Экспериментальные исследования рабочих процессов поршневой гибридной энергетической машины с щелевым уплотнением ступенчатого типа с различными рабочими жидкостями Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.512

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ПОРШНЕВОЙ ГИБРИДНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ЩЕЛЕВЫМ УПЛОТНЕНИЕМ СТУПЕНЧАТОГО ТИПА С РАЗЛИЧНЫМИ РАБОЧИМИ ЖИДКОСТЯМИ

EXPERIMENTAL STUDIES OF THE WORKING PROCESSES OF A RECIPROCATING HYBRID POWER MACHINE WITH A SLOT SEAL OF STEP-TYPE WITH VARIOUS WORKING FLUIDS

В. Е. Щерба, В. В. Шалай, Е. Ю. Носов, Г. С. Аверьянов, М. Е. Линьков

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

V. Е. Shcherba, V. V. Shalai, E. Yu. Nosov, G. S. Averyanov, M. E. Linkov

Omsk State Technical University Omsk, Russia

Аннотация. В работе рассмотрены результаты экспериментальных исследований поршневой гибридной энергетической машины с щелевым уплотнением ступенчатого типа. При проведении экспериментальных исследований в качестве независимых параметров принимались: тип охлаждающей жидкости (использовались масло И-20А и масло МГЕ-46В), давление нагнетания в компрессорной секции, давление нагнетания в насосной секции, число оборотов коленчатого вала.

В результате проведенных экспериментальных исследований выявлено, что использование маловязкого масла И-20А позволило уменьшить температуру цилиндро-поршневой группы и температуру всасываемого газа.

Ключевые слова: компрессор поршневой, насос поршневой, цилиндр, энергетическая машина, температура цилиндро-поршневой группы.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-179-185

I. Введение

Поршневые гибридные энергетические машины объемного действия (ПГЭМОД) отличаются высокой компактностью, малой массой, улучшенным охлаждением цилиндропоршневой группы компрессорной секции, высоким к.п.д. и производительностью как компрессорной секции, так и насосной [1, 2]. При высоком соотношении давлений нагнетания в компрессорной рнк к давлению нагнетания в насосной секции рнн применяют щелевые уплотнения с различной пропускной способностью [3, 4].

Как показали проведенные исследования [5, 6], при высоком соотношении рнк/рнн одной из наиболее эффективных конструкций является поршневая гибридная энергетическая машина с щелевым уплотнением ступенчатого вида [7, 8].

В связи с этим представляется целесообразным провести экспериментальные исследования по влиянию охлаждающих жидкостей на рабочие процессы ПГЭМОД с щелевым уплотнением ступенчатого вида.

II. Постановка задачи

Для проведения экспериментальных исследований был создан экспериментальный образец и стенд для его исследования (рис.1) (фото).

Экспериментальный образец (рис. 2) имел крейцкопфную схему. Полость над поршнем 15 служит для сжатия и перемещения газа, полость под поршнем - для сжатия и перемещения жидкости. Поршневое уплотнение - щелевое ступенчатое.

Поршневая гибридная энергетическая машина со ступенчатым уплотнением имела следующие основные геометрические параметры:

- диаметр цилиндра - 0.05м;

- ход поршня - 0.05м;

- общая рабочая длина цилиндра - 0.1м;

- длина верхней уплотнительной части - 0.055м;

- длина нижней уплотнительной части - 0.045м;

- зазор между поршнем и цилиндром в верхней части - 14мкм;

- зазор между поршнем и цилиндром в нижней части - 61.5мкм;

- длина поршня - 0.049м.

Цилиндр, поршень и шток - стальные, из материала сталь 45, термообработка - закалка HRс 35.. .40.

При проведении экспериментальных исследований проводилось измерение статических значений давлений в компрессорной и насосной секциях, температур цилиндропоршневой группы, температуры всасываемого газа, расхода газа и жидкости, количество жидкости, выносимой в линию нагнетания компрессорной секции в единицу времени. Измерение статического давления проводилось манометрами класса 1 типа МПЗ -УУХЛ1. Для измерения температур использовались полупроводниковые терморезисторы типа ДТС 035-50м.В3.80. Для измерения расхода воздуха в компрессорной секции использовались два метода исследования: объемный и термоанемометрический, с помощью расходомеров объемного типа «Вектор-04» и датчика расхода воздуха SMCPF2A соответственно. Измерение расхода жидкости проводилось турбинным преобразователем расхода жидкости ТПР8-1-1В. Измерение количества жидкости в нагнетаемом газе проводилось объемным методом, суть которого заключается в установке линии нагнетания масловлагоотделителя, содержащего пакет латунных сеток, с ячейкой порядка 0.5-1.0мм или кольца Рашига. После накопления влагомаслоотделителем примерно на 1/4.1/3, жидкость сливают в мерную емкость, дают отстояться и после этого определяют высоту столба масла и сконцентрировавшейся жидкости. Зная время проведения эксперимента, легко определить расход выносимой жидкости. Погрешность измерения расходов газа и жидкости составляла (1.3)%. Погрешность измерения давления и температуры составляла не более 1%. При проведении экспериментальных исследований в качестве независимых параметров выбирались:

1. Рабочие жидкости в насосной секции.

2. Давление нагнетания в компрессорной секции - рнк.

3. Давление нагнетания в насосной секции - рнн.

4. Угловая скорость вращения коленчатого вала - поб.

Рис. 1. Общий вид экспериментального стенда и поршневой гибридной энергетической машины

с щелевым уплотнением ступенчатого вида

При проведении экспериментальных исследований принималось, что давление всасывания в компрессорную секцию равномерно давлению нагнетания в насосную секцию и равно 1бар. При планировании эксперимента использовался классический план с дробными репликами. Использовались следующие диапазоны изменения независимых параметров: 4бар < рнк < 7бар 4бар < рнн < 11 бар 250об/мин < поб <350об/мин.

В качестве рабочих жидкостей использовались масло И-20А, и масло МГЕ-46В. Масло индустриальное И-20А - масло общего назначения, дистиллятное или смесь дистиллятного с остаточным из сернистых и малосернистых нефтей селективной очистки.

Масло МГЕ-46В применяется, в основном, для гидрообъемных передач, работающих при давлениях до 35МПа, в диапазоне температур от -10 до 800С. Масло вырабатывают на базе индустриальных масел с антиокислительной, противоизносной, депрессорной и антипенной присадками.

Кинематическая вязкость масла И-20А при 400С составляет 25...35мм2/с, а масла МГЕ-46В при той же температуре 41.4...50.6мм2/с, т.е. масло МГЕ-46В более вязкое, чем масло И-20А примерно в 1.5 раза.

Рис. 2. Разрез поршневой гибридной энергетической машины с щелевым уплотнением ступенчатого вида: 1-картер, 2-заглушка, 3-крышка подшипника, 4-подшипник, 5-сальник, 6-приводной вал, 7-кривошип, 8-противовес, 9-крышка картера, 10-направляющая крейцкопфа, 11- крейцкопф, 12-палец, 13-шатун, 14-шток, 15-поршень, 16-сальник, 17-уплотнение, 18-цилиндр, 19-клапанная коробка, 20-дренаж,

21-задняя опора

Удельная теплоемкость масла И-20А при t = 400С составляет 1.67...2.5кДж/кг-К, а удельная теплоемкость масла МГЕ-46В при той же температуре составляет 1.95кДж/кгК, т.е. удельные теплоемкости масел примерно одинаковы.

III. Обсуждение результатов С увеличением давления нагнетания в компрессорной секции количество выносимой жидкости уменьшается. Это обусловлено увеличением количества жидкости, перетекающей из компрессорной секции в насосную. Необходимо отметить, что количество масла МГЕ-46В, обладающего большей вязкостью, поступает из насосной секции в компрессорную меньше, чем масла И-20А. Это, в свою очередь, приводит к тому, что объем масла МГЕ-46В в нагнетаемом газе меньше, чем объем масла И-20А (см. рис. 3). В соответствии с представленными на рис. 3 результатами, объем выносимого масла МГЕ-46В примерно в 1.5 раза меньше, чем И-20А. Это позволяет уменьшить потери давления в процессе нагнетания, но, с другой стороны, также ухудшить охлаждение нагнетаемого газа. С увеличением величины рнк разница в содержании жидкости в нагнетаемом для масла И-20А и МГЕ-46В увеличивается.

Рис. 3. Зависимость расхода отделяемой жидкости из нагнетаемого газа от давления нагнетания в компрессорной секции при разных рабочих телах в насосной секции: 1- масло И-20А; 2-масло МГЕ-46В

Увеличение вязкости масла сокращает расход охлаждающей жидкости из насосной секции в компрессорную, что приводит к ухудшению охлаждения цилиндропоршневой группы, а также компримируемого газа.

Так, при использовании более вязкого масла (МГЕ-46В) средняя температура цилиндра увеличивается примерно на 2К во всем диапазоне изменениярнк, а температура крышки примерно на 1К. Представленные на рис.4 результаты позволяют сделать вывод, что температура всасывания в компрессорную секцию увеличивается с увеличением рнк. Использование менее вязкого масла (И-20А) позволяет уменьшить температуру всасываемого газа на 2.5...2.0К в диапазоне изменениярнк от 4 бар до 7 бар. С увеличением давления нагнетания в насосной секции увеличивается количество выносимой жидкости из компрессорной секции, что обусловлено увеличением количества жидкости, поступающей из насосной секции в компрессорную.

С увеличением вязкости жидкости количество перетекаемой жидкости уменьшается, что приводит к уменьшению количества выносимой жидкости и к ухудшению охлаждения цилиндропоршневой группы, всасываемого и нагнетаемого газа. Так, при рнн < 10 бар разница в количестве выносимой жидкости в линию нагнетания компрессорной секции при использовании более вязкой жидкости, составит 20мм/мин.

С увеличением давления нагнетания в насосной секции увеличивается массообмен между рабочими полостями компрессорной и насосной секций, что улучшает охлаждение цилиндропоршневой группы и комприми-руемого газа. При использовании маловязких жидкостей охлаждение улучшается. Так, при рнн = 5 бар разница в средней температуре цилиндра при использовании маловязкого масла составляет 2.5 К (см. рис. 5). При увеличении рнн до 11 бар, значение разницы сокращается до 0.5 К. Это обусловлено большим количеством жидкости,

поступающим из насосной секции в компрессорную. Необходимо отметить, что аналогичный характер имеет разница в температурах всасываемого газа. Так, при рнн = 5 бар она составляет 1.5 К, а при рнн = 11бар - 0.5 К. Разница в средних температурах крышки компрессорной секции остается практически неизменной на всем диапазоне изменения рнн и составляет величину порядка 1К.

Твс.к, К 311

310

309

308

307

306

305

304

3 4 5 6 7 8

Рнк, бар

Рис. 4. Зависимость температуры всасываемого воздуха от давления нагнетания в компрессорной секции при разных рабочих телах в насосной секции: 1-масло И-20А; 2-масло МГЕ-46В

С увеличением числа оборотов (угловой скорости) вращения коленчатого вала увеличивается количество жидкости, выносимой к потребителю сжатого газа. При использовании маловязкой жидкости (И-20А) количество выносимой жидкости увеличивается по сравнению с высоковязкой жидкостью. Это увеличение составляет 10...18мл/мин. Необходимо отметить, что с увеличением угловой скорости разница в количестве выносимой жидкости увеличивается от 10 мл/мин при поб = 250 об/мин до 18мл/мин при поб = 350 об/мин.

С увеличением угловой скорости уменьшается время отвода теплоты сжатия в компрессорной секции, что приводит к увеличению температуры цилиндропоршневой группы и всасываемого газа.

Тц.ср, К

312 --------

311

310

309 308

4 5 6 7 8 9 10 11 12

Рнн, бар

Рис. 5. Зависимость средней температуры цилиндра от давления нагнетания в насосной секции при разных рабочих телах в насосной секции: 1-масло И-20А; 2-масло МГЕ-46В

Представленные на рис. 6 результаты позволяют сделать вывод, что при использовании маловязкой охлаждающей жидкости средняя температура цилиндра остается практически постоянной, в то время как при использовании масла МГЕ-46В - увеличивается на 2К при увеличении по6 с 250 об/мин до 350 об/мин. Необходимо отметить, что при по6 = 250об/мин значение средних температур цилиндра, при использовании масел И-20А и МГЕ-46В, одинаково. Температура крышки компрессорной секции с увеличением числа оборотов увеличивается. При использовании более вязкой жидкости температура крышки более высокая, чем при использовании маловязкой жидкости на всем протяжении изменения угловой скорости. Это увеличение составляет от 1К до 3К при увеличении угловой скорости с 250 об/мин до 350 об/мин. Аналогичная картина наблюдается и для температуры всасываемого газа. Необходимо отметить, что разница в температурах всасываемого газа остается примерно одинаковой при использовании масла И-20А и МГЕ-46В во всем диапазоне изменения по6 и составляет величину порядка 2.5 К.

Тц.ср, К 312

311

310

309

308

240 260 280 300 320 340 360

п, об/мин

Рис. 6. Зависимость средней температуры цилиндра от угловой скорости коленчатого вала при разных рабочих телах в насосной секции: 1-масло И-20А; 2-масло МГЕ-46В

IV. Выводы и заключение

Проведенные экспериментальные исследования ПГЭМОД с щелевым уплотнением ступенчатого типа позволили установить, что при использовании более вязкого масла в насосной секции наблюдается улучшение охлаждения цилиндропоршневой группы и всасываемого газа во всем диапазоне изменения эксплуатационных параметров при одновременном увеличении количества жидкости в нагнетаемом газе.

Список литературы

1. Щерба В. Е. Болштянский А. П. Кайгородов С. Ю. Кузеева Д. А. Анализ основных преимуществ объединения компрессоров и насосов объемного действия в единый агрегат // Вестник машиностроения. 2015. № 12. С. 15-19.

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

3. Кондюрин А. Ю. Щерба В. Е. Шалай В. В. Носков А. С. Хаит А. В. Расчет течения жидкости в щелевом уплотнении насос-компрессора, выполненном в виде гидродиода // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2016. № 4. С. 30-34.

4. Щерба В. Е., Нестеренко Г. А., Павлюченко Е. А., Виниченко В. С. Расчет поршневого уплотнения насос -компрессора, выполненного в виде концентрической щели с отделительной канавкой в теле поршня // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2014. № 2. С. 25-29.

5. Щерба В. Е., Лысенко Е. А., Нестеренко Г. А., Григорьев А. В., Кондюрин А. Ю., Баженов А. М. Разработка и исследование поршневого уплотнения, выполненного в виде гладкой щели ступенчатого вида, для

поршневой гибридной энергетической машины объемного действия // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2016. № 4. С. 45-48.

6. Баженов А. М., Щерба В. Е., Григорьев А. В., Кондюрин А. Ю., Парамонов А. М. Анализ влияния соотношения прямого и обратного потоков жидкости в щелевом уплотнении поршневой гибридной энергетической машины на соотношение давлений нагнетания в насосной и компрессорной полостях // Омский научный вестник. 2016. № 6 (150). С. 45-49.

7. Щерба В. Е., Шалай В. В., Григорьев А. В., Кондюрин А. Ю., Баженов А. М. Анализ влияния давления нагнетания в компрессорной секции на рабочие процессы и характеристики поршневой гибридной энергетической машины с щелевым уплотнением ступенчатого вида // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2018. № 4 (697). С. 49-57.

8. Баженов А. М., Щерба В. Е., Григорьев А. В., Кондюрин А. Ю., Блинов В. Н. 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 // Омский научный вестник. 2016. № 6 (150). С. 49-53.

УДК 621.512

АНАЛИЗ РАБОТЫ ПОРШНЕВОЙ ГИБРИДНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ГАЗОВЫМ ОБЪЕМОМ НА ВСАСЫВАНИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНЫХ

ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ

THE OPERATION ANALYSIS OF A RECIPROCATING HYBRID POWER MACHINE WITH A GAS VOLUME ON SUCTION USING VARIOUS COOLING LIQUIDS

В. Е. Щерба, В. В. Шалай, Е. Ю. Носов, А. С. Тегжанов, В. И. Суриков, А. О. Сигида

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

V. E. Shcherba, V. V. Shalai, E. Yu. Nosov, A. S. Tegzhanov, V. I. Surikov, A. O. Sigida

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. В работе проведен анализ экспериментальных исследований поршневой гибридной энергетической машины с газовым объемом на всасывании при использовании различных охлаждающих жидкостей. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что дистиллированная вода обеспечивает наибольшее охлаждение цилиндропоршневой группы, увеличение расхода охлаждающей жидкости и увеличение производительности компрессорной секции. В том случае, когда использование воды недопустимо, рекомендуется использовать тосол А-40.

Ключевые слова: компрессор, охлаждение, жидкость, цилиндр, поршневая гибридная энергетическая машина.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-185-190

I. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время благодаря своим неоспоримым преимуществам поршневые гибридные энергетические машины становятся объектом исследования [1, 2].

Поршневые гибридные энергетические машины (ПГЭМОД) с газовым объемом на всасывании позволяют организовать интенсивное охлаждение цилиндро-поршневой группы и собственно компримируемого газа за счет принудительного движения охлаждающей жидкости в рубашечном пространстве компрессора (см. рис. 1). Для принудительного движения жидкости вверх используется перепад давления, образующийся в полости всасывания компрессора при всасывании газа, а при движении вниз - сила тяжести (либо сила тяжести и дополнительный перепад давления) [3, 4].

Необходимо отметить, что основными преимуществами ПГЭМОД с газовым объемом на всасывании являются:

- отсутствие жидкости в рабочей полости компрессора;

- простота конструкции машины за счет отсутствия крейцкопфа и насоса;

- отсутствие дополнительных механических потерь на привод насоса.