Ресурс работы тихоходных длинноходовых ступеней компрессорных агрегатов и возможные пути его увеличения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.512

DOI: 10.25206/2588-0373-2019-3-1-42-49

РЕСУРС РАБОТЫ ТИХОХОДНЫХ ДЛИННОХОДОВЫХ СТУПЕНЕЙ КОМПРЕССОРНЫХ АГРЕГАТОВ И ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ ЕГО УВЕЛИЧЕНИЯ

В. Л. Юша, С. С. Бусаров, А. В. Недовенчаный, И. С. Бусаров, Р. Э. Кобыльский, Д. С. Титов

Омский государственный технический университет, Россия, 644050, г. Омск, пр. Мира, 11

В работе представлены теоретические исследования по увеличению ресурса работы поршневых уплотнений, выполненных на основе фторопласта путём изменения скорости движения поршня и, соответственно, более эффективного режима охлаждения. Предложена конструкция с двумя навстречу движущимися поршнями, позволяющая увеличить ресурс работы тихоходных длинно-ходовых ступеней.

Ключевые слова: тихоходный поршневой агрегат, манжетное уплотнение, особенность работы поршневого компрессора, увеличение ресурса работы в паре трения.

Введение

Повышение надежности и долговечности машин в условиях массового и серийного производства является одной из главных проблем современного машиностроения. Экономическое значение данного фактора вполне очевидно. Как показывает статический анализ (в 75 случаях из 100), главной причиной выхода из строя машин является не их поломка, а износ подвижных сопряжений и рабочих органов под влиянием сил трения [1]. Вынужденные простои машин во время ремонта приводят к значительным экономическим потерям в большинстве отраслей промышленности, при этом каждый пятый рабочий входит в состав ремонтной службы. Также на нужды ремонта из производственных мощностей выделяется большой парк металлообрабатывающих станков. Таким образом, повышение износостойкости деталей машин является основным резервом увеличения их долговечности [2].

Постановка задачи

Основными узлами, наиболее сильно влияющими на ресурс работы поршневых компрессорных ступеней, являются: органы газораспределения — самодействующие клапаны и цилиндропоршневые уплотнения.

В существующих компрессорных установках при первом ТО поршневые уплотнения (в нашем случае манжеты) меняются в первую очередь [3]. Это обусловлено нагруженностью и постоянной работой пары трения: подвижным поршнем и неподвижным цилиндром, а также ответственностью данного узла, обеспечивающего требуемую производительность компрессора за счёт герметизации рабочей камеры. Основные требования, предъявляемые к конструкции уплотнений, — хорошее уплотнение зазора между поршнем и

рабочей поверхностью цилиндра, обеспечение допустимых износов как собственно уплотнения, так и рабочей поверхности цилиндра [4]. При нарушении контакта между рабочей поверхностью цилиндра и наружной поверхностью уплотнения образуются большие площади (зазоры) для перетекания газа. Скорость износа уплотнений имеет особо важное значение при высоких давлениях. Поэтому для нормальной работы уплотнения необходимо обеспечить совершенное прилегание кольца к стенкам цилиндра, а также сохранить этот контакт на протяжении возможно более длительного времени [2].

Объектом исследования в данной работе является тихоходная ступень поршневого агрегата с манжетным уплотнением, работающая без смазки проточной части [5]. При теоретических исследованиях ступени были заданы следующие параметры: диаметр цилиндра — 0,05 м; ход поршня — 0,5 м; температура охлаждающей среды — 293 К, охлаждающая среда — вода; сжимаемый газ — воздух; начальная температура газа — 293 К, давление всасывания — 0,1 МПа, давление нагнетания — до 10 МПа; время рабочего цикла — 2...4 с.

Тихоходная длинноходовая ступень подробно описана в работах [6, 7].

Одним из недостатков тихоходной длинноход-ной бессмазочной ступени является интенсивный износ манжетных уплотнений вследствие высокого перепада давления.

Одним из путей повышения ресурса манжетного уплотнения может служить применение усовершенствованной конструкции, представленной на рис. 1.

Теоретически увеличить ресурс работы ступени (манжетного уплотнения) можно путем применения конструкции поршневой ступени с двумя поршнями, движущимися навстречу друг другу. При данной конфигурации для обеспечения за-

а)

б)

Рис. 1. Общий вид конструкции тихоходной ступени с двумя поршнями: а) 3D модель агрегата; б) разрез ступени; 1 — клапанный узел; 2 — поршень в сборе; 3 — шток; 4 — фланец; 5 — гидроцилиндр; 6 — бобышка; 7 — рукав высокого давления;

8 — упор; 9 — уголок; 10 — рама; 11 — тройник Fig. 1. General view of the design of low-speed stage with two pistons: a) 3D model of the unit; b) step cut; 1 — valve assembly; 2 — piston assembly; 3 — stock; 4 — flange; 5 — hydraulic cylinder; 6 — boss; 7 — high pressure hose; 8 — stop; 9 — corner; 10 — frame; 11 — t-piece

Sj

о о

M М

s К hi,

i л о н

о °

is

o|

о и c о

о е

v с

o о

о

-i -о

-о о

данного рабочего объема каждому из поршней за один ход требуется пройти вдвое меньшее расстояние. Это означает меньшую скорость движения при фиксированном времени цикла.

Теория

Разработанная методика расчёта учитывает все процессы, происходящие в реальной тихоходной ступени с учётом газовых потоков через неплотности рабочей камеры.

Начальными параметрами при работе методики расчёта являются: начальная температура газа; давление в стандартной точке нагнетания и всасывания; относительная влажность воздуха; параметры рабочего тела: газовая постоянная, теплоемкость газа, коэффициент теплопроводности газа, конструктивные и режимные параметры объекта: диаметр цилиндра рабочей камеры, ход поршня, абсолютное значение величины мертвого объема, время цикла; параметры материала деталей, формирующих рабочую камеру: плотность, теплоемкость, коэффициент теплопроводности; толщины стенок деталей; параметры клапанов, позволяющие рассчитать газовые потоки через них; приведённый коэффициент теплоотдачи на внешних поверхностях ступени.

Текущие параметры в создаваемом массиве данных: температура газа, давление газа, температура элементов стенок рабочей камеры,

тепловые потоки, масса газа в рабочей камере могут быть использованы для анализа рабочего процесса, построения различных графиков и зависимостей.

Интегральные характеристики ступени выводятся отдельным файлом: средняя температура нагнетаемого газа, коэффициент подачи, изотермический индикаторный КПД, мощность [8].

Расчетная схема подробно рассмотрена в работе и представлена на рис. 2.

Упрощающие допущения, принятые для создания данной методики расчёта, соответствуют общепринятым для данного класса математических моделей: рабочее тело является непрерывной и гомогенной средой; текущие параметры рабочего тела имеют осреднённое значение в каждой точке камеры сжатия; не учитывается изменение потенциальной и кинетической энергии рабочего тела; считается, что выделившаяся теплота при трении манжетных уплотнений полностью рассеивается в окружающую среду; не учитываются пульсация газа во всасывающем и нагнетательном патрубках (давления принимаются постоянными); истечение рабочего газа через самодействующие клапана и неплотности рабочей камеры считается адиабатным; теплообмен между газом и стенками рабочей камеры — конвективный; теплоотдача на внешних поверхностях стенок рабочей камеры, определяется при постоянном по времени ко-

Рис. 2. Схема длинноходовой тихоходной ступени поршневого компрессора, использованной в методике расчёта Fig. 2. Diagram of the long-stroke low-speed stage of a piston compressor used in the calculation method

.а О

S

lQ

О 2 ri О

ss

> 2 LQ <

X О

о > <6

=

° Й" Ь °

< at

U < > £5 id

< < < .

эффициенте теплоотдачи, выбранном для рассматриваемого участка теплообменной поверхности [9].

Уточненная методика расчета рабочего процесса тихоходных длинноходовых компрессорных ступеней основана на следующих уравнениях [8]:

U =

п

U

,+ dU ,

1 n

(1)

где и 1 — внутренняя энергия газа на (л—1)-м шаге по времени, Дж; йип — приращение внутренней энергии газа на п-м шаге по времени, Дж:

dU = dA -dQ ± dm i ,

n n n n In'

(2)

где йОп — величина тепла, отданного газом или подведенного к нему за промежуток времени (±с, Дж; йшп — приращение массы газа в рабочей камере на п-м шаге по времени с учётом утечек через клапаны и цилиндропоршневое уплотнение, кг; — энтальпия массы газа йш на п-м шаге по

Гп п

времени, Дж/кг; dAn работы, Дж.

элементарное количество

U„

1Гп

mnCBV

(3)

m = m , + dm ,

n n — 1

pr = m R Тг / V ,

' In n In n'

где pr

кг/м3; АРп — разность давлений на рассматриваемом элементе, Па.

Приведённая выше система уравнений решается численно методом элементарного баланса, при разработке программы расчёта был использован метод Эйлера второго порядка точности.

По данным [10, 11] теоретическая скорость износа снижается примерно пропорционально снижению скорости движения трущихся поверхностей.

По результатам испытаний компрессоров высокого давления в условия сухого трения износостойкость материала Ф4К15М5 при следующих характеристиках: Рн = 32 — 34 МПа, Сп = 5,2 м/с, Г =100-120 °С составляет 250 ч [12]? На основании данных испытаний компрессоров рассчитаем теоретически возможный ресурс работы уплотнений в тихоходных длинноходовых схемах.

Установлено по результатам известных исследований [3, 11, 13], что теоретическая скорость износа снижается пропорционально уменьшению скорости движения трущихся поверхностей, а также контактного давления. С учетом времени цикла для исследуемой ступени — 2 с (30 — циклов в минуту) ресурс работы манжетных уплотнений без учета влияния температуры определяется по формуле [14, 15]:

где ТГп — температура сжимаемого газа, К; Сву — теплоемкость газа при постоянном объеме, Дж/(К •кг); ш — масса сжимаемого газа, кг:

I = I

1 I 1II

Сп.1 . Pk.l Сп.2 Pk.2

(7)

(4)

(5)

где 1Т — теоретический ресурс работы, ч; ¡ш —

С

известный ресурс работы, ч; —---отношение

Сп.2

скорости поршня;

P

отношение контактных

давление сжимаемого газа на шаге

по времени — п, Па; Л — газовая постоянная, Дж/(К •кг); Уп — объем рабочей камеры на шаге по времени — п, м3.

йтп = а • 2.Р п ■ Iп ■^2рГ~АРП ■ Лх, (6)

где а — коэффициент; £п — суммарная площади проходного сечения на п-м шаге по времени,

м2; рг

плотность газа на n-м временном слое,

давлений.

Тогда, с учетом всех данных, получим теоретический ресурс работы без учета влияния температуры: /Т=7800 ч.

Экспериментальные данные, полученные для температуры стенок длинноходовой ступени при данных условиях работы — 340 К [16].

Рассчитаем теоретическую среднюю температуру для стенки цилиндра быстроходного компрессора по формуле [17].

/г-V

JL

2

t.c

Рис. 3. Зависимость теоретического ресурса работы от времени цикла для рассмотренных вариантов конструкций тихоходных ступеней: 1 — тихоходная ступень с двумя поршнями; 2 — тихоходная ступень Fig. 3. Dependence of the theoretical work resource on the cycle time for the considered options for the construction of low-speed stages: 1 — low-speed stage with two pistons; 2 — low-speed stage

0.800.600.40 0.20

1

JL "П

4 Л-

' Ч " ■-

2

3

4

t,C

Рис. 4. Зависимость коэффициента подачи от времени цикла:

1, 3, 5 — обычная ступень с давлением нагнетания

соответственно 3МПа; 5МПа; 10МПа;

2, 4, 6 — ступень с двумя поршнями и давлением нагнетания соответственно 3МПа; 5МПа; 10МПа

Fig. 4. Dependence of the feed rate on the cycle time: 1, 3, 5 — usual step with discharge pressure accordingly 3 MPa; 5MPa; 10MPa; 2, 4, 6 — stage with two pistons and discharge pressure, respectively, 3 MPa; 5MPa; 10MPa

О

IS 1> N1

OS g О E н T x >0 z А

■ К > О

ia

i о

О

< К

O О

tcp = 0,2 tBC + 0,7tOXA + 1,35 n0 +

+ (s- 1)

10,5 + 2,8 — - 0,2n0

S

П

(8)

где t

t

cp

температура всасываемоего газа;

-ол температура охлаждаемого воздуха; п0 — частота вращения коленчатого вала; е — степень А5

повышения давления;--относительное переел

мещение поршня от ВМТ.

Тогда, учитывая выше представленные данные, получим среднюю температуру стенки цилиндра: I =102 °С.

Учитывая данные зависимости износа от температуры поверхности, получаем, что для данных параметров (температура в зоне трения меньше на 30 К) значение износа при меньшей температуре будет в 2,5 раза меньше [6, 13, 18].

Тогда, учитывая влияние температуры, теоретический ресурс работы определяется по формуле:

/гл=2,5 1Т.

Тогда с учетом температуры ресурс работы составит: 1Т 1= 19 500 ч. Таким образом, представленные расчеты показывают, что ресурс работы длинноходовой тихоходной ступени поршневого компрессора с интенсивным охлаждением цилиндра может составлять не менее 19 000 ч.

Аналогичным методом определим теоретический ресурс для исследуемой длинноходовой ступени с двумя поршнями (рис. 1). С учетом времени цикла 2 с, при скорости скольжения 0,250 м/с ресурс работы без учета температуры составит: 1Т=15 600 ч. Учитывая температуру 340 К (температура в зоне трения меньше на 30 К), рассчитаем теоретический ресурс работы по формуле: 1Т = 39 000 ч.

Аналогичным методом определим теоретический ресурс для быстроходного компрессора. При скорости движения 1,5 м/с ресурс работы без учета температуры составит: 1Т= 2600 ч.

С учетом влияния температуры (температура в зоне трения меньше на 20 К) теоретический ресурс работы составит: 1Т = 2600 • 1,5 = 3900 ч.

Результаты экспериментов

На рис. 3 представлены зависимости ресурса работы цилиндропоршневого уплотнения от времени цикла для тихоходных поршневых компрессорных агрегатов.

Однако тихоходные ступени имеют ряд особенностей, которые существенно влияют на рабочий процесс. В первую очередь это существенные утечки через уплотнения. Для схемы с двумя поршнями соответственно периметр цилиндропоршневого уплотнения, через который утекает газ из рабочей камеры, будет в 2 раза больше. Поэтому воспользуемся методикой, изложенной выше и определим, на сколько необходимо увеличить объём рабочей камеры (то есть ход поршня при одном и том же диаметре цилиндра), чтобы производительность осталась неизменной.

На графике, представленном на рис. 4, показана зависимость коэффициента подачи от времени цикла для рассматриваемых конструкций тихоходных ступеней [17, 19].

Из рис. 4 следует, что наличие двух поршней в конструкции тихоходной ступени уменьшает коэффициент подачи до 10 % по сравнению с простой конструкцией тихоходной ступенью, то есть, соответственно, необходимо увеличить ход поршня. Это приведёт к некоторому уменьшению ресурса по сравнению с данными, приведёнными на рис. 3, но, как показано на рис. 5, ресурс для двухпоршневой ступени тем не ме-

Рис. 5. Зависимость теоретического ресурса работы от времени цикла для рассмотренных вариантов конструкций тихоходных ступеней с учётом обеспечения равных производительностей: 1 — 1, 2—1, 3-1 — тихоходная ступень с двумя поршнями соответственно для давления нагнетания 3, 5, 10 МПа; 1, 2, 3 — тихоходная ступень соответственно

для давления нагнетания 3, 5, 10 Мпа Fig. 5. Dependence of the theoretical service life on the cycle time for the considered options for the construction of low-speed stages, taking into

account ensuring equal performance: 1-1, 2-1, 3-1 — low-speed stage with two pistons, respectively, for a discharge pressure of 3, 5, 10 MPa; 1, 2, 3 — low-speed stage, respectively, for a discharge pressure of 3, 5, 10 MPa

Рис. 6. Зависимость теоретического ресурса

от скорости поршня для быстроходных компрессорных агрегатов:

1 — давление нагнетания 3 МПа;

2 — давление нагнетания 5 МПа;

3 — давление нагнетания 10 Мпа

Fig. 6. Dependence of the theoretical resource on the piston speed for high-speed compressor units:

1 — discharge pressure 3 MPa;

2 — discharge pressure 5 MPa;

3 — discharge pressure 10 MPa

<S

<"> о

о ^^ й-

< <

нее будет выше, чем для конструкции с одним поршнем.

На рис. 6 представлена оценочная зависимость ресурса работы цилиндропоршневого уплотнения от скорости поршня для быстроходных поршневых компрессорных агрегатов при существующих средних скоростях движения поршня в таких агрегатах.

Представленные на рис. 5, 6 результаты показали, что для тихоходных поршневых ступеней ресурс работы на порядок превышает ресурс работы быстроходных ступеней. Полученные результаты объясняются отличием режимов работы тихоходных поршневых ступеней от быстроходных.

Заключение

Проведённые теоретические результаты показали, что для тихоходных поршневых ступеней уменьшенная скорость движения поршня и, соответственно, более эффективный режим охлаждения позволяют увеличить ресурс работы поршневых уплотнений, выполненных на основе фторопласта. Так, для быстроходных ступеней были получены значения ресурса работы от 500 до 12 000 ч (при средней скорости поршня 1,5...5,2 м/с), при использовании же тихоходных ступеней сжатия ресурс работы составил до 100000 ч при времени цикла от 2 до 4 с.

Предложенная в данной работе конструкция с двумя навстречу движущимися поршнями является одним из примеров возможной реализации конструкции, позволяющей увеличить ресурс работы тихоходных ступеней и в перспективе добиться ресурса работы более 120 000 ч.

Список источников

1. Костецкий Б. И., Носовский И. Г., Баршадский Л. И. Надежность и долговечность машин. М.: Машиностроение, 1975. 408 с.

2. Крагельский И. В., Добычин М. Н., Комбалов В. С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 135 с.

3. Мыслицкий Е. Н., Киселев Г. Ф., Рахмилевич З. З. Техническое обслуживание и ремонт поршневых компрессорных машин. М.: Химия, 1978 160 с.

4. Захаренко С. Е., Анисимов С. А., Карпов Г. В. [и др.]. Поршневые компрессоры. М.: Машиностроение, 1961. 151 с.

5. Чичинадзе А. В., Браун Э. Д., Буше Н. А. [и др.]. Основы трибологии (трение, износ, смазка) / под ред. А. В. Чичинадзе. М.: Центр Наука и техника, 1995. 778 с.

6. Yusha V. L., Busarov S. S., Aistov I. P., Titov D. S., Vansovich K. A. Influence of wall thickness and properties of structural materials on the discharge temperature and strength characteristics of slow-speed long-stroke stages // International Conference on Oil and Gas Engineering. OGE-2016. AIP Conference Proceedings. 2016. Vol. 1876. P. 0200401—020040-8. DOI: 10.1063/1.4998860.

7. Бусаров С. С., Юша В. Л., Недовенчаный А. В., Громов А. Ю. Анализ температурного состояния интенсивно охлаждаемой длинноходовой тихоходной ступени поршневого компрессора // Низкотемпературные и пищевые технологии в XX веке: материалы VII Междунар. науч.-техн. конф. СПб.: Изд-во ИТМО, 2015. С. 66-69.

8. Бусаров С. С., Гошля Р. Ю., Громов А. Ю., Недовенчаный А. В., Бусаров И. С., Титов Д. С. Математическое моделирование процессов теплообмена в рабочей камере тихоходной ступени поршневого компрессора // Компрессорная техника и пневматика. 2016. № 6. С. 6-10.

9. Пластинин П. И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчёт. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Колосс, 2006. 456 с. ISBN 5-9532-0428-0.

10. Машков Ю. К., Овчар З. Н., Суриков В. И., Кали-стратова Л. Ф. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. Структурная модификация. М.: Машиностроение, 2005. 240 с. ISBN 5-217-03288-Х.

11. Yusha V. L., Busarov S. S., Goshlya R. Yu., Nedo-venchanyi 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 // International Conference on Oil and Gas Engineering. 0GE-2016. AIP Conference Proceedings. 2016. Vol. 152. P. 297-302. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.07.706.

12. Захаренко В. П. Основы теории уплотнений и создание поршневых компрессоров без смазки: дис. ... д-ра техн. наук. СПб., 2001. 159 с.

13. Юша В. Л., Бусаров С. С., Недовенчаный А. В., Гошля Р. Ю. Экспериментальное исследование рабочих процессов тихоходных длинноходовых бессмазочных поршневых компрессорных ступеней при высоких отношениях давлений нагнетания к давлению всасывания // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2018. Т. 2, № 2. С. 13- 18. DOI: 10.25206/2588-0373-2018-2-2-13-18.

14. Мышкин Н. К., Петроковец М. И. Трение, смазка, износ. Физические основы и технические приложения трибологии. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 368 с.

15. Чичинадзе А. В., Браун Э. Д., Буше Н. А. [и др.]. Основы трибологии (трение, износ, смазка) / под ред. А. В. Чичинадзе. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2001. 664 с.

16. Фотин Б. С, Пирумов И. Б., Прилуцкий И. К. [и др.]. Поршневые компрессоры. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. 872 с.

17. Френкель М. И. Поршневые компрессоры: теория, конструкции и основы проектирования. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1969. 744 с.

18. Пластинин П. И. Теория и расчёт поршневых компрессоров. М.: ВО Агропромиздат, 1987. 135 с.

19. Бусаров С. С., Недовенчаный А. В., Буханец Д. И., Щербань К. В. Верификация методики расчёта рабочих процессов бессмазочных тихоходных длинноходовых поршневых ступеней высокого давления // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2018. Т. 2, № 2. Р. 19-25. Б01: 10.25206/2588-0373-2018-2-2-19-25.

ЮША Владимир Леонидович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Холодильная и компрессорная техника и технология», декан нефтехимического института. SPIN-код: 1503-9666 AuthorlD (РИНЦ): 610283 ORCID: 0000-0001-9858-7687

БУСАРОВ Сергей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология». AuthorlD (РИНЦ): 610336 AuthorlD (SCOPUS): 51560987400 НЕДОВЕНЧАНЫЙ Алексей Васильевич, аспирант кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология». AuthorlD (РИНЦ): 762474 AuthorlD (SCOPUS): 57191035621 БУСАРОВ Игорь Сергеевич, аспирант кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология». AuthorlD (РИНЦ): 966534 AuthorlD (SCOPUS): 57191038188 КОБЫЛЬСКИЙ Роман Эдуардович, магистрант гр. ТМОм-181 факультета элитного образования и магистратуры.

AuthorlD (SCOPUS): 57195571233 ТИТОВ Даниил Сергеевич, соискатель по кафедре «Холодильная и компрессорная техника и технология».

Адрес для переписки: [email protected]

Для цитирования

Юша В. Л., Бусаров С. С., Недовенчаный А. В., Бусаров И. С., Кобыльский Р. Э., Титов Д. С. Ресурс работы тихоходных длинноходовых ступеней компрессорных агрегатов и возможные пути его увеличения // Омский научный вестник. Сер. Ави-ационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2019. Т. 3, № 1. С. 42-49. DOI: 10.25206/2588-0373-2019-3-1-42-49.

Статья поступила в редакцию 04.03.2019 г. © В. Л. Юша, С. С. Бусаров, А. В. Недовенчаный, И. С. Бусаров, Р. Э. Кобыльский, Д. С. Титов