CC BY
45
бинированного регулирования производительности при ограниченной мощности N3^.
Библиографический список
1. Абакумов Л. Г., Деньгин В. Г., Кулиш Л. И. Исследование конструктивных схем газостатического поршневого подвеса компрессора// Химич. и нефтяное машиностр.-1993. - № 5. - С. 12-14.
2. Абакумов Л. Г., Деньгин В. Г., Кулиш Л. И. Влияние параметров газостатического поршневого уплотнения на работоспособность компрессора/ НПО «Криогенмаш». - Балашиха, Моск. обл., 1991. - 16 с. - Деп. в ЦИНТИхимнефтемаш 02.08.91, № 2205-ХН91.
3. Болштянский А.П., Белый В.Д., Дорошевич С.Э. Компрессоры с газостатическим центрированием поршня. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. - 406 с.
БОЛШТЯНСКИЙ Александр Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Гидромеханика и транспортные машины».
БАЛАКИН Павел Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теория механизмов и машин».
Дата поступления статьи в редакцию: 16.11.2007 г. © Болштянский А.П., Балакин П.Д.
УДК 621.56:621.59 В. Е. ЩЕРБА
П. Д. БАЛАКИН А. А. ГЛОТОВ
Омский государственный технический университет
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГАЗОВОЙ КРИОГЕННОЙ МАШИНЫ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ЗАКОНА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПОРШНЯ И ВЫТЕСНИТЕЛЯ
В статье рассматривается работа гидравлических диодов в системе жидкостного охлаждения ротационного компрессора при пульсирующем потоке жидкости. Описаны постановка задачи, конструкция экспериментального стенда, методика проведения опытов, результаты и их обсуждение.
Эффективность работы газовой криогенной машины (ГКМ) существенно зависит от постоянства скорости газа, проходящего через регенератор [1, 2]. Этого можно, в принципе, добиться в конструкциях машин, у которых во время выравнивания давлений (процессы впуска и выпуска) поршень останавливается в соответствующей мертвой точке, а во время хода движется с постоянной скоростью. Как утверждают авторы [1], ни один из известных механизмов не удовлетворяют указанным требованиям. В связи с этим в действительных машинах расход газа через регенератор не является постоянной величиной, и во время процессов впуска и выпуска расход в 2,5-3 раза превосходит среднюю величину.
На рис. 1 изображены некоторые схемы типичных конструкций ГКМ.
Подробное описание рабочих циклов этих машин приведено в работах [1, 2 и др.], а здесь важно подчеркнуть, что для перемещения поршня и вытеснителя должен использоваться механизм, обеспе-
чивающий их возвратно-поступательное движение. В конструкции «а» движение вытеснителя 3 синхронизируется с работой клапанов 6, в конструкции «б» движение вытеснителя 3 синхронизируется с движением поршня 2.
В последнем случае синхронизация обеспечивается приводом от единого коленчатого вала или от двух синхронизированных зубчатым зацеплением двух коленчатых валов. При этом кривошипы, приводящие в движение поршень и вытеснитель, повернуты один относительно другого на оптимальный угол для обеспечения рабочего цикла (обычно, от 700 до 900).
Помимо кривошипно-шатунного механизма используются также синхронизированные кулисные приводы, известны попытки предложить и оригинальные конструкции (см., например, [3]). Реальное применение последних неизвестно.
Поиск конструкций приводов возвратно-поступательного движения, в которых возможно было бы корректировать закон перемещения поршня, позволил
Рис. 1. Некоторые схемы ГКМ, работающие по циклам: а) Гиффорда - Мак-Магона, б) Стирлинга [1, 2]: 1. Цилиндр. 2. Поршень. 3. Вытеснитель. 4. Теплообменник нагрузки. 5. Регенератор. 6. Клапаны. 7. Аппараты внешнего теплообмена
Рис. 2. Схема поршневого узла с кривошипно-шатунным приводом [4]: 1. Цилиндр. 2. Поршень (вытеснитель). 3. Составной шатун. 4. Кривошип. 5. коленчатый вал. 6. Механизм корректировки закона перемещения поршня. 7. Дополнительный шатун
результате этого величина Хг = т/Ьш, где г — радиус кривошипа, и входящая в уравнение изменения объема V цилиндра [5],
dV йт
- CD-Г
[ siü + -siu 2<р [
(1)
Рис. 3. Модернизированная схема поршневого узла с кривошипно-шатунным приводом: 1. Цилиндр. 2. Поршень (вытеснитель). 3. Составной шатун. 4. Кривошип. 5. Коленчатый вал. 6. Зубчатая цилиндрическая передача. 7. Дополнительный шатун.
8. Вспомогательный кривошип
обнаружить схему [4], в которой такая возможность существует (рис. 2).
Суть работы представленной конструкции состоит в том, что при вращении кривошипа 4 вместе с коленчатым валом 5 составной шатун совершает плоскопараллельное движение, а его длина ЬШ, измеренная между шарнирами кривошипа 4 и пальцем поршня 2, изменяется в связи с воздействием дополнительного шатуна 7, приводимого в движение механизмом 6. В
где т — текущее время процесса, Dc — диаметр цилиндра, ф — угол поворота кривошипа, становится переменной, и ее следует ввести в уравнение (1) в
виде V
Таким образом, регулируя в течение времени цикла величину Хг, можно изменить и закон изменения объема цилиндра, приближая его к линейному, т.е. к движению с постоянной скоростью.
Авторы [4] не уточняют, каким образом можно спроектировать реальный механизм 6 (рис. 2), чтобы обеспечить работу поршневого узла.
Очевидно, что такой механизм должен иметь жесткую связь с коленчатым валом привода, т.е. свое движение дополнительный шатун 7 должен получать через механизм, движение которого жестко связано с перемещением поршня или вытеснителя 2.
Традиционно такая жесткая связь, обычно, создается с помощью зубчатого зацепления. В этом случае конструкция поршневого узла схематично может выглядеть следующим образом (рис. 3).
В зависимости от формы и конструкции зубчатых колес 6, первоначального взаимного расположения кривошипов 4 и 8, длины (радиуса) кривошипа 8, отношения длин частей составного шатуна 3 возможна организация практически линейного закона перемещения поршня (вытеснителя) 2 в цилиндре 1 и кратковременная остановка поршня во время вращения приводного коленчатого вала 5. Однако,вероятным ограничением, накладываемым на возможные соотношения элементов данной конструкции, может оказаться ускорение при выходе поршня из мертвых точек, от которого зависят инерционные усилия, и которое неизбежно приведет к появлению прочностных и габаритных проблем.
Тем не менее предложенная конструкция механизма привода движения вытеснителя или поршня ГКМ может открыть дополнительные возможности по совершенствованию рабочих процессов, протекающих в их агрегатах.
Библиографический список
1. Криогенные газовые машины/А.Д. Суслов, Г.А. Гороховский, В.Б. Полтораус, А.М. Горшков. — М.: Машиностроение, 1982. - 213 с.
2. Криогенные машины/В.Н. Новотельнов, А.Д. Суслов, В.Б. Полтораус. — Спб: Политехника, 1991. — 335 с.
3. А.с. 848909 СССР. Холодильно-газовая машина/
A. П. Болштянский, Ю. Д. Терентьев, Ю. И. Гунько. Омский политехнический институт. - № 2688129/23-06; Заявлено 04.01.80; Опубл. 23.07.81. — Бюл. № 27.
4. Пат. РФ 2121580. Способ управления поршневой машиной с регулированием хода поршней и поршневая машина/
B.А. Конюхов, А.В. Конюхов, Е.В. Конюхова. № 98106142/06; Заявлено 27.03.98; Опубл. 10.11.98. — Бюл. № 31
5. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Том. 1. Теория и расчет. — М.: Колос, 2000. — 456 с.
ЩЕРБА Виктор Евгеньевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Гидромеханика и транспортные машины».
БАЛАКИН Павел Дмитриевич, доктор технических
наук, профессор, заведующий кафедрой «Теория механизмов и машин».
ГЛОТОВ Алексей Александрович, старший преподаватель кафедры «Гидромеханика и транспортные машины».
Дата поступления статьи в редакцию: 12.12.2007 г. © Щерба В.Е., Балакин П.Д., Глотов А.А.
УДК 621.56:621.59:621.313
П. Д. БАЛАКИН
Омский государственный технический университет
ГАЗОВЫЕ КРИОГЕННЫЕ МАШИНЫ МИКРОКРИОГЕННОЙ ТЕХНИКИ СО ВСТРОЕННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
В работе рассматривается возможность совмещения электропривода с элементами газовых криогенных машин (ГКМ). Приводятся два наиболее перспективных технических решения, позволяющих сократить массу и размеры ГКМ. Дан анализ конструкций, выявлены основные проблемы проектирования, для решения которых необходимо проведение НИОКР.
К газовым криогенным машинам (ГКМ) микрокриогенной техники (МКТ), обычно, предъявляются жесткие требования по габаритам и экономичности. Если первое требование предполагает в основном использование высоких технологий и специальных материалов, то для выполнения второго, как правило, необходим тщательный расчет и оптимизация рабочих процессов, а также приближение последних к идеальным.
Любая ГКМ содержит в своем составе такие элементы, как поршневой узел (один, два или несколько в зависимости от реализуемого цикла и количества ступеней), теплообменные аппараты, клапаны и другие устройства регулирования потоков рабочей среды, привод (чаще всего электрический) и механизм, преобразующий движение привода в движение поршней и вытеснителей [1, 2 и др.].
С точки зрения стремления к сокращению размеров ГКМ любой ее элемент может быть подвергнут анализу и попытке совершенствования, но особого внимания заслуживает возможность модернизации механизма перемещения поршней и вытеснителей. Здесь уменьшение габаритов машины возможно, например, путем совмещения конструкции электродвигателя с передаточным механизмом.
С другой стороны, организация идеального цикла ГКМ, в частности, возможна путем организации движения в поршневых узлах таким образом, чтобы, во-первых, существовала возможность остановки поршня или вытеснителя в мертвых точках, и, во-вто-
рых, чтобы их движение от нижней к верхней мертвой точке и обратно происходило со скоростью, близкой к постоянной для повышения эффективности работы аппаратов теплообмена.
В настоящее время существуют технические предложения, которые можно использовать для удовлетворения выше изложенных требований.
Так, например, авторы [3] предлагают электропривод поршневого узла совместить со сдвоенным кривошипно-кулисным механизмом (рис. 1), а в качестве кулисы использовать выступ ротора асинхронного двигателя. В этом случае сам привод можно отождествить с широко известным двухвальным приводом, нашедшим применение в крупных компрессорах и ДВС.
В данной конструкции якоря 6 под действием электромагнитных сил, создаваемых пульсирующим током с переменным направлением, протекающим через обмотки статора 5 и обмотки якоря 9, совершают колебательное движение вокруг осей 8, которое через зубья 7 и впадину 10 передаются штоку 3 с поршнем 2. По существу, здесь имеет место реечное зацепление, в связи с чем количество зубьев и, соответственно, впадин может быть больше единицы. Одновременно якоря 6 выполняют функцию противовесов, что дает возможность существенно снизить вибрационные нагрузки на ГКМ. К преимуществу конструкции следует также отнести теоретически отсутствие боковых усилий на поршне.
