Экспериментальное определение условных зазоров цилиндропоршневых уплотнений компрессорных агрегатов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.512.2

DOI: 10.25206/2588-0373-2019-3-1-50-56

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВНЫХ ЗАЗОРОВ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВЫХ УПЛОТНЕНИЙ КОМПРЕССОРНЫХ АГРЕГАТОВ

С. С. Бусаров, И. С. Бусаров, Д. С. Титов

Омский государственный технический университет, Россия, 644050, г. Омск, пр. Мира, 11

Актуальная в настоящее время задача по определению зависимости условного зазора в цилинд-ропоршневом уплотнении от рабочего давления при неподвижном поршне решена авторами в настоящей работе. Проведённые экспериментальные исследования позволили получить зависимости условных зазоров от давления в цилиндропоршневом уплотнении тихоходных длинноходо-вых агрегатов при статических продувках. Полученные данные позволили определить наилучшее уплотнение для поршневых тихоходных длинноходовых агрегатов. В дальнейшем результаты исследований позволят модернизировать существующую методику расчёта рабочих процессов тихоходных длинноходовых агрегатов.

Ключевые слова: длинноходовой поршневой компрессор, статические продувки, условный зазор.

О о

В &

° Й" & °

у с

> <л

Введение

Эфффективность рабочего процесса тихоходных длинноходовых агрегатов в значительной степени зависит от герметичности рабочей камеры. Обусловлено это параметрами рабочего процесса и конструктивными особенностями рассматриваемого тихоходного агрегата [1, 2]. Основными факторами, влияющими на величину утечек в данном случае является величина перепада давления на уплотнении (в тихоходных ступенях перепад давления может достигать 10 МПа и более), и время рабочего цикла, которое может составлять 2...4 с [3 — 5]. В свою очередь, утечки в рабочей камере обусловлены наличием зазоров в подвижных узлах поршневой ступени, а именно цилиндропоршневом уплотнении и клапанах [6 — 8].

Постановка задачи

При определнии утечек удобно использовать понятие условного зазора. Условным зазором называется усредненный зазор, произведение которого на периметр уплотнения даёт значение площади, через которую утекает газ или жидкость. Естественно, данную величину невозможно определить с помощью метрологических средств измерения, а можно получить только численно.

Рассматриваемые в данной работе статические зазоры в цилиндропоршневом уплотнении позволят в дальнейшем для таких уплотнений, как плунжерная пара, лабиринтное уплотнение и уплотнение поршневыми кольцами модернизировать методику расчёта рабочих процессов тихоходных поршневых агрегатов. В совокупности с возникающими деформациями цилиндрической части ступененй таких агрегатов статические условные зазоры дают возможность определить полный условный зазор в уплотнении. Для ман-

жетных уплотнений в общем-то статический зазор является определяющим, поскольку при возникающих деформациях цилиндра манжетное уплотнение выбирает его за счёт упругого под-жатия по всему периметру.

Сравнение различных типов цилиндропорш-невых пар позволит экспериментально доказать преимущество одного из видов уплотнений и в дальнейшем усовершенствовать конструкцию именно данного типа применительно к длиннохо-довым тихоходным агрегатам.

Теория

Для проведения статических продувок и получения постоянной составляющей величины зазора разработан экспериментальный стенд и изготовлено четыре вида поршневых уплотнений (плунжерная пара, лабиринтное уплотнение, уплотнение с помощью поршневых колец, уплотнение с помощью манжет (рис. 1).

Схема стенда представлена на рис. 2.

Испытание включает следующие этапы:

1. Проверка испытательного стенда и его элементов на работоспособность и соответствие исходному состоянию.

2. Установка испытуемого поршня 2 в стенде.

3. Вывод экспериментального стенда на необходимый режим испытаний — обеспечение давления в рабочей камере 0,2.12 МПа.

4. Начало испытаний. Определение начальных параметров сжимаемого газа:

— температуры, давления (датчики 3, 7 соответственно).

Фиксация падения давления в рабочей камере от времени проведения испытаний.

5. Завершение испытаний. Внесение результатов испытаний в протокол.

Последовательность проведения испытаний выглядит следующим образом.

а)

б)

л

О

IS

IB

il

OS О О E н T х

>О z А

■ К > О ¡Й

i О

О

< К

O О

в)

г)

Рис. 1. Фото испытываемых уплотнений: а) гладкий поршень для плунжерной пары; б) поршень с лабиринтным уплотнением; в) поршень с кольцами; г) поршень с манжетами Fig. 1. Photo of the test seals: a) smooth piston for plunger pair; b) piston with labyrinth seal; c) piston with rings; d) piston with cuffs

В соответствии с методикой расчёта выполняется следующая последовательность действий:

1. В рабочую камеру 1 закачивается газ под давлением 0,2... 12 МПа. При установившейся температуре и зафиксированном давлении начинают проведение измерений.

2. Фиксируем начальное давление, температуру.

3. С помощью цифрового осциллографа 5 через усилитель 4 на монитор персонального компьютера 6 выводится график изменения давления внутри рабочей камеры.

4. Фиксируются конечное давление и время измерений, определяем массовый расход по формуле [8]:

(

M =

ру.

RT RT

P2V

(1)

Крышка 8 служит для удержания испытуемого поршня 2, газ через зазоры в уплотнении выходит через канал 9 (рис. 2).

Уравнение массового расхода реального газа через зазор с применением поправочного коэффициента сжимаемости газа имеет следующий вид [5]:

M = Ф -8р -Vp^ - Р2),

(2)

где Ф — эквивалентная площадь зазора при данной методике, м2; Р1, Р2 — давления газа перед и после щелевого канала, Па; р1 — плотность газа перед щелевым каналом, кг/м3; ер — коэффициент сжимаемости.

С учётом (1) и (2) определяем площадь зазора.

В свою очередь, эквивалентная площадь зазора:

Ф = а • f,

где Я — газовая постоянная, Дж/кг • К; Р1 — давление газа в начальный момент времени, Па; Р2 — давление газа в конечный момент времени, Па; Т1 — температура газа в начальный момент времени, К; Т2 — температура газа в конечный момент времени, К; V — геометрический объем ёмкости, м3; Дт — время падения давления, с.

(3)

где а — коэффициент расхода; { — площадь зазора, м2.

Таким образом, зная периметр (Р), определяется величина условного зазора [6]:

5 =Ф / P= а5 ,

y р'

Рис. 2. Принципиальная схема экспериментального стенда: 1 — стенд; 2 — испытуемый поршень; 3 — датчик давления; 4 — усилитель; 5 — цифровой осциллограф; 6 — персональный компьютер; 7 — датчик температуры; 8 — крышка; 9 — канал для выхода газа Fig. 2. Schematic diagram of the experimental stand: 1 — stand; 2 — test piston; 3 — pressure sensor; 4 — amplifier; 5 — digital oscilloscope; 6 — personal computer; 7 — temperature sensor; 8 — cover; 9 — gas outlet channel

о Q

В s

Рис. 3. Экспериментальные результаты определения условного зазора в цилиндропоршневом уплотнении (рабочее тело воздух): 1 — манжетное уплотнение; 2 — кольцевое уплотнение; 3 — лабиринтное уплотнение; 4 — плунжерная пара Fig. 3. Experimental results of determining the conditional clearance in the cylinder seal (working fluid air): 1 — cup seal; 2 — ring seal; 3 — labyrinth seal; 4 — plunger pair

° it" ь °

у <

> <л

где Sn

реальный зазор в цилиндропоршневом

= V^M'+V+H'

2 , s 2 , S 2 + § 2,

(5)

уплотнении, м.

Погрешность измерения мгновенной температуры при использовании бусинкового терми-стора [9—11].

где 8М — погрешность мультиметра, определяемая погрешностью прибора, 0,34 %; 8( — погрешность термометра, определяемая погрешностью

8

г

Рис. 4. Экспериментальные результаты определения условного зазора в цилиндропоршневом уплотнении (рабочее тело гелий): 1 — манжетное уплотнение; 2 — кольцевое уплотнение; 3 — лабиринтное уплотнение; 4 — плунжерная пара Fig. 4. Experimental results of determining the conditional clearance in the cylinder seal (working fluid helium): 1 — cup seal; 2 — ring seal; 3 — labyrinth seal; 4 — plunger pair

i ■

л

О

IS IBS il

OS О О E н T x >0 z А

■ К > О ¡Й

i О

О

V <"> К

O О

Рис. 5. Экспериментальные результаты определения условного зазора в цилиндропоршневом уплотнении (рабочее тело СО2): 1 — манжетное уплотнение; 2 — кольцевое уплотнение; 3 — лабиринтное уплотнение; 4 — плунжерная пара Fig. 5. Experimental results of determining the conditional clearance in the cylinder seal (working fluid СО2): 1 — cup seal; 2 — ring seal; 3 — labyrinth seal; 4 — plunger pair

прибора, 0,1 %; 5V — погрешность вольтметра, определяемая погрешностью прибора, 0,3 %; 8р — погрешность расчёта по полученной интерполированной формуле, 1,5 %.

8Т = 0,34 2 + 0,1 2+ 0,3 2+ 1,5 2 = 1,57 %.

Погрешность настройки времени цикла определяется точностью электронного осциллографа и составляет 0,05 %.

Определим приборную погрешность [8] при тарировке датчика давления, определяемую по формуле [12—15]:

8ДД = А^Д + + 8о -

(6)

где 5.

относительная погрешность датчика

давления, %; 5МН — относительная погрешность образцового манометра, %; 50 — относительная погрешность осциллографа, %.

Относительная погрешность датчика давления по паспорту 5Д = 1,4 %. Относительная погрешность образцового манометра 5МН = 1 %. Относительная погрешность для осциллографа определяется паспортом 50 = 0,05 %. В данном случае приборная погрешность является общей погрешностью, поскольку методика измерения напряжения при выполнении эксперимента и при проведении тарировки совершенно одинаковы. Также не учитывалось влияние случайных факторов. Их можно будет исключить, если некоторые значения, полученные при экспериментальном измерении, будут выпадать из общей системы. Тогда общая погрешность датчика давления равна:

5дд = ^1,42 + I2 + 0,052 = 1,72 %.

Общая погрешность эксперимента определяется по формуле:

Ss =

8 ДД + 8Т2 + 8т2

1,72 2+ 1,57 2+ 2 2 = 3,07

где 8t — относительная погрешность секундомера, 2 %.

Результаты экспериментов

Результаты статических продувок представлены на рис. 3 — 5.

По результатам статических продувок цилин-дропоршневых уплотнений выявлено, что при использовании манжетных уплотнений достигается минимальное значение условного зазора, следовательно, и минимальные утечки в цилин-дропоршневом уплотнении.

Обсуждение результатов

Проведенные экспериментальные исследования показали, что условный статический зазор имеет наименьшее значение для манжетного уплотнения. Причём условный зазор зависит от физических свойств газа. Для более плотных газов (воздух, СО2) газ утекает медленнее, чем для более лёгких, таких как гелий.

Характерно, что при увеличении давления условный зазор также увеличивается вследствие деформаций, что подтверждается ранее проводимыми исследованиями других авторов [3, 11].

Полученные зависимости условного зазора для диаметра 20 мм будут в дальнейшем использованы для расчёта общего зазора и введены в методику расчёта рабочего процесса тихоходного агрегата.

Выводы и заключение

Полученные экспериментальные зависимости условного зазора в цилиндропоршневом уплотнении показали значительную его зависимость от давления в камере, рода газа и типа самого уплотнения. Наилучшее уплотнение и, соответственно, наименьший зазор был получен при использовании манжетных уплотнений. Учитывая проблемы с негерметичностью рабочей камеры тихоходных агрегатов [1], можно сделать вывод о возможности применения манжетного уплотнения в таких агрегатах, как уплотнения, наиболее удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к компрессорной технике.

В дальнейшем полученные величины зазоров при статических продувках могут быть использованы в методике расчёта рабочих процессов тихоходных поршневых длинноходовых агрегатов.

Список источников

1. Yusha V. L., Busarov S. S., Goshlya R. Yu., Vasiliev V. K. The experimental research of the operating processes in slow speed stages of air reciprocating medium-pressure // AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1876, Issue 1. P. 020039-1020039-7. DOI: 10.1063/1.4998859.

2. Юша В. Л., Бусаров С. С., Недовенчаный А. В., Гош-ля Р. Ю. Экспериментальное исследование рабочих процессов тихоходных длинноходовых бессмазочных поршневых компрессорных ступеней при высоких отношениях давлений нагнетания к давлению всасывания // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2018. Т. 2, № 2. С. 13-18. DOI: 10.25206/2588-0373-2018-2-2-13-18.

3. Busarov S. S., Vasil'ev V. K., Busarov I. S., Nedovencha-nyj A. V. Experimental determination of the conventional clea-

rance in valves of oil-free reciprocating compressor units // AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1876, Issue 1. P. 020043-1-020043-7. DOI: 10.1063/1.4998863.

4. Бусаров С. С., Недовенчаный А. В., Буханец Д. И., Щербань К. В. Верификация методики расчёта рабочих процессов бессмазочных тихоходных длинноходовых поршневых ступеней высокого давления // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2018. Т. 2, № 2. С. 19-25. DOI: 10.25206/2588-0373-2018-2-2-19-25.

5. Фотин Б. С., Пирумов И. Б., Прилуцкий И. К. [и др.] Поршневые компрессоры / под общ. ред. Б. С. Фотина. Л.: Машиностроение, 1987. 372 с.

6. Френкель М. И. Поршневые компрессоры. Л.: Машиностроение, 1969. 744 с.

7. Пластинин П. И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчёт. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Колосс, 2006. 456 с. ISBN 5-9532-0428-0.

8. Захаренко С. Е. Экспериментальное исследование протечек газа через щели // Труды Ленинградского политехнического института. 1953. № 2. С. 161-170.

9. Yusha V. L., Busarov S. S., Nedovenchanyi A. V., Sa-zhin D. S., Gromov A. Yu. Analysis of thermal state of intencely cooled long-stroke low-speed piston compressor stage // Chemical and Petrolium Engineering. 2017. Vol. 52 (9-10). P. 597-601. DOI: 10.1007/s10556-017-0239-4.

10. Кузнецов Л. Г., Молодова Ю. И., Прилуцкий А. И. Повышение герметичности поршневых компрессоров и детандеров // Холодильная техника. 1999. № 9. C. 24-25.

11. Кондратьева Т. Ф., Исаков В. П. Клапаны поршневых компрессоров. Л.: Машиностроение, 1983. 158 с.

12. Cochran W. G. Errors of measurement in statistics // Technometrics. 1968. Vol. 10, no. 4. P. 637-666. DOI: 10.2307/1267450.

13. Грановский В. С., Сирая Т. Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энерго-атомиздат, 1990. 288 с.

14. Жлыков Г. П. Аппаратурное определение погрешностей цифровых приборов. М.: Энергоатомиздат, 1984. 128 с.

15. Кассандрова О. Н., Лебедев В. В. Обработка результатов наблюдений. М.: Наука, 1970. 104 с.

БУСАРОВ Сергей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология». AuthorID (РИНЦ): 610336 AuthorID (SCOPUS): 51560987400 БУСАРОВ Игорь Сергеевич, аспирант кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология». AuthorID (РИНЦ): 966534 AuthorID (SCOPUS): 57191038188 ТИТОВ Даниил Сергеевич, соискатель по кафедре «Холодильная и компрессорная техника и технология».

AuthorID (SCOPUS): 57195571233

Адрес для переписки: [email protected]

Для цитирования

Бусаров С. С., Бусаров И. С., Титов Д. С. Экспериментальное определение условных зазоров цилиндропоршневых уплотнений компрессорных агрегатов // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2019. Т. 3, № 1. С. 50-56. DOI: 10.25206/2588-03732019-3-1-50-56.

Статья поступила в редакцию 04.03.2019 г. © С. С. Бусаров, И. С. Бусаров, Д. С. Титов