CC BY
22
4. Целыковский Ю. К, Ерихемзон Л. Ю. Организация при угольных ТЭС производства безобжигового зольного песка — эффективное направление расширения использования зо-лошлаковых отходов ТЭС России // Энергетик. М. 2013. № 8. С. 26-28.
5. В. И. Резуненко [и др.] Экологические аспекты устойчивого развития теплоэнергетики России. В 2 ч. Ч. 2. Снижение негативного влияния на окружающую природную среду систем золошлакоудаления на пылеугольных ТЭС / Газпром; общ. ред. Р. И. Вяхирев. М.: Ноосфера, 2001. 73 с.
6. Бирюков В. В. [и др.]. Российская экономика: проблемы формирования ресурсосберегающей модели развития и подходы к их решению: моногр. / под общ. ред. В. В. Бирюкова. Омск: Изд-во СибАДИ, 2005. 178 с.
7. Делицын Л. М., Власов А. С. Необходимость новых подходов к использованию золы угольных ТЭС // Теплоэнергетика. 2010. № 4. С. 49-55.
ГААК Виктор Климентьевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика». ЛЕБЕДЕВ Виталий Матвеевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Теплоэнергетика».
ШЕРСТОБИТОВ Михаил Сергеевич, старший преподаватель кафедры «Теплоэнергетика». Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 17.01.2017 г. © В. К. Гаак, В. М. Лебедев, М. С. Шерстобитов
УДК 62-383 1 С. С. БУСАРОВ
В. К. ВАСИЛЬЕВ И. С. БУСАРОВ А. В. НЕДОВЕНЧАНЫЙ Д. С. ТИТОВ К. В. ЩЕРБАНЬ А. Ю. ГРОМОВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
СТАТИЧЕСКИЕ ПРОДУВКИ КЛАПАНОВ ТИХОХОДНЫХ ДЛИННОХОДОВЫХ БЕССМАЗОЧНЫХ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРНЫХ СТУПЕНЕЙ
В соответствии с известными методиками определения массового расхода при статических продувках на разработанном экспериментальном стенде определены величины условного зазора для клапанов, используемых при исследованиях тихоходных компрессорных ступеней. Полученные результаты позволили уточнить методику расчета рабочих процессов тихоходных длин-ноходовых поршневых ступеней и учесть реальные величины утечек. Ключевые слова: длинноходовой поршневой компрессор, рабочие процессы, условный зазор, утечки газа.
Прикладные научные исследования и экспериментальные разработки проводятся при финансовой поддержке государства в лице Минобрнау-ки России. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57715X0203.
Одной из проблем при работе поршневых компрессорных агрегатов, влияющих на рабочий процесс в целом и производительность в частности, является наличие утечек [1, 2, 3-5]. С физической точки зрения, природа утечек совершенно понятна: наличие перепада давления между рабочей камерой и окружающей средой.
В поршневых компрессорах основные утечки происходят через уплотнения цилиндропоршне-вой группы и клапаны нагнетания и всасывания.
По данным [3, 5] относительные утечки составляют 0,5-4 %.
Плотность клапанов в закрытом состоянии зависит, главным образом, от качества изготовления и может нарушаться при деформации пластины и седла. Неплотности клапанов приводят к потере производительности, нарушению температурного режима, которое может привести к недопустимому перегреву газа. Обычно, неплотности определяют путем замера времени, необходимого для фиксиро-
ванного изменения давления, обусловленного утечками. Неплотность принято выражать условным зазором мкм. Условный зазор — это такой зазор по всему периметру прилегания пластины к седлу, расход газа через который равен расходу через неплотности действительного клапана. Допустимое значение 5усл для различных типов клапанов составляет 0,25—1,0 мкм [2, 3].
Герметичность клапанов зависит от их конструктивных особенностей, совершенства технологии на предприятии-изготовителе и материалов пары «седло — пластина». В закрытых клапанах она может нарушаться вследствие деформаций седла и пластин, возникающих под действием статических и динамических перепадов давления на пластинах. Известно [3], что отсутствие герметичности закрытых всасывающих и нагнетательных клапанов приводит к снижению производительности ступени компрессора и к нарушению теплового режима компрессора, обусловленного нарастанием температур нагнетаемого газа. В ступенях с негерметичными всасывающими клапанами в процессах сжатия, нагнетания и расширения горячий газ будет перетекать из цилиндра в полость всасывания, увеличивая температуру газа, всасываемого в цилиндр в последующем рабочем цикле, что, в свою очередь, способствует росту температуры газа в цилиндре в начале и конце процесса сжатия, а соответственно, и температуры нагнетаемого газа. Такое явление должно продолжаться до момента выхода компрессора на новый установившийся тепловой режим и ухудшения энергетических характеристик. Аналогичное явление повышения температуры газа в цилиндре в начале (и конце) процесса сжатия будет иметь место и при негерметичных нагнетательных клапанах. В этом случае через зазоры в закрытых клапанах горячий газ проникает в цилиндр, способствуя росту температуры газа в конце всасывания — начале сжатия. Негерметичность клапанов обычно определяют путем измерения времени, необходимого для фиксированного изменения давления газа в емкости известного объема, когда это изменение давления обусловлено утечками газа через закрытый клапан. Неплотности клапана принято характери-
зовать условным зазором 5усл в микрометрах; под 5усл понимается такой зазор по всему периметру пластин клапанов, расход газа через который равен расходу газа через неплотности закрытого клапана. Для разных типов технически исправных клапанов значения 3 = 0,25... 1,0 мкм.
усл ' '
При инженерных расчётах для определения ориентировочной величины относительных утечек, естественно, используют рекомендации [2]. Однако для агрегатов, у которых конструктивные и режимные параметры значительно отличаются от параметров быстроходных ступеней, такой подход не годится. В связи с этим авторами проведен сравнительный расчётно-теоретический анализ рабочих процессов без учёта влияния утечек на рабочий процесс тихоходной ступени и с их учётом с использованием разработанной ранее методики расчёта [6]. Анализ индикаторных диаграмм показывает сильное отличие рабочих процессов при учёте неплотностей рабочей камеры (см. рис. 1).
Расчётные индикаторные диаграммы с учётом утечек в рабочей камере не имеют ярко выраженных площадок нагнетания и всасывания, диаграммы имеют вытянутые «каплевидные» формы, что обусловлено наличием неплотностей в рабочей камере.
В связи с этим для уточнения методики расчёта необходимо знать реальную величину условного зазора в клапанах, используемых при проведении экспериментальных исследований.
На экспериментальном стенде проводились испытания по продувке самодействующих клапанов (см. рис. 2) [3 — 5, 7]. Клапаны выполняются из различных материалов и применены два типа конструкции непосредственно клапана: грибкового типа и плоские клапана. По использованию материалов в эксперименте использовались следующие сочетания:
— клапан металлический — металлическое седло (грибкового типа и плоские клапана);
— клапан металлический — фторопластовое седло (клапана грибкового);
— клапан латунный — металлическое седло (клапана грибкового).
— клапан металлический конусный.
Рис. 1. Расчётные зависимости давления и температуры газа в рабочей камере за время цикла при интенсивном охлаждении и времени цикла т = 1,5 с, при давлении нагнетания Рн = 3МПа
с учётом утечек;------без утечек
температура газа в начальный момент времени, К; Т2 — температура газа в в конечный момент времени , К; V — геометрический объем ёмкости, м3; Дт— время пндекия давления, с;
— овр ееенялд пво щадь условного зазора по двум методикам:
— определяем условный зазор, используя уравнение расхода газа ер и адиабатном течении [3]:
М = Ф '■
Рис. 2. Схема клапана
3-к к —1
PP Ро
2
P_ Оk P
k+1 P 0 T"
P
(4)
Sy* =Ф=P = a-Sp
(2)
М =
P -v
R-T,
P2 ■V RT
(3)
At
нде Н' — площадь сечения отверстия при данной методике, мн; к — коэффицент адиабаты; Р0 и р0 — давленив о пмотне вкь газ а в с е суде, Па и кг/м3; Р — давление атмосфе рноговоздуха, Па;
— определяем условный зазер по известному способу дляопределения массового расхода неаиь-ноН жидкости через клапао с применением поправочного ноэф фиц иента сжимьееостн газа [3]:
Меф"-Сту/Л '(P-P2I ■
(5)
Рис. 3. Схема экспериментального стенда: 1 — стенд; 2 — испытуемый поршень; 3 — испытуемые клапаны;
4 — усилитель; 5 — цифровой осциллограф; 6 — персональный компьютер; 7 — датчик давления
Каждый клапан в закрытом состоянии обладает некоторым зазором ввиду неидеальности поверхностей седла и клапана. Из теории клапанов известно понятие эквивалентной площади [2, 3]:
Н е и' V ' (1)
где а — коэффициент расхода; V — площадь зазора, м2.
Таким образом, зная пееиметр щели в клапане (Р), по известным методикам определяется величина условного зазора:
где Н" — площадь сечения отверстия при данной методике, м2; н , Р2 — давления газа перед и после щелевого канала, Ин; рд — плвтноссь газа перо щелевым наналом, ог/т3; ер — кесфсНициент сжимаемости.
Необходимо заметить, что при использооаени ка^здой -13 методик экховалентные площани н' и н" не равны друг другу из-за неравенства коэффициентов расхода пр и использооании тоё или иной методики.
Погрешность измерения мгнозенной температуры при использовании бусонкового термистора [1,8,9].
Ш
V SM2 +Sp +SV2 +SF 2 ,
(3)
где 8р — реальный зазо°ь в ктаппке, м.
Измерительная сема еиедпаатеена нт оис. 3.
Измерения проводнлисн соедующим образом:
— в известный по объёму сосуд накачивался воздух, фиксировали начаньлое и конеоное даоле-ние и температуры гезв, а также тртмд пыдтния давления;
— по полученным значенвям воокоделяли массовый расход воздана ио формуле [8]:
где 8М — погрешнооть мулыиметра, опр еделяемая погрешностью прибора, 0,34 %; М( — погрешность термометра, опредк,—ьемая погрешн^стью прибора, 0,1 %; SV — погрешн1сть ьоиьтмет=а, мп%еделяемая погрешностью прибзра, 0,- %; 8р — погрешность расчёта по полеетн=ор иетереолированноь[ фо+муле, 1,5 %.
S = V0,342 и 0,12 и 0,32 и 1,5м = 1,5ел .
Разниеа межеу оеспе+ементальными и расчётными данными по оемпмркнуре газа — —е более 7,5 %.
Погрешности настрмйее времени циела определяется точееостьс тлоптронзого о—ьиллографа и составляет 0,05 %.
Определим приборную погрешность [10, 11] при тарировке датчика даесение, ошре+ееяемую по формуле [11]:
ерр =^ер2 +емн2 +ео2,
(4)
где Я — газовая встеяннея, ДжРзан 1И; — довлл-ние газа в начальный момл нт вре мен и, о а; Р2— давление газа в конвчный ккомвнт всмеш^Пт; 5,7 —
где 5Д — относиоольная погрешность датчика давления, %; 5МН — относительнея погрешеость абрае цового манометрв, %; к0 — относительная погрешность осциллографа, %.
Относительная погрешность датчика давления по паспорту 5Д = 1,4 %. Относительная погреш -иысте образцового манометра 8МН = 1,0 %. Отно-
Рис. 4. Экспериментальные результаты продувки клапанов Рис. 5. Экспериментальные результаты продувки клапанов
(по методике 1): 1 — клапан со фторопластовым седлом; (по методике 2): 1 — клапан с фторопластовым седлом;
2 — плоский стальной клапан; 3 — металлический клапан; 2 — плоский стальной клапан; 3 — металлический клапан;
4 — латунный клапан; 5 — конусный клапан 4 — латунный клапан; 5 — конусный клапан
Таблица 1
Зазоры в испытуемых клапанах
Клапаны Зазор при адиабатном истечении, мкм Зазор (стандартная методика), мкм
Металлический клапан 1,02 0,45
Плоские клапаны 0,81 0,5
Латунные клапаны 1,41 0,68
Фторопластовые сёдла 0,69 0,31
Конусный металлический клапан 1,8 0,46
сительнеш погрешность для осциллографа определяется паспортом <20 = 0,05 %. е даннем случае при борная п о грешно сто является ебщей по гре ш но-стью, поскольку методики изме]эения напряжения при выполнении эксперимента и прт проведении тарибовки сов ер шенро оденаковы. Также не учитывалось влияоие случайных факторов. Их можно будет исключивь, еели некоторые значения, полученные кр 1с экрпериментальном измерении, будут выплати из общей системы. Тоыда овщая погрешность датчика дввления р авна:
Ож в д/1,с2 ы1Ы ы 0, оа2 в 1,72 % .
ОДщвя погытшпость эксперименя/ опредеда етст по формуле:
Оп = ^¡ОДД2 ыОо2 ыО2 = V 2, Я/2 ы2, ая2 ы /2 = Т, 07% .
где 8 — относительная погрешность секундомера, 2 %. '
Для определения условных зазоров в клапанах, применённых на тихоходной ступени, проведены статические продувки в соответствии с описанными ранее методиками. На рис. 4, 5 и в табл. 1 представлены результаты статических продувок применяемых клапанов.
Результаты эксперимента позволяют говорить о том, что испытуемые клапаны по полученным условным зазорам соответствуют нормальным, работоспособным клапанам [3]. Таким образом, для тихоходных ступеней клапаны, считаемые работо-
способными для быстроходных поршневых компрессорных агрегатов, не удовлетворяют условиям по герметичности в закрытом состоянии, что показано на рис. 1.
Полученные экспериментальные данные позволили дополнить разработанную методику расчёта рабочих процессов [6, 12] реальными данными по зазорам в клапанах, то есть учесть наличие реальных утечек в ступени, что позволит более точно рассчитывать производительность компрессорной установки.
Библиографический список
1. Захаренко С. Е. Экспериментальное исследование протечек газа через щели // Тр. Ленингр. политехн. ин-та. 1953. № 2. С. 161-170.
2. Кондратьева Т. Ф., Исаков В. П. Клапаны поршневых компрессоров. Л.: Машиностроение, 1983. 158 с.
3. Пластинин П. И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчёт. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Колос, 2000. 456 с.
4. Прилуцкий И. К. Совершенствование систем газораспределения компрессорных и расширительных машин: ав-тореф. дис. ... д-ра техн. наук. СПб., 1997. 32 с.
5. Фотин Б. С., Пирумов И. Б., Прилуцкий И. К. [и др.]. Поршневые компрессоры. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. 372 с.
6. 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.
7. Френкель М. И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и основы проектирования. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1969. 744 с.
8. Зайдель А. Н. Погрешности измерения физических величин. Л.: Наука, 1985. 112 с.
9. Грановский В. С., Сирая Т. Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 288 с.
10. Зайдель А. Н. Элементарные оценки ошибок измерений. Л.: Наука, 1968. 96 с.
11. Кассандрова О. Н., Лебедев В. В. Обработка результатов наблюдений. М.: Наука, 1970. 104 с.
12. 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.
БУСАРОВ Сергей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Холодильная и компрессор-
ная техника и технология».
ВАСИЛЬЕВ Владимир Константинович, доктор технических наук, профессор кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология». БУСАРОВ Игорь Сергеевич, ассистент кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».
НЕДОВЕНЧАНЫЙ Алексей Васильевич, аспирант кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».
ТИТОВ Даниил Сергеевич, аспирант кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология». ЩЕРБАНЬ Кирилл Владимирович, аспирант кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».
ГРОМОВ Антон Юрьевич, аспирант кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 22.03.2017 г. © С. С. Бусаров, В. К. Васильев, И. С. Бусаров, А. В. Недовенчаный, Д. С. Титов, К. В. Щербань, А. Ю. Громов
