CC BY
12
SOME FEATURES OF SOLVING PROBLEMS OF RESISTANCE OF MATERIALS FOR FLAT FRAME STRUCTURES
A.V. Kulagin
An approach is proposed to solve some applied mounting, installation^ frame problems of statically indeterminate ^ frames and the arched problem of a statically definable ^ frame with the determination of the strength parameters of the mounting and arched problems. internal efforts of the framework task. The results o f the calculations are recommended to be used during the design and technological study of the ^ frame and installation work.
Key words: ^flat statically definable and indeterminate^ frame, materials resistance, transverse bending, cross-section method, malleability method, bending and torque diagrams, Vereschagin method, structural strength. canonical equations of the method offorces, basic and equivalent systems.
Kulagin Andrey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, rekfuby2@ram-bler.ru, Russia, Udmurtia, Izhevsk, Udmurt State University
УДК 62-97-82
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-464-469
ЭВОЛЮЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ ТИХОХОДНЫХ ДЛИННОХОДОВЫХ
КОМПРЕССОРНЫХ СТУПЕНЕЙ И АКТУАЛЬНОСТЬ ИХ РАЗВИТИЯ
С.С. Бусаров
В данной работе рассмотрена последовательность создания конструкций тихоходных длинноходовых компрессорных ступеней. Представлены интегральные характеристики разработанных поршневых ступеней, такие как коэффициент подачи, индикаторный изотермический КПД, средняя температура нагнетания. Полученные значения давления нагнетания в одной ступени составили более 10МПа при температуре газа менее 400 К. Дальнейшее направление исследования будет направлено на увеличение ресурса разработанных ступеней и изучение многоступенчатых конструкций на базе тихоходных длинноходовых компрессорных ступеней.
Ключевые слова: тихоходная компрессорная ступень, интегральные характеристики, коэффициент подачи индикаторный изотермический КПД.
В настоящее время в Омском государственном техническом университете развивается направление по созданию малорасходных несмазываемых компрессорных агрегатов. Данная работа выполняется под руководством к.т.н., доцента Бусарова С.С., завершающего написание докторской диссертации, общее курирование работ осуществляет заведующий кафедрой ОмГТУ «Холодильная и компрессорная техника и технология», д.т.н., профессор Юша В.Л.
Ещё в СССР возникла потребность в создании компрессоров, работающих без смазки рабочей камеры, обусловлено это было бурным развитием различных отраслей народного хозяйства, в технологических процессах которых появились жёсткие требования к чистоте сжатого газа. Такие отрасли как нефтехимическая, пищевая, медицина требуют особенной чистоты газа и эти требования до настоящего момента постоянно ужесточаются.
Изначально разработка компрессоров без смазки проточной части по указу правительства была поручена ЛенНИИхиммаш, в котором была создана лаборатория «Компрессоры без смазки». За десятилетия работы были получены перспективные композиционные материалы, которые применяются и по сей день с ресурсом уплотнений, составляющим несколько тысяч часов. Заслуга в получении таких результатов принадлежит таким авторам как С.Е. Захаренко, И.И. Новиков, П.И. Пластинин, Б.С. Фотин, М.И. Френкель, В.П. Захаренко, Ward I.R., Walty F.D., Мюллер Г.К. и многие другие [1-6].
Не маловажным в несмазываемых компрессорах является и обеспечение требуемого ресурса клапанов (вторая из основных причин, влияющих на надёжность поршневого компрессора). На сегодняшний момент проведены колоссальные работы по модернизации клапанов, с улучшением их динамических характеристик такими авторами как Н.А. Доллежаль, Т.Ф. Кондратьева, М.И. Френкель, С.Е. Захаренко, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий, Б.С. Фотин, А.И. Голубев, П.И. Пластинин, Б.С. Хрусталев, В.Л. Юша, Б.И. Игнатов, В.П. Исаков, Б.А. Спектор, J. Мае1агеп, N. Stosic, R. Dusil и др. Уровень ресурса существующих клапанов достиг 25000 часов [5,7].
В настоящее время актуальной является идея водородной экономики, в которой используется водород. При этом стандартным видом хранения является водород сжатый до 400 атмосфер. Применение водорода на различного вида транспорте требует создания малорасходных компрессорных агрегатов с повышенным ресурсом.
Как известно для сжатия водорода применяют компрессорные агрегаты без смазки проточной части рабочей камеры. Поэтому в качестве такого агрегата может быть использован агрегат на базе тихоходных компрессорных ступеней.
Развитие тихоходных компрессорных ступеней. Изначально тихоходная длиннохо-довая ступень создавалась как альтернатива многоступенчатым поршневым и мембранным компрессорам. Предполагалось, что за счёт медленного сжатия и вытянутой формы получится решить две основные проблемы одноступенчатого сжатия при высоких давлениях - борьба с температурой и уменьшение влияния мёртвого объёма [8-10].
Рассмотрим тихоходные ступени которые были изготовлены или спроектированы в качестве примеров реализации того или иного частного случая работы
Исторически при выполнении данной работы, когда зародилась только гипотеза квазиизотермического сжатия была спроектирована и изготовлена первая ступень, которая показана на рис. 1.
Рис. 1. Тихоходная ступень с параметром у=1,33: а - 3Б модель; б - фотография
а
Ступень, представленная на рис. 1 имеет следующие характеристики: диаметр цилиндра Dц=150 мм; ход поршня S=200 мм; время цикла 0,8.. .6 с.
На данной ступени было получено давление до 1 МПа при средней температуре нагнетаемого воздуха до 390К.
На рис. 2 приведены экспериментальные зависимости коэфициента продачи, изотермического КПД и средней температуры нагнетаемого газа от степени поваышения давления.
Далее была спроектирована и изготовлена модель с параметром у=10; диаметр цилиндра Dц=20 мм; ход поршня S=200 мм; время цикла 0,8.6 с. 3D модель и фото ступени показаны соотвественно на рис. 3.
Представленна на рис. 3 ступень имела следующие характеристики: диаметр цилиндра Dц=20 мм; ход поршня S=200 мм; время цикла 0,8.6 с. На данной ступени были получены следующие характеристки: Рн=1...3МПа; Тн<340К (см. рис.4).
Дальнейшее увеличение параметра у не принесло ожидаемых результатов по достижению целевого давления нагнетания в 10МПа. Представленна на рис. 5 ступень имела следующие характеристики: диаметр цилиндра Dц=20 мм; ход поршня S=500 мм; время цикла 2.6 с. На данной ступени были получены следующие характеристки: Рн=6,5МПа; Тн<370К (см. рис.6).
В связи с неудачей было принято решение по увеличению диаметра цилиндра. На рис. 7 представленна ступень со следующими характеристиками: диаметр цилиндра Dц=50 мм; ход поршня S=500 мм; время цикла 2...4 с. На данной ступени были получены следующие характе-ристки: Рн=1.12МПа; Тн<430К.
/I
0.9
О.в _
0.7
10
0.9
0.8
0.7
т*
Ф
Ш
370
330
290
' * 6 £ 6 £ ь 6 £
а б в
Рис. 2. Зависимости: а - коэффициента подачи; б - изотермического индикаторного КПД; в - средней температуры нагнетаемого газз от степени повышения давления
с парпаметром щ=1,3
а б
Рис. 3. Тихоходная ступень с параметром щ=10: а - 3Б модель; б - фотография
а б в
Рис. 4. Зависимости: а - коэффициента подачи; б - изотермического индикаторного КПД; в - средней температуры нагнетаемого газа от степени повышения давления с параметром у=10 (1 -время цикла 1 с; 2 -время цикла 1,5 с; 3 - время цикла 2 с)
Проведенный теоретический и экспериментальный анализ рабочих процессов тихоходных длинноходовых компрессорных ступеней показал, что существуют диапазоны режимных и конструктивных параметров, при которых работа ступени соответствует предъявляемым требованиям.
При конструировании ступени можно дать следующие рекомендации: время цикла 2.4 с; диаметр цилиндра 0,02.0,08 м; ход поршня 0,2.0,8 м.
466
а б
Рис. 5. Тихоходная ступень с параметром щ=25: а - 3Б модель; б - фотография
Рис. 6. Зависимости: а - коэффициента подачи; б - изотермического индикаторного КПД; в - средней температуры нагнетаемого газа от степени повышения давления с параметром у=25 (время цикла 3 с)
Рис. 7. Тихоходная ступень с параметром у=10: а - 3Б модель; б - фотография
Т. К
395375355335315295
~25 ~5) 75 W S
б
Рис. 8. Зависимости: а - средней температуры; б - изотермического индикаторного КПД и коэффициента подачи от степени повышения давления с параметром у=10 (время цикла 2 с) 1 - режим без охлаждения; 2 - режим с охлаждением
Выводы и заключение
Таким образом, разработанные в настоящее время конструкции тихоходные компрессорных ступеней имеют ряд конструктивных и режимных отличий от существующих компрессорных ступеней:
- во первых время цикла для таких ступеней составляет 2.4 с;
- во вторых отношение хода поршня к диаметру цилиндра составляет более 10. Сочетание таких параметров позволило приблизить процесс сжатия к изотермическому.
Коэффициент эквивалентной политропы сжатия при этом получился в диапазоне 1,03.1,08.
Полученные положительные результаты позволили продолжить работу над совершенствованием узлов тихоходных поршневых агрегатов с целью увеличения ресурса и начать работы по созданию многоцилиндровых, многоступенчатых агрегатов на базе тихоходных ступеней.
а
Список литературы
1. Захаренко В.П. Основы теории уплотнений и создание поршневых компрессоров без смазки: дис.докт.тех.наук. Санкт -Петербург, 2001. 159 с.
2. Hugo Fundamentel principles for static sealing with metals in the high pressure field // ASME Trans., 1973. V. 16. № 4. P. 304-309.
3. Новиков И.И., Захаренко В.П., Ландо Б.С. Бессмазочные поршневые уплотнения в компрессорах. Л.: Машиностроение, 1981. 238 с.
4. Френкель М.И. Поршневые компрессоры: теория, конструкции и основы проектирования. - 3-е издание, переработанное и дополненное. Издательство Л.: Машиностроение, 1969. 744 с.
5. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Том 1. Теория и расчет. М.: Колос, 2000.
456 с.
6. Поршневые компрессоры / Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И. К. Прилуцкий, П.И. Пластинин; Под общ. ред. Б.С. Фотина. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. 372 с.
7. Кондратьева Т.Ф., Исаков В.П. Клапаны поршневых компрессоров. Л.: Машиностроение, 1983. 158 с.
8. Юша В.Л., Бусаров С.С. Перспективы создания малорасходных компрессорных агрегатов среднего и высокого давления на базе унифицированных тихоходных длинноходовых ступеней // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2018. Т. 24. № 4. С. 80-89. DOI: 10.18721/JEST.24408.
9. Юша В.Л., Бусаров С.С. [и др]. Экспериментальное исследование рабочих процессов тихоходных длинноходовых бессмазочных поршневых компрессорных ступеней при высоких отношениях давления нагнетания к давлению всасывания // Омский научный вестник. Сер. Авиа-ционно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2018. Т. 2. № 2. С. 13-18.
10. Yusha V.L., Busarov S.S., Gromov A.Yu. Assessment of the Prospects of Development of Medium-Pressure Single-Stage Piston Compressor Units // Chemical and petroleum engineering. 2017. Vol. 53(7-8). P. 453-458. DOI: 10.1007/s10556-017-0362-2.
Бусаров Сергей Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, bssi1980@mail.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет
EVOLUTION OF DESIGNS OF LOW-SPEED LONG-STROKE COMPRESSOR STAGES AND THE RELEVANCE OF THEIR DEVELOPMENT
S.S. Busarov
In this paper, the sequence of creating designs of low-speed long-stroke compressor stages is considered. The integral characteristics of the developed piston stages are presented, such as the delivery coefficient, the indicated isothermal efficiency, and the average discharge temperature. The obtained values of the discharge pressure in one stage were more than 10 MPa at a gas temperature of less than 400 K.
Key words: low-speed compressor stage, integral characteristics, flow rate, indicative isothermal efficiency.
Busarov Sergey Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, bssi1980@mail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University
УДК 621.43
ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ДАВЛЕНИЯ ВПРЫСКА НА МОЩНОСТНЫЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДВИГАТЕЛЯ «ТМЗ-650Д»
П.С. Подколзин
В статье приведены результаты исследования характеристик двигателя «ТМЗ-650Д» в программном комплексе «ДИЗЕЛЬ РК» в сравнении с экспериментальными данными АО «АК Туламашзавод». Определена погрешность моделирования эффективной мощности и эффективного крутящего момента рассматриваемого двигателя. Получены закономерности влияния давления впрыска на мощностные и экологические показатели двигателя.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, математическое моделирование, мощностные характеристики, экологические характеристики, давление впрыска.
В машиностроении важное место отводится энергоустановкам - двигателям внутреннего сгорания (ДВС), являющимся наиболее массовым энергетическим средством различных машин и механизмов и во многом определяющим их надежность и эффективность работы [1]. Именно поэтому исследование и улучшение показателей двигателя - тема, которая никогда не потеряет своей актуальности.
Все методы исследования делят на экспериментальные и теоретические. В настоящее время теоретические методы, в основном, представлены математическими моделями различного назначения и степени детализации. Несомненно, методы математического моделирования имеют большую ценность, так как они могут спрогнозировать поведение изучаемого объекта, что очень важно для исследования и совершенствования сложных технических систем, к которым относятся ДВС. Также математическое моделирование и вычислительный эксперимент позволяют существенно сократить материальные и временные затраты по сравнению с экспериментальными исследованиями.
Для исследования мощностных и экологических показателей двигателя в настоящее время существует большое количество программ математического моделирования [2-4], одной из которых является «ДИЗЕЛЬ-РК» [5]. Рассматриваемый программный комплекс предназначен для расчета и оптимизации двухтактных и четырехтактных двигателей внутреннего сгорания. «ДИЗЕЛЬ-РК» позволяет проводить тепловой расчет, анализ и исследования следующих типов ДВС [5]:
дизельных;
бензиновых искровых: карбюраторных и с впрыском бензина;
газовых искровых: обычных и форкамерных.
469
