CC BY
21
4. Тарелин А.А., Антипцев Ю.П., Аннопольская И.Е. Основы теории и методы создания оптимальной последней ступени паровых
турбин. - Харьков: Контраст, 2001. - 224с.
5. Шубенко-Шубин Л.А., Соболев С.Г., Сухинин В.П. и др. Прочность паровых турбин.- М.: Машгиз, 1973. - 455 с.
6.Тарелин А.А., Сурду Н.В. Планетарно-врезное шлифование изделий с аэродинамическим профилем типа турбинных лопаток// Пробл. машиностроения. — 1998 . - N2. — С. 109--116.
7. Бойко А.В.,Говорущенко Ю.Н. Основы теории оптимального проектирования проточной части осевых турбин:Учеб. пособие
для вузов. -Харьков:Выща школа,1989.-217с.
8. Русанов А.В., Ершов С.В. Математическое моделирование нестационарных газодинамических процессов в проточных частях
турбомашин. - Харьков.: ИПМаш НАН Украины, 2008. - 275с.
УДК 621.51
Рассматривается один из методов торможения пневмоагрегатов, который, за счет создания компрес-сионно-приводногорежима, позволяет существенно сократить непроизводительные энергозатраты
МИНИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ В ПНЕВМОАГРЕГАТАХ С БОЛЬШОЙ ИНЕРЦИОННОЙ НАГРУЗКОЙ
Г. А. Крути ков
Кандидат технических наук, доцент* Контактный тел.: 707-61-28, 8-050-512-63-35
Хусейн Али Султан
Магистр*
*Кафедра «Гидропневмоатоматика и гидропривод» Национальный технический университет «Харьковский
политехнический институт» ул.Фрунзе, 21, г.Харьков, Украина, 61002
Введение
В промышленно развитых странах на производство сжатого воздуха расходуется до 10 % из общего энергетического баланса. В связи с крупномасштабным внедрением пневматических средств автоматизации в промышленное производство, доля пневматики среди всех средств автоматизации постоянно возрастает. Особенно активно прирост пневматики происходит за счет массового использования пневматических автоманипуляторов (АМ).
Отличительной особенностью применения пневматики в АМ являются большие инерционные нагрузки на многих пневмоагрегатах (ПА), (например ПА поворота колонны манипулятора). Эти обстоятельства тре-
буют применения радикальных способов торможения для обеспечения безударного срабатывания, а также использование энергосберегающих структур ПА.
Анализ литературных источников показывает, что в качестве потребленной энергии будем использовать произведение удельной работоспособности сжатого воздуха на массовое количество воздуха, полученного ПА в процессе одного срабатывания.
Цель статьи
Целью статьи данной работы является разработка способа торможения (управления) ПА, который позволяет наряду с безударным срабатыванием РО ПА,
в максимальной степени, реализовать работоспособность сжатого воздуха и обеспечить снижение потребления сжатого воздуха в несколько раз.
Постановка задачи
Задачей исследования является не только разработка самой схемы ПА и алгоритма его управления, но и обоснование на основе математического моделирования и машинного эксперимента эффективности предложенного способа, а также определение области рационального использование предложенного метода.
Как показано в работах [1, 2], в качестве удельной работоспособности сжатого воздуха (1р ) можно принять удельную работу сжатия в идеальном компрессоре при изотермическом режиме. Эта работа состоит из двух частей:
lp = RTM ln(pm / pa) = ^(рм - Pa) + U Рм
(1)
где Тм - абсолютная температура в питающей привод магистрали, первый член в выражении (1) - работа проталкивания, второй член и - удельная потенциальная энергия сжатия (расширения).
В наибольшей степени работоспособность сжатого воздуха используется в ПА, где возможна реализация обеих составляющих, т.е. там, где кроме работы проталкивания используется и работа расширения. Кроме того, для более эффективного использования энергии сжатого воздуха, необходимо потенциальную энергии сжатого воздуха, накопленную в тормозной полости цилиндра при гашении кинетической энергии подвижных частей также либо возвращать в магистраль питания (т.е. осуществлять рекуперацию) либо непосредственно использовать при обратном ходе поршня. Последнее предпочтительней из-за повышения быстродействия.
Фазы движения Тт т 1 2
о а я а с а (D Исходное состояние 1 1
Разгон 0 0
к | Торможение 0 1
а Ч Фиксация 1
о а Исходное состояние 0 1
(D ч а <и Разгон 1 0
к к Торможение 1 1
Фиксация 0
Рисунок 1. Схема с компрессионно-приводным режимом движения
На рис. 1 представлена пневматическая схема, которая эффективно реализует перечисленные выше условия. ПА работает с неполным заполнением рабочей полости цилиндра, т.е. в процессе движения
рабочего органа ПА используется работа расширения сжатого воздуха. Кроме этого, реализуется, так называемый, компрессионно-приводной, который кроме реализации в максимальной степени работоспособности поступающего в рабочую полость сжатого воздуха, использует накопленную при торможении энергию сжатого воздуха для обратного хода.
Схема реализуется с помощью двух 5-ти линейных пневмораспределителей (4, 5) типа 231-12 и обратного клапана 6. При быстром движении рабочего органа ПА вправо в начале движения рабочая полость коммутируется с магистралью питания через открытый обратный клапан 6, а выхлопная полость - с атмосферой. Фиксаторы 3 опущены.
При торможении тормозной распределитель 5 переводится в правую позицию путем подачи тока управления на электромагнит. Правая (выхлопная) полость цилиндра наглухо перекрывается, левая (рабочая) полость также оказывается запертой ввиду закрытия обратного клапана 6. Тормозной эффект создается за счет роста давления Р2 и падения давления Pi. При этом, воздух в рабочей полости, расширяясь, продолжает совершать работу, т.е. осуществляется отбор потенциальной энергии сжатия воздуха.
В этой фазе сжатый воздух отключается от фиксатора 3 и они под действием пружин выдвигаются. К концу хода скорость поршня гасится, и он становится на фиксатор. При обратном ходе синхронно с переключением реверсивного распределителя 4 тормозной распределитель 5 возвращается в левую позицию. Одновременно с этим сжатый воздух подается к фиксатору, и он освобождает поршень. Поршень движется влево за счет давления Р2, запасенного в тормозной полости в предыдущей фазе движения. Так как этот уровень давления, как правило, больше магистрального давления Рм, то обратный клапан 6 закрыт. По мере движения влево давление Р2 падает. При этом совершается работа за счет потенциальной энергии сжатого воздуха, запасенной в тормозной полости на предыдущем этапе движения. При понижении давления до уровня магистрального обратный клапан 6 открывается, правая полость начинает подписаться из магистрали. При торможении поршня, движущегося влево, тормозной распределитель 5 опять переводится в правую позицию (подается ток на электромагнит) и фиксаторы вновь выдвигаются.
Таким образом, пневмомеханизм при разгоне работает как привод, а при торможении - как компрессор, запасая энергию для обратного хода.
На рис. 2 представлен переходный процесс, полученный в размерной форме на ЭВМ для привода с компрессионно-приводным режимом работы. Расчетный переходный процесс получен для ПА поворотного модуля автоманипулятора. В расчет заложены данные поворотного пневмодвигателя ПДП 2-25.100.150. Исходные данные для расчета: mnp = 2000 кг, L = 0,17 м, f = 14 мм2; f23 = 24 мм2 ; F = F2 = 0,785-10-2 м2 ; и P = 500 H; x01 = x02 = 0,03 м. где mnp - приведенная к штоку масса подвижных частей; f3 , f23 - эффективные площади соответственно впускного и выпускного тракта; Ft, F2 - площади торцов поршня; P - статическая нагрузка; x01, x02 - начальные координаты поршня слева и справа (мертвый объем); L - полный ход поршня.
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
0.4 0.2 0
0.2 Е, Дж 1000
0.4
800
-0.6
600 400 200 0
1.8
t,c
Рисунок 2. Переходный процесс в ПА с компрессионно-приводным режимом движения
Степень сжатия в тормозной полости достигает 2,35. Время срабатывания при движении в одну сторону - 0,48 с. Время, в течение которого осуществляется подпитка из сети (:подп) составляет 0,197 с. При полном ходе L=0,17 м только в пределах 0,07 м осуществляется контакт рабочей полости с питающей сетью.
На рис. 3 представлены результаты сравнительных расчетов на ЭВМ для ПА, работающих при указанных выше условиях по схеме на рис.1 (сплошные линии) и по традиционной схеме, когда в конце хода ставятся гидроамортизаторы. Энергия сжатого воздуха (рабо-
Р,
МПа 1.6
тоспособность), необходимая для срабатывания ПА, работающего по классической схеме, составляет 640 Дж при времени срабатывания 0,8 сек. Для агрегата, работающего по схеме на рис.1, затраты составляют 120 Дж при времени срабатывания 0,48 с.
При расчетах на ЭВМ основной задачей численного интегрирования является правильный выбор координаты торможения. Машинно-ориентированная методика расчета оптимального торможения пути основана на численном интегрировании шаговым методом системы дифференциальных уравнений, описывающих работу двухстороннего ПА [2, 3].
1.4 1.2
х, м 0.16у 1.0
0.12 - 0.8
0.08 - 0.6
0.04 - 0.4
0^ 0.2
0
г=0.48 с
__\/ __
¿Л х Уу Е / / ---
\ Е / \ \ / / , > ■■ х , ^ -
^2 \
Е, Дж 600
500
400
300
200
100
0
КМ
0.4 0.2 0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
г, с
Рисунок 3. Сравнительный переходный процесс для ПА с компрессионно-приводным режимом
движения
В результате интегрирования для ;-го момента времени известны р1;, р2; (давления в рабочей и выхлопной полостях), х; (положение поршня), V; (скорость поршня). После вычисления этих значений машина выбирает положение (позицию) тормозных распределителей 6 и 7. Для этого при каждом шаге интегрирования прогнозируется соотношение работы расширения газа (П1;) и кинетической энергии движущихся частей (к;) с работой сил, тормозящих движение (А;) и работой сжатия в тормозной полости (П2;), в случае перекрытия магистралей в данный момент времени.
П =
П =
F1P1,(x01 + x,)
k -1
1 -
F2P2i(X02 + L - Xi)
k - 1
X01 + x, x, + L
x +L -x
\k-1
+L
-1
A, = (L-x,)P ; k =
mV2
Состояние тормозного распределителя 5 выбирается из условия:
Т2 = 0 , если П^ + ki<П2i + Ai , Т2 = 1, если П + ki > П2i + Ai .
m
kcp = Г V2dt
™ 2t J '
где ^ - эффективная площадь впускного тракта пневмоагрегата; уа = Ра/Рм ; В = ^2к/к-1; ф(Рм,Ра) - расходная функция [2].
Для обобщения динамических и энергетических характеристик пневмоприводов обычно переходят к безразмерным параметрам, используя при этом критерии динамического подобия [3]:
в = Mrf -
Lm
f3
2
■6 - критерий инерционности;
(2)
77 - относительная эффективная площадь вы-fi
хлопного тракта;
х - pF - относительная статическая нагрузка;
t6 - (э
Fi
f/VkRT;
t.
базовая единица времени;
тср - -t^ - безразмерное время срабатывания; t6
M = -—S-
относительное количество сжатого
(3)
Будем оценивать степень энергетического совершенства по осредненному значению КПД пср. В том случае, кроме величины полезной работы Р ■ L , следует учитывать осредненную за цикл кинетическую энергию подвижных частей привода:
воздуха, потребленного ПА;
где рм - плотность воздуха при параметрах Рм и
Т
Для определения области рационального использования агрегатов с компрессионно-приводным режимом работы на рис. 4 представлены графики, отражающие влияние основных критериев подобия в и х на время срабатывания тс, осредненный за цикл КПД
(4) сжатого воздуха М5, потребленное за один цикл.
где - время движения поршня из начального положения в конечное.
В качестве затраченной энергии будем использовать работоспособность сжатого воздуха, потребленного в процессе этого срабатывания (АП0Л ).
A
пол _ !р' ms ,
где 1р - удельная работоспособность сжатого воздуха; М3 - массовое количество сжатого воздуха, потребленного ПА.
В работе [1] показано, что после принятия ряда допущений:
P
1 = RT ln-^,
Р м р
(5)
где Рм ,Тм - параметры сжатого воздуха в питающей магистрали; Ра - атмосферное давление; Я - газовая постоянная. С учетом этого: т
„_
зср =-р-"гср-, (6)
Уа О
J V2dt + P ■ L
M, л Cp 1.0 T
0.8
0.6
0.4
0.2 -
T 7
-- 6 5 4
-- 3 -- 2 -- 1 0
Рисунок 4. Определение области рационального использования ПА с компрессионно-приводным режимом движения
Как видно из этих графиков, эффективность использования энергии сжатого воздуха резко возрастает с ростом инерционной нагрузки (с уменьшением в ).
Однако, наиболее существенное увеличение быстродействия наблюдается при 1 <Р<3 . С точки зрения энергетики наибольшая эффективность данного привода достигается при 0,1 <Р<2 .
k-1
x
0
2
3
4
Энергетическая эффективность этих приводов тем выше, чем больше добротность колебательной системы, т.е. чем меньше сжатого воздуха расходуется для подпитки схемы в процессе работы.
Выводы
Предложенный метод торможения, с использованием компрессионно-приводного режима, дает очень высокий эффект при больших инерционных нагрузках и рекомендуется к использованию в ПА с большой приведенной массой на рабочем органе.
Литература
1. Морачевский В. Л., Зорин Е. В. Энергетика и динамика многоступенчатого воздушного привода для автомати-
ческих устройств // Пневмоавтоматика. М.: Наука, 1966. С. 244-250.
2. Крутиков Г.А. Определение степени энергетического со-
вершенства пневмоприводов дискретного действия // Гидропривод и гидропневмоавтоматика. - Киев: Техника. - 1985 - Вып. 32. - С. 38 - 43.
3. Крутиков Г.А., Кудрявцев А.И. Торможение пневмопри-
водов автоматических манипуляторов с большой инерционной нагрузкой // Вестник машиностроения. - М., 1984. №2. С. 20 - 25.
4. Крутиков Г.А., Кудрявцев А.И., Пекарь Л.А. К вопросу вы-
бора способа торможения пневмоприводов с большими присоединительными массами // В кн. Пневматика и гидравлика. Приводы и системы управления. - М., Машиностроение, 1987, вып. 13, С. 60 - 70.
■а о
Рассмотрены газодинамические особенности проектных решений по турбине и компрессору энергетической газотурбинной установки ГТЭ-45/60, выполненной по блокированной схеме. Приведены конструктивные схемы машин, характеристики компрессора и турбины, необходимые для расчета процесса запуска двигателя
■а о
УДК 621.175
ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ ТУРБОКОМПРЕССОРА ОДНОВАЛЬНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ГТЭ-45/60
В.В. Романов
Кандидат технических наук, доцент Технический директор ГП НПКГ «Зоря-Машпроект»
г. Николаев Контактный тел.: (0512) 49-36-34 E-mail romanov_referent@zorya.com.ua
1. Постановка проблемы и связь ее с важными научными и практическими заданиями
Работы по созданию новой газотурбинной уста-новоки с номинальной мощностью 45 (ГТЭ-45) и 60 (ГТЭ-60) МВт для энергетики были начаты ГП НПКГ «Зоря-Машпроект» в обеспечение государственных программ Минпромполитики, Минтопэнерго, утверж-
денных Кабинетом Министров Украины, связанных с сокращением потребления энергоресурсов [1,2]. К 2003 г. предприятие уже имело значительный опыт работы по созданию ГТД большой мощности. В Ивановской ГРЭС (РФ) были успешно проведены межведомственные испытания газотурбинной установки ГТД-110 мощностью 110 МВт (рис.1), которая полностью подтвердила свои технические показатели.
