. Ю. Кондюрин, А. М. Парамонов

УДК 621.512

Л. М. БАЖЕНОВ В. Е. ЩЕРБА Л. В. ГРИГОРЬЕВ Л. Ю. КОНДЮРИН В. Н. БЛИНОВ

Омский государственный технический университет

Федеральный н аучно-производственный центр «Прогресс», г. Омск

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЭКСЦЕНТРИСИТЕТА НА СООТНОШЕНИЕ МАССОВЫХ ПОТОКОВ ЖИДКОСТИ В ПРЯМОМ И ОБРАТНОМ НАПРАВЛЕНИЯХ В ПОРШНЕВОМ ЩЕЛЕВОМ УПЛОТНЕНИИ СТУПЕНЧАТОГО ВИДА ПОРШНЕВОЙ ГИБРИДНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ОБЪЕМНОГО ДЕЙСТВИЯ_

В ра боте предложена методика оценки влияния эксцентриситета поршня н а эффективность р а боты поршневого щелевого уплотнения ступенчатого вида. По ра зрабо-танной методике оценки проведен численный эксперимент и показано, что у величение эксцентриситета поршня ухудшает эффективность ра боты поршневого щелевого уплотнения ступенчатого вида.

Ключевые слова: н а сос, компрессор, гибридная энергетическая машина, гидродиод. Прикладные н аучные исследования проводятся при финансовой поддержке Минобр-науки России. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57414X0068.

Введение. Для интенсификации процессов охлаждения компримируемого газа и повышения коэффициента подачи в компрессорной секции представляется целесообразным организовать слой жидкости над поршнем [1, 2]. Это достигается при малых давлениях нагнетания в насосной секции и значительных давлениях нагнетания в компрессорной секции применением щелевого уплотнения

с различным массовым расходом жидкости в прямом и обратном направлениях [3, 4]. В настоящее время для этой цели используются профилированное щелевое уплотнение [3] и гладкое щелевое уплотнение ступенчатого вида [4].

В работе [4] проведено исследование работы гладкого щелевого уплотнения ступенчатого вида (рис. 1). Для концентричного щелевого уплотнения

о

оэ >

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.