CC BY
5
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ПРОЦЕССЫ
УДК 62-97-82
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-6-207-215
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ ТИХОХОДНЫХ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРНЫХ АГРЕГАТОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА УДЕЛЬНЫХ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ
С.С. Бусаров
В данной работе представлен альтернативный подход по определению рациональных конструктивных диапазонов тихоходных компрессорных агрегатов на основании удельных показателей. Получены рекомендации по отношению хода поршня к диаметру цилиндра при конкретных диапазонах диаметров поршней.
Ключевые слова: тихоходная длинноходовая ступень, теоретические исследования, интегральные характеристики, удельные показатели.
Проведённые за последние 10 лет исследования, посвящённые альтернативной замене современных многоступенчатых поршневых и мембранных компрессоров предназначенных для получения высоких и средних давлений на тихоходные длинноходо-вые агрегаты позволили группе учёных из Омского государственного технического университета создать партию опытных образцов таких агрегатов. Успешная реализация конструкций одноступенчатых поршневых агрегатов способных на выходе давать давление нагнетание 5МПа и более стала возможной за счёт решения двух основных проблем при получении высоких давлений это температурные ограничения и отрицательное влияние мёртвого объёма[1-3]. Температурные ограничения, как известно в компрессорных машинах, возникают в первую очередь из условий безопасной работы. Для воздуха и нейтральных газов ограничения установлены на температуре 420...450 К [4], для опасных газов требования жёстче, так, например, согласно ГОСТ 31843 температура ограничена пределом в 408К. Существенное снижение температуры сжимаемого газа в настоящее время осуществляется за счёт приближения цикла к изотермическому, при впрыске жидкости в полость рабочей камеры, при этом возникает ряд проблем с точной дозировкой жидкости, с материалами рабочей камеры и соединительных трубопроводов. В тихоходных же ступенях пошли по другому пути - снижение времени цикла. Так в работах [5-9] было определено, что для эффективной работы компрессора время цикла должно составлять от 2 до 4 с, такая длительность рабочего цик-ла,позволяет при интенсивном внешнем охлаждении ступени обеспечивать допустимую температуру нагнетаемого газа при степени повышения давления 100 и более при одноступенчатом сжатии. Что касается мёртвого объёма, то он неизбежно возникает в поршневых компрессорах и связан с температурными деформациями деталей компрессора и различными технологическими проточками и полостями [4,10]. В поршневых компрессорах относительный мёртвый объём составляет в лучших конструкциях по-
рядка 1,5%, в мембранных компрессорах эта величина менее 1%. Данные показатели не позволяют получить степень повышения давления более 30...50, если не принимать во внимание другие факторы уменьшающие производительность [11-13]. Тогда если конструктивно абсолютную величину мертвого объёма уменьшить нельзя при определённом диаметре цилиндра, то для уменьшения доли мертвого объёма от объема рабочей камеры, то есть относительной величины мертвого объёма достаточно удлинять цилиндр. В работах было определено, что для эффективного применения длинноходо-вых ступеней отношение длины хода поршня (S) к диаметру цилиндра (йц) должно составлять не менее 10[9, 11, 14].
Таким образом, полученные рекомендации по проектированию тихоходных компрессорных агрегатов: время цикла т=2 ... 4с и у=$/йц>10 основаны на следующих значениях интегральных характеристик- температура газа Т<430К, коэффициент подачи Х>0,7, индикаторный кпд п>0,7 [11].
Однако такой подход не единственный и альтернативой выбора эффективных параметров при проектировании тихоходных ступеней может стать подход, основанный на определение удельных показателей, а именно удельной энергоёмкости: N/m где m - масса агрегата, кг; а N - потребляемая мощность, кВт и удельная производительность V/m, где V - производительность компрессора, м3/с.
Объект исследования. В качестве объекта исследования в данной работе будут рассмотрены, созданные в настоящее время ступени поршневого тихоходного агрегата представленные на рис.1 [11,14,15].
а
б
Рис. 1. Тихоходная ступень с параметром: а — у=1,33 (Бц=150 мм; ход поршня 8=200 мм; б — у=10 (Бц=20 мм; ход поршня 8=200 мм; в — у=25 (Бц=20 мм; ход поршня 8=500 мм; г - у=10 (Бц=50 мм; ход поршня 8=500 мм
В табл. 1 представлены параметры тихоходных агрегатов с мксимальным давлением нагнетания, при котором интегальные характеристики имеют следующие значения температура газа Т<430К, коэффициент подачи Х>0,7, индикаторный кпд п>0,7.
г
в
Таблица 1
Сравнительный анализ массогабаритных параметров тихоходных __длинноходовых ступеней_
Параметр Тихоходный длинноходовые ступени
Конструкци диаметр цилиндра D^150 мм; ход поршня S=200 мм; время цикла 0,8...6 с диаметр цилиндра D^20 мм; ход поршня S=200 мм; время цикла 0,8.6 с D^20 мм; ход поршня S=500 мм; время цикла 2.4 с D^50 мм; ход поршня S=500 мм; время цикла 2.4 с
Максимальное давление нагнетания, МПа 1 3 6 12
Температура нагнетания, К 390 340 360 430
Масса, кг 41,8 21 28 31
Занимаемый объём, м3 0,0412 0,012 0,028 0,028
Производительность, м3/с 0,00055 0,000044 0,0001 0,0007
Мощность, кВт 0,8 0,5 1,3 2,5
Метод исследования. Для получения данных по эффективным значениям удельных показателей тихоходных компрессорных агрегатов были проведены экспериментальные исследования с параметрами работы компрессорной ступени, соответствующими параметрам быстроходного компрессора (давления всасывания и нагетания) с которым выполнялось сравнение - см. табл. 2.
Схема измерения параметров рабочего процесса и интегральных характеристик тихоходной длинноходовой ступени представлена на рис. 2.
При работе поршневой компрессорной ступени измеряются параметры газа в рабочей камере (датчик температуры 8 и давления 9). В штуцер нагнетания 10 установлен датчик температуры 11 для определения средней температуры нагнетаемого газа. Регистрация данных о расходе происходит с помощью теплового датчика расхода газа типа AWM720P1 фирмы Honeywell 12. Данные с датчиков температуры, датчика давления и расхода поступают на цифровой запоминающий осциллограф типа 4119/1 производства АКИП 14, через модуль аналого-цифрового преобразования АЦП Е14-140М 13 и выводятся на экран персонального компьютера 15.
Рис. 2. Измерительная схема экспериментального стенда тихоходной длинноходовой ступени: 1 — поршень; 2 — шток; 3 — манжетные уплотнения;
4 — цилиндр; 5 — рубашка охлаждения; 6 — плита; 7 — крышка-фланец; 8, 11 — датчик температуры; 9 — датчик давления; 10 — нагнетательный штуцер;
12 — датчик расхода; 13 — модуль аналого-цифрового преобразования АЦПЕ14-140М; 14 — цифровой запоминающий осциллограф; 15 — персональный
компьютер
Действительная производительность ступени определялась датчиком расхода AWM720P1 и пересчитывалась на условия всасывания - Ve. Таким образом, коэффициент подачи определялся как отношение действительной производительности к производительности идеальной тихоходной ступени при идентичных условиях всасывания, режимных и конструктивных параметрах [10, 15]:
209
Л=^,
Vh
(1)
Изотермический индикаторный кпд определяется отношением величины индикаторной работы, полученной по экспериментальному графику зависимости мгновенного давления от величины объёма рабочей камеры, к работе идеального изотермического компрессора [15]:
Р.. ■Vh
Р
■ ln(—н-) Р
(2)
Lu,
Масса и объём занимаемый компрессором определялся по существующим экспериментальным образцам.
В табл. 2 представлены характеристики существующих компрессоров и тихоходных агрегатов, которые равноценно заменяемяют данные быстроходные по производительности и давлениям всасывания и нагнетания. В качестве тихоходной ступени была взята ступень, представленная на рис. 1, г.
Таблица 2
Параметр Значение
Наименование ШВ-3/100 ОАО «УКЗ», КП-500/40, ОАО «УКЗ», ЭКГ0,25/100, ОАО «Компрессор», SV200/64 J.A. Becker &Sohne (Германия)
г. Екатеринбург г. Екатеринбург г. Санкт Петербург
Давление всасывания, кПа 100 100-150 100 100
Давление нагнетания, МПа 10 4 10 6,4
Производительность, м3/ч 180 30 15 3
Мощность, потребляемая компрессором, кВт 50 7,5 10 4
Масса, кг 2000 200 600 120
Число ступеней сжатия 4 2 4 2
Габариты 2400х1250х1500 3 (V=4,5 м ) 850х640х700(У=0,38 3 м ) 950х770х960 3 (V=0,71 м ) 650х565х610 3 (V=0,224 м )
V/m, м3/с*кг 0,000025 0,000042 0,000007 0,000007
N/m, Вт/кг 25 37,5 17 33
Длинноходовая тихоходная ступень
Масса, кг 1600 155 240 80
Число ступеней сжатия 1 1 1 1
Габариты 72 цилиндра 3 (4,37 м ) 12 цилиндра 3 (1,25 м ) 6 цилиндра 3 (0,63 м ) 2 цилиндр 3 (0,19 м )
V/m, м3/с*кг 0,00002 0,00002 0,00002 0,00002
N/m, Вт/кг 13 13 13 13
Для последующего анализа требуется получить зависимости удельных характеристик от величины отношения хода поршня к диаметру цилиндра, для этого при вариантах исполнения ступени менялся ход поршня и согласно схеме (рис.2) снимались характеристики ступени, масса ступени рассчитывалась теоретически приизменении длины цилиндра относительно базового варианта (рис.1).
Результаты исследований. На рис. 3 - 5 показаны зависимости удельной энергоёмкости от величины отношения хода поршня к диаметру цилиндра, где 1 зависимость для тихоходной ступени, 2 для существующих компрессоров в соответствии с данными табл. 2 обозначены усредненные показатели удельных показателей.
На рис. 5-7 показаны зависимости удельная производительности от величины отношения хода поршня к диаметру цилиндра, где 1 зависимость для тихоходной ступени, 2 для существующих компрессоров.
О 0.5 1
Рис. 2. Зависимость удельной энергоёмкости от отношения хода поршня
к диаметру цилиндра для Бц= 150
N Вт
А 8060 ■ёо
20-V
-1-1-Н>.
О 5 10 15 *
Рис. 3. Зависимость удельной энергоёмкости от отношения хода поршня
к диаметру цилиндра для Бц= 50
О 5 10 15 20 25 30 41 Рис. 4. Зависимость удельной энергоёмкости от отношения хода поршня
к диаметру цилиндра для Бц= 20
«'г
А
20
10 -
+
+
—
О 0.5 1 1.5 41 Рис. 5. Зависимость удельной производительности от отношения хода поршня
к диаметру цилиндра для Бц= 150
Рис. 6. Зависимость удельной производительности от отношения хода поршня
к диаметру цилиндра для /),,= 50
-1-1-1-1-1-
О 5 10 15 20 25 30 *
Рис. 7. Зависимость удельной производительности от отношения хода поршня
к диаметру цилиндра для Бц= 20
Анализирую представленные графики можно сделать вывод, что при одинаковой производительности тихоходного длинноходового компрессора и быстроходного металлоемкость у длинноходового меньше, чем у быстроходного.
Усредненноудельная производительность для существующих компрессоров равна 0,00002 м3/с*кг, а удельная энергоёмкость 28 Вт/кг[16].
Исходя из полученных данных, удельных характеристик получаем рекомендуемые конструктивные параметры для тихоходных компрессорных ступеней:
D=20 мм - S/D=>10;
D=50 мм - S/D=>5;
D=150 мм - S/D=>1.
Данные результаты получены при определении удельных показателей для существующих компрессоров, то есть принимая удельный показатель меньше для тихоходных агрегатов по сравнению с существующими автоматически получаем требования к конструкции тихоходного агрегата.
Выводы. Представленный в данной работе подход по определению конструктивных параметров на основании полученных ранее экспериментальных данных, в котором за определяющие критерии были приняты удельные показатели поршневых компрессоров, позволил взглянуть с другой стороны на проблему проектирования тихоходных агрегатов. То есть если проектировщика интересуют в первую очередь удельные показатели, то можно воспользоваться данными рекомендациями. При этом предложенные рекомендации не противоречат критериям безопасной работы установок обозначенных в начале статьи.
Список литературы
1. Френкель М.И. Поршневые компрессоры: теория, конструкции и основы проектирования. 3-е издание, переработанное и дополненное. Л.: Машиностроение, 1969. 744 с.
2. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Теория и расчет. М.: Колос, 2000. Том 1. 456 с.
3. Фотин Б.С., Пирумов И.Б., Прилуцкий И.К., Пластинин П.И. Поршневые компрессоры; под общ. ред. Б.С. Фотина. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. 372 с.
4. Plastinin P., Fedorenko S. Simulation of Transient Gas-Temperatures in Cylinders of Reciprocating Compressors Using Identification Techniques With a Mathematical Model // International Compressor Engineering Conference. 1978. 295 p.
5. Nedovenchanyi A.V., Yusha V.L., Busarov S.S., GromovA.Yu., Sazhin B.S. Analysis of thermal state of intensely cooled long-stroke low-speed piston compressor stage // Chemical and Petroleum Engineering, 2017. Vol. 52. Р. 597-601.
6. Недовенчаный А.В., Юша В.Л., Бусаров С.С., Силков М.В. Анализ влияния закона регулирования линейного гидропривода на энергетические и динамические характеристики одноступенчатого компрессорного агрегата. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2019. № 11. С. 26-35. DOI: 10.18698/0536-1044-2019-1126-35.
7. Yusha V.L., Busarov S.S., Filkin N.Yu., Fedorova M.A., Denisenko V.V., Gon-charenko A.A., Shipov V.B., Bessonov O.G. Implementing the principles of operating processes schematization and of performance loss distribution when designing long-stroke reciprocating compressor stages // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2021. 1180. 012016. P. 1 - 11. DOI: 10.1088/1757-899X/1180/1/012016.
8. Busarov S.S., Yusha V.L., Busarov I.S., Kobilsky R.E. Comparative evaluation of methods for calculating the dynamics of self-acting valves in reciprocating compressor units // Chemical and Petroleum Engineering. 2020. Vol. 56. P. 644-652. DOI 10.1007/s10556-020-00824-6.
9. Бусаров С.С., Юша В.Л. Особенности реализации многоступенчатого сжатия в воздушных компрессорных агрегатах на базе тихоходных длинноходовых ступеней // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2021. №7. С. 27 - 30.
10. 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. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2018. Т.2. № 2. С. 13-18.
11. Недовенчаный А.В. Повышение энергетической и динамической эффективности поршневого малорасходного одноступенчатого компрессорного агрегата с линейным гидроприводом: дис. канд. техн. наук. Омск, 2020. 232 с.
12. Бусаров С.С., Юша В.Л. Экспериментальная оценка индикаторного коэффициента подачи поршневой длинноходовой компрессорной ступени // Компрессорная техника и пневматика. 2020. №3. С. 39-41.
13. Бусаров С.С., Юша В.Л. Определение показателей политропы схематизированных рабочих процессов воздушных поршневых тихоходных длинноходовых компрессорных ступеней // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2020. Т. 4, №1. С. 15-22. DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-115-22.
14. Yusha V.L., Busarov S.S., Goshlya R.Yu., Nedovenchanyi А^., Sazhin B.S., Chizhikov М.А., Busarov I.S. The experimental research of the thermal conditions in slow speed stage of air reciprocating compressor // International Conference on Oil and Gas Engineering. 0GE-2016. Procedia Engineering: Elsevier BV. 2016. Vol. 152. P. 297-302.
15. Юша В.Л., Бусаров С.С., Недовенчаный А.В. Экспериментальная оценка эффективности рабочих процессов тихоходных длинноходовых поршневых компрессорных ступеней при сжатии различных газов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2018. № 8. С. 27-29.
16. Щерба В.Е., Тегжанов А.С., Носов Е.Ю., Парамонов А.М., Блинов В.Н., Храпский С.Ф. Сравнительный анализ массогабаритных показателей бескрейцкопфной и крейцкопфной поршневых гибридных энергетических машин объемного действия // Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2019. № 9. С. 88-95. DOI: 10.18698/0536-1044-2019-9-88-95.
Бусаров Сергей Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, bssi1980@,mail.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет
PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF SILENT-SPEED RECIPROCATING COMPRESSOR UNITS ON THE BASIS OF THE ANALYSIS OF SPECIFIC INDICATORS
S.S. Busarov
This paper presents an alternative approach for determining rational design ranges of low-speed compressor units based on specific indicators. Recommendations are received on the ratio of the piston stroke to the cylinder diameter for specific ranges of piston diameters.
Key words: low-speed long-stroke stage, theoretical studies, integral characteristics, specific indicators.
Busarov Sergey Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, bssi1980@,mail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University
