CC BY
25
удк 6215122 с. с. бусаров
в. к. васильев а. ю. громов а. в. недовенчаный м. а. чижиков
Омский государственный технический университет, г. Омск
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ТИХОХОДНЫХ ДЛИННОХОДОВЫХ БЕССМАЗОЧНЫХ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРНЫХ СТУПЕНЕЙ
Теоретическая работа по моделированию рабочих процессов тихоходных длинноходовых компрессорных агрегатов проведена авторами в достаточном объеме, позволяющем говорить о перспективах применения тихоходных длинноходовых поршневых компрессорных агрегатов для получения средних давлений в одной ступени. В связи с этим разработан и изготовлен экспериментальный стенд с линейным гидравлическим приводом. Проведены экспериментальные исследования и получены данные по изменению мгновенных параметров газа в рабочей камере.
Ключевые слова: длинноходовой поршневой компрессор, рабочие процессы, измерение мгновенной температуры и давления газа, экспериментальные исследования поршневых компрессоров.
Прикладные научные исследования и экспериментальные разработки проводятся при финансовой поддержке государства в лице Минобрнау-ки России. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57715X0203.
В настоящее время отсутствуют эксперимен- Насосный агрегат состоит из насоса 4 и двигателя 2, тальные данные по параметрам рабочего процесса смонтирован на общей фундаментной плите. При-тихоходных длинноходовых поршневых ступеней вод насоса осуществляется через упругую муфту 3. при средних давлениях нагнетания. Теоретические На верхнем ярусе расположены фильтр высокого расчёты рабочих процессов тихоходных длиннохо- давления 10, дроссель 8, обеспечивающий регули-довых ступеней, представленные в работах [1, 2], ровку расхода масла, обратный клапан 7, а также показали, что в одной ступени возможно сжатие гидрораспределитель 6 и силовой гидроцилиндр 5. газа до средних давлений при допустимых темпера- Стенд работает следующим образом.
турах нагнетания. Таким образом, актуальность дан- Насос 4 создает поток рабочей жидкости повы-
ной работы заключается в получении эксперимен- шенного давления из бака 9, под действием которо-тальных данных по рабочим процессам тихоходных го она поступает через фильтр высокого давления длинноходовых поршневых агрегатов, работающих 10 и блок клапанов далее к гидрораспределителю при средних давлениях. Полученные эксперимен- 6. Через гидрораспределитель поток жидкости потальные данные позволят провести сравнение ре- переменно поступает в рабочую и штоковую поло-зультатов с теоретическими расчётами для вери- сти гидроцилиндра 5, затем рабочая жидкость сли-фикации методики расчёта, при необходимости её вается обратно в бак. Давление в напорной линии модернизации и выполнении на её основе параме- контролируется визуально по манометру. трического анализа таких ступеней. Чистота рабочей жидкости в гидросистеме под-
Для проведения экспериментальных исследова- держивается фильтром высокого давления, при за-ний разработан экспериментальный стенд с линей- грязнении фильтрующего элемента срабатывают ным (гидравлическим) приводом [3, 4]. датчик загрязненности (установленный на фильтре),
Схема стенда представлена на рис. 1, 2. Рама визуально сигнализирующий о необходимости его стенда 1 выполнена из равнополочного уголка. замены. Заправка бака гидростанции должна про-На нижнем ярусе рамы расположены тяжелые агре- изводиться через заправочную горловину, распо-гаты, а именно насосный агрегат и масляный бак 9. ложенную на стенке бака. Заправочная горловина
Рис. 1. Схема экспериментального стенда: 1 — рама стенда; 2 — эл. двигатель; 3 — муфта; 4 — насос; 5 — гидроцилиндр; 6 — гидрораспределитель; 7 — клапан обратный; 8 — дроссель; 9 — гидробак; 10 — фильтр высокого давления
Рис. 2. Фотография экспериментального стенда
закрывается крышкой с отдушиной. Контроль за уровнем рабочей жидкости и ее температурой производится визуально по указателю уровня жидкости. При отсутствии рабочей жидкости в уровнемере необходимо произвести дозаправку бака.
Измерительная схема и фотография приведены на рис. 3. Поршень 1 приводится в движение через шток 2 от штока гидроцилиндра, который, в свою очередь, приводится в действие от гидроаккумуляторной станции. Поскольку разработанная ступень является ступенью без смазки, уплотняющие манжеты 3, установленные на поршне 1, изготовлены из самосмазывающегося материала капроло-на. Основание 4 устанавливается на общую фундаментную рама. Поршень 1 движется в цилиндре 5. В верхней части ступени установлена плита 6. Эта плита выполнена гладкой с отфрезерованными пазами и отверстиями для установки оборудования. Над плитой располагается крышка 7. Между плитой 6 и крышкой 7 образуется полость, через которую можно прокачивать как воздух, так и воду, тем самым меняя режим охлаждения. Датчик давления 10 и датчик температуры 9 используются для определения соответственно давления и температуры сжи-
Рис. 3. Схема и фотография экспериментального стенда: 1 — поршень; 2 — шток; 3 — уплотняющие кольца; 4 — основание; 5 — цилиндр; 6 — плита; 7 — крышка; 8 — термопары; 9 — датчик температуры; 10 — датчик давления; 11 — милливольтметр; 12 — усилитель; 13 — электронный осциллограф; 14 — персональный компьютер
маемого газа в рабочей камере. В плиту 6 вмонтированы термопары 8 для определения температуры внутренней и внешней поверхности плиты 6. Регистрация данных с термопар происходит с помощью вольтметра 11. Данные с датчика температуры и датчика давления поступают на цифровой осциллограф 13 через усилитель 12 и выводятся на экран персонального компьютера 14.
Экспериментальные исследования длинноходо-вой тихоходной ступени проведены для ступени с диаметром цилиндра — 0,02 м; ходом поршня — 0,2 м; граничные условия — температура охлаждающей среды — 291 К, охлаждение интенсивное — водой; физические условия — сжимаемый газ — воздух; температура всасываемого газа — 293 К, давление всасывания — 0,1 МПа, давление нагнетания до 3 МПа.
Для решения основной проблемы проводимых экспериментальных исследований — измерения мгновенной температуры рабочего газа применен безинерционный датчик, выполненный на основе бусинкового термистора. На рис. 4 представлена фотография объекта исследования — длинноходо-вая ступень с бусинковым термистором. Конструктивно из-за маленького диаметра ступени и расположения органов газораспределения не удается располагать в рабочей камере датчики размером более 3 — 5 мм. Бусинковый датчик благодаря своим размерам размещается между органами газораспределения [5 — 8].
Термистор — это термометр сопротивления, выполненный на основе смешанных оксидов переходных металлов, классифицируются по типу температурного коэффициента сопротивления (положительным и отрицательным ТКС). Конструктивно применен термистор следующего типа: бусинковый (0,03) мм.
Рис. 4. Фотография исследуемой ступени
Функция преобразования термисторов достаточно линейна в диапазоне температур от минус 100 °С до плюс 200 °С. По данным [7] надежность их высока, но им присущ один недостаток: разброс ТКС в пределах одной партии, из-за чего после замены одного термистора на другой необходимо заново калибровать аппаратуру.
Погрешность измерения мгновенной температуры при использовании бусинкового термистора [9, 10].
50 =т]8,2 +5,2 + 5р2 +5^
(1)
5 ДД =45 Д2 +5МН2 +502,
(2)
Рис. 5. Изменение средней температуры нагнетаемого газа от степени повышения давления при различном времени цикла: 1 -г = 1 с; 2 -т = 1,5 с; 3 -т = 2 с
где 51 — погрешность мультиметра, опредедаемая погрешностью прибора, 0,34 %; 5( — погрешность термометра, определяемая погрешностью прибора, 0,1 %; — погдешно5ть в5лнтметра, определяемая погрешностью прибора, 0,3 %; 5F — погрешность расчета по полученной индг+полирформуле, 1,5 %.
50 н 0,Ь4г + 0,Дг + 0,Ьг + Д,5г н д,57 %
Разница между экспериментальными и расчетными даннымд по темперлтуре лаза — не более 7,5 %.
Погрешность настройки времени цикла определяется точностью элект+лнногн осгщллографа и составляет 0,05 %.
Определим приборную погрешность при тарировке датчика давления, определяемую по формуле [11, 12]:
Рис. 6. Изменение коэффиц рента о одачи от степени повышения давления при различном времени цикла: 1 ст = 1с;2 -л д 1+ с; Г -д 5 2 с
где 5д — относительнд; погрешл5сть датеика 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 одинакова. 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:
5 с д,4г - дг -0о05Г н 1,7Г %
На рис. 5 — 7 представлены экспериментальные зависимости как мгновенных параметров газа в рабочей камере, так и интегральные характеристики тихоходной ступени.
На рис. 5 представлены результаты экспериментальных исследований: зависимости изменения средней температуры нагнетаемого газа для режима с интенсивным охлаждением и давлением нагнетания до 3 МПа, время рабочего цикла при этом изменялось от 1—2 с. Для режима с интенсивным охлаждением и времени цикла 1 с температура нагнетаемого газа при степени повышения давления 30 составляла 315 К, а для степени повышения давления 10-303 К.
При увеличении времени цикла до 2 с температура нагнетаемого газа незначительно уменьшается. Это подтверждает теоретическое предположение о возможности применения одноступенчатой схемы взамен многоступенчатой с промежуточным охлаждением, с точки зрения обеспечения требуемого температурного режима. На графике наглядно видно преимущество по температуре нагнетания тихоходных ступеней перед быстроходными ступенями, у которых сжатие происходит практически по адиабатическому закону.
На рис. 6 представлены результаты экспериментальных исследований: зависимости коэффициента подачи от степени повышения давления. Коэффи-
г
Рис. 7. Зависимость давления и температуры газа в рабочей камере за время цикла при интенсивном охлаждении: 1 -т = 1,5 с, Рн = 3 МПа; 2 -т = 2 с, Рн = 1,2 МПа
циент подачи уменьшается со значения 0,85 при степени повышения давления 5 и до значения 0,6 при степени повышения давления 30 при времени цикла х = 1 с. При увеличении времени цикла более 1 с производительность ступени при давлениях выше 1 МПа резко снижается.
На рис. 7 представлены экспериментальные зависимости мгновенных параметров сжимаемого газа давления и температуры соответственно за время рабочего цикла. В процессе нагнетания видно, что отсутствует ярко выраженная «площадка нагнетания», также присутствует резкое падение давления в процессе обратного расширения. Это обусловлено значительными утечками, сопровождающими данный рабочий процесс. Основные утечки происходят через неплотности клапанов всасывания и нагнетания, и часть газа утекает через цилиндро-поршневое уплотнение. Температура газа в рабочей камере носит еще более выраженный «пикообразный характер», также характерный для больших утечек из рабочей камеры, а также с интенсивным теплообменом между газом и поверхностями деталей рабочей камеры. Очевидно, что утечки в данных рабочих процессах играют большую роль. Применённые клапана в тихоходной ступени не отличаются от клапанов быстроходных ступеней, рассчитанных на среднее давление. Очевидна задача по усовершенствованию клапанов для тихоходных ступеней.
Таким образом, экспериментально доказано, что в одной ступени возможно сжимать газ до средних давлений. Полученные экспериментальные данные позволили опробовать разработанную методику испытаний, проверить работу датчиков, проверить работоспособность системы сбора и обработки информации, получены удовлетворительные результаты предварительных исследовательских испытаний характеристик ступени. Это позволяет на следующем этапе провести полномасштабные испытания доработанной ступени и обеспечить получение окончательных результатов с измерением всех предусмотренных методикой параметров.
Библиографический список
1. Yusha V. L., Dengin V. G., Karagusov V. I., Busarov S. S. Theoretical analysis of the working process of the superlow rotary low expense piston compressor with the increased piston stroke // 8th International Conference on Compressors and Coolants. 2013. Papiernicka. Slovakia. Book of abstracts. P. 22.
2. Yusha V. L., Dengin V. G., Busarov S. S., Nedovenchanyi A. V., Gromov A. Yu. The estimation of thermal conditions of highly-cooled long-stroke stages in reciprocating compressors / Edit.:
A. V. Myshlyavtsev, V. A. Likholobov, V. L. Yusha // Procedia Engineering. Vol. 113: International Conference on Oil and Gas Engineering (0GE-2015), 25-30 April 2015. Omsk, 2015. P. 264269. ISBN 978-1-5108-0988-8.
3. Осипов П. Е. Гидравлика, гидравлические машины и гидропривод. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Лесная промышленность. 1981. 424 с.
4. Вильнер Я. М. [и др.]. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам / под ред. Б. Б. Некрасова. 2-е изд., перераб. и доп. Минск: Высшая шк., 1985. 382 с.
5. Гендин Г. С. Все о резисторах. Справочное издание. М., 2000. 192 с.
6. Дубровский В. В. Резисторы. Справочник / под ред. И. И. Четверкова и В. М. Терехова. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Радио и связь. 1991. 528 с.
7. Зайцев Ю. В., Громов В. С., Григораш Т. С. Полупроводниковые термоэлектрические преобразователи. М., 1985. 120 с.
8. Yusha V. L., Busarov S. S., Goshlya R. Yu., Nedovenchanyi А. V., Sazhin B. S., Chizhikov М. А., Busarov I. S. The experimental research of the thermal conditions in slow speed stage of air reciprocating compressor // Procedia Engineering. Vol. 152: International Conference on Oil and Gas Engineering (OGE-2016). Omsk, 2016. P. 297-302. DOI 10.1016/j.proeng.2016.07.706.
9. Зайдель А. Н. Погрешности измерения физических величин / отв. ред. Ж. И. Алферов. Л.: Наука, 1985. 112 с.
10. Зайдель А. Н. Элементарные оценки ошибок измерений. 3-е изд., испр. и доп. Л.: Наука, 1968. 96 с.
11. Захаренко С. Е. Экспериментальное исследование протечек газа через щели // Тр. Ленингр. политехн. ин-та. 1953. № 2. С. 161-170.
12. 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».
ВАСИЛЬЕВ Владимир Константинович, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».
ГРОМОВ Антон Юрьевич, аспирант кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология». НЕДОВЕНЧАНЫЙ Алексей Васильевич, аспирант кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».
ЧИЖИКОВ Максим Александрович, магистрант гр. ТМОм-162 факультета «Элитное образование и магистратура».
Адрес для переписки: bssi1980@mail.ru
Статья поступила в редакцию 03.04.2017 г. © С. С. Бусаров, В. К. Васильев, А. Ю. Громов, А. В. Недовенчаный, М. А. Чижиков
