CC BY
19
УДК 621.514
Влияние компримируемой среды на силовые факторы, действующие в винтовом маслозаполненном компрессоре
В. Н. ДОКУКИН, д-р техн наук В. А. ПРОНИН
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет ИТМО Институт холода и биотехнологий 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9
В статье рассматривается влияние свойств компримируемой среды на силы и моменты, действующие на рабочие органы винтового маслозаполненного компрессора (ВМК). Предлагается выбор конструктивного исполнения подшипниковых узлов на основании анализа сил и моментов. Проведенные расчеты помогут сделать выбор рабочего вещества в зависимости от особенности применения винтового масло-заполненного компрессора в высокотемпературном режиме.
Ключевые слова: винтовой маслозаполненный компрессор, хладагенты, силы и моменты.
Influence of the compressed environment on power factors, operating in the screw maslozapolnenny compressor
V. N. DOKUKIN, D. Sc. V. A. PRONIN
[email protected] University ITMO Institute of Refrigeration and Biotechnologies 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str, 9
In article influence of properties of the compressed environment on forces and the moments operating on working bodies of the screw maslozapolnenny compressor (SMC) is considered. It is offered to choose a design of bearing knots on the basis of the analysis of forces and the moments. Keywords: oil-flooded screw compressor, refrigerants, forces and moments.
Выбор рабочих веществ для высокотемпературных режимов зачастую [1, 2] основывается на тех же критериях, которые применяются для выбора рабочих веществ парокомпрессорных холодильных машин:
— химическая стабильность и инертность к основным конструкционным материалам;
— значения рабочих давлений, разности и отношения давлений нагнетания и всасывания;
— высокая степень термодинамического совершенства, большая объемная производительность.
В настоящей статье рассматривается влияние свойств компримируемой среды на силы и моменты, действующие на рабочие органы винтового маслозапол-ненного компрессора (ВКМ). Анализ сил и моментов позволяет, в свою очередь, выбрать конструктивное исполнение подшипниковых узлов.
В настоящее время применяются конструкции подшипников различные как по принципу работы, так
и по условиям применения. Наиболее широкое распространение получили гидродинамические подшипники скольжения и опоры качения.
Одной из задач при проектировании ВКМ является минимизация рабочих зазоров между винтами, а также между винтами и корпусом, т. к. величина зазоров непосредственно связана с коэффициентом подачи компрессора [3-5], а, следовательно, с его эффективностью. В силу конструктивных особенностей радиальные зазоры в подшипниках качения меньше чем у опор скольжения, что делает их более предпочтительными при использовании в винтовых компрессорах. Однако применение подшипников качения ограничено силовыми и скоростными параметрами, действующими на них.
Для сравнительного анализа были выбраны хладагенты Я717, Я407С, Я22 и Я134а, основные свойства которых приведены в табл. 1.
Величины реакций на опорах винтового компрессора определялись по методу, приведенному в [6, 7].
Определение реакций на опоры ведущего (ВЩ) винта. Направление и точки приложения радиальных, осевых и окружных сил, действующих на профильные поверхности винтов, показаны на рис. 1. Осевые силы Р1а,
п(г) 1
радиальные силы Р1' и силы, действующие на торец
нагнетания РТН, на боковой проекции показаны действующими в одной плоскости.
Суммарная осевая сила еР^, действующая
1
на профильные поверхности зубьев винта, создает крутящий момент относительно оси винта, причем сила, направленная в сторону всасывания, создает крутящий момент, направленный против вращения винта. Осевая сила, действующая на профильные поверхности винта в сторону нагнетания, создает крутящий момент, направленный в сторону вращения винта.
Среднее значение осевых сил за рабочий цикл ВЩ винта:
е p =
Н.
M.
Таблица l
Основные свойства хладагентов R717, R407C, R22 и R134a
Хладагент Химическая формула Молярная масса, кг/кмоль Нормальная температура, кипения, оС Критическая температура, оС
R717 NH3 17,03 -33,5 132,4
R407C ch2f2/chf2cf3/ch2fcf3 8б,2 -3б,7 S7,3
R22 CHF2Cl 8б,47 -40,81 9б,13
R134a cf3ch2f 102,03 -2б,1 101,1
Рис. 1. Силы и моменты сил, действующие на ВЩ винт. Реакции опор
где Н1 — ход винтовой линии; г = 1 для ВЩ винта; ] — номер полости.
В этом случае, среднее значение осевых сил за рабочий цикл ВЩ винта
^2
кНи
м,
1ср>
где М1ср — среднее значение крутящего момента ВЩ винта
М1СР = (1 + Км )Мкр,
здесь КМ = 0,1 для ассиметричного типа профиля.
Осевая сила, действующая на соответствующую полость винта, равна
е p
(a)
?(«)= P(r) J
Р (а) = p (r
iJ iJ
e p
(r)
где ' — радиальная сила, действующая на]-ю полость 1-го винта;
е Р() — сумма радиальных сил, действующих
1
на все полости, находящиеся под давлением выше давления всасывания.
Окружная сила, действующая на соответствующую полость винта, равна
где ß — угол наклона винтовой линии, проходящей через центр давления, лежащей на цилиндре диаметром d
ß,cp = arctg[ tgßH (dicp /d,H)} = arctg[ tgßH (dicp /2R,H )].
На ВЩ винт действуют более значительные осевые и радиальные силы, чем на ведомый (ВМ) винт [6, 8, 9].
Рассмотрим плоскости Ol - Pi](-r,a) (рис. 1). В плоскостях Ol - Pj(r ,a), наклоненных к линии центров под углом glj, действует радиальная сила p (r) и осевая сила
P (a) J
Plj ■
Уравнения моментов сил относительно опор ВЩ винта:
/ MBj = Pj (Loi - zti - Zj) - Hjf Loi - Pif Riep = 0; / mhu = Birf)Loi - Pif'Riep - Pj (ZTl + Zi) = 0.
где L0l — расстояние между опорными подшипниками ВЩ винта;
zt 1 — расстояние от опорного подшипника на стороне нагнетания до торца нагнетания ВЩ винта.
Решая эти уравнения относительно реакции опор, получаем выражения для определения величин реакций
Tj(r,a) PlU(L0l - ZT l - zlj )- Pl()Rl • Hlj =-
L
BJ a =
JZl + ZiJ )+ PfRi L
Проекции этих реакций на оси x и y равны К! = ;a) cos Tl/ в^ = в(a cos yv; h^ = h(] ;a) sin Yl,; в( a = b( a sinYl,.
Рассмотрим плоскость О1 — Р11(т). В этой плоскости действует момент от окружной силы Р1() и она перпендикулярна плоскости О1 - Р11(г а).
Уравнение моментов сил относительно опор ВЩ винта:
ьмви = - ^ 1 )-1 = 0; ЪМН! 1= ВДл-^ ^ 1 )= 0.
Решая данные уравнения относительно реакции опор, получим выражения для определения величин реакций
1 ~1Т 1 ~111 )
Н?!=-
< =
и
1 ? (т 1+«1)
и
Реакции на опорах ВЩ винта от действия силы РТН1 со стороны торцов нагнетания и всасывания соответственно равны
) = —Мтн1/ 4,1;
в/Т ) = —Н^ ).
Определение реакций от действия сил тяжести ВЩ винта. Из-за конструктивных особенностей полугерметичных компрессоров, на валу ВЩ винта устанавливается ротор электродвигателя, следовательно, полная сила тяжести ВЩ винта равна
01 = 0в + 0р,
где Ов — вес ВЩ винта; Ор — вес ротора электродвигателя.
Определение веса ВЩ винта и координат его центра тяжести (см. рис. 1):
+^ВС1шв2 + ^ВС1швэ]У ст>
где Уст - плотность материала винта;
^Н1шв1 и ^Н1шв2 — объемы шеек вала ВЩ винта на стороне нагнетания, начиная от торца нагнетания
^Н1шв1 = 0'25 н1'
здесь ¿шв1н1, ^шв1н2 — диаметры шеек вала ВЩ винта на стороне нагнетания;
4шв1н1,4шв1н2 — соответствующие им длины шеек;
^ВС1шв1 , ^ВС1шв2 и ^ВС1шв3 — объемы шеек вала ВЩ
винта на стороне всасывания, начиная от торца всасывания
ВС1шв1
= 0,25^^4ш1вс1;
^ВС1шв2 = 0'25п^1™1ю24пв1вс2; ^ВС1швЗ = 0'25р<^™1жз41т1всЗ'
где ^шв1вс1^шв1вс2;^шв1вс3 — диаметры шеек вала ВЩ винта на стороне всасывания; Хшв1вс1,4шв1вс2: 4ш1вс3 — соответствующие им длины шеек.
Определение координат центра тяжести ВЩ винта. Считаем торец нагнетания — точкой отсчета координат по оси 71, а координаты, расположенные в сторону торца всасывания, — положительными.
Х(0В) = 0;
г,(СВ) = ^^[(пЛ,2 - ъЛ,)12/2-Ун1ШВ1£ШВ1н1/2-—^Н1шв2 (4пв1н1 + 4пв1н2 / 2) + ^ВС1шв1(4 + 4пв1вс1 / 2) + +^ВС1шв2 (4 + 4пв1вс1 + 4пв1вс2 / 2) + ^ВС1шв3 (4 + 4пв1вс1 + +4пв1вс2 + 4пв1всЗ /2)]/ ~ ^Н1шв1 _ ^Н1шв2 +
+^ВС1шв1 + ^ВС1шв2 + ^ВС1шв3 ].
Определим координаты центра тяжести ротора электродвигателя. Считаем торец нагнетания — точкой отсчета координат по оси 71, а координаты, расположенные в сторону торца всасывания, — положительными.
х/^ = 0; 7<0р) = 4р.
Полная сила тяжести ВЩ винта ° = СВ + бр,
где Gp — вес ротора электродвигателя.
Определим координаты центра тяжести G1 (отсчет от торца нагнетания):
G 7 (°в) + G 7 (°р) 7 (01) _ Т _ °В71 + 0Р71
71 _ 401 _'
ч ^"рч 0В + 0Р
Проекции реакции от действия силы тяжести 01 (см. рис. 1) на ось х1 равны нулю, а на ось у1:
(0) _ 01 (4„ + 7т 1 - 401)
Н
1, У
4
01
„ (0) _ + 7т 1)
В1,У _
4
01
Сумма проекций всех реакций на оси х1 и у1:
ни у=Ън(1У )+Х +^У +
К:+1Ч )х+< \
к у=2 1+х1,+-с'+д;У ).
1 1
Реакции на опорах винта:
Н1 Н1х + Н12 у ; В1 _4В1 х + В1У .
На основании проведенных расчетов можно дать оценку возможности использования опор качения в ВКМ малой производительности, работающих в высокотемпературном режиме в зависимости от компри-мируемых сред (рис. 2).
Чем больше реакции на опорах ВКМ, тем больше эквивалентная динамическая нагрузка и меньше ресурс работы опорных подшипников качения. Применение подшипников качения ограничено ресурсом его работы Ьк. При Ьк менее 50000 ч применяют подшипники скольжения, что в свою очередь снижает экономичность машины
#1, н 6000 -5000 " 4000 -3000 -2000 "
о0
Рис. 2. Зависимость реакции Н1 на опоре ВЩ винта со стороны. торца нагнетания от температуры кипения 10 и вида рабочего вещества при температуре конденсации (к = 60 оС
из-за снижения коэффициента подачи 1 и эффективного КПД Ье винтового компрессора [3].
Одним из недостатков ВКМ на Я717 являются высокие реакции на опоре ВЩ винта со стороны торца нагнетания Н что делает невозможным применение подшипников качения и снижает экономичность его использования.
Реакции Н на опоре ВЩ винта компрессора на Я407С гораздо больше, чем у ВКМ на Я717, поэтому на более легких режимах (при (0 = 5 оС, /к = 60 оС) возможно применение подшипников качения.
Большие реакции Н не позволяют использовать подшипники качения в ВКМ на Я22.
Работа ВКМ на хладагенте Я 134а характеризуется самыми низкими реакциями Н^ что делает возможным применение подшипников качения на всех режимах с целью повышения экономичности работы компрессора.
Проведенные расчеты помогут сделать выбор рабочего вещества в зависимости от особенности применения винтового маслозаполненного компрессора в высокотемпературном режиме. Из соображений наименьших реакций на опорах наиболее предпочтительным хладагентом представляется Я134а.
Список литературы
1. Холодильные машины и тепловые насосы. Повышение эффективности: Справочник/Под ред. А. В. Быкова. — М.: Агропромиздат, 1988.
2. Кан К. Д. Рабочие вещества для компрессионных тепловых насосов // Холодильная техника. 1988. № 5.
3. Холодильные компрессоры: Справочник/Под ред. А. В. Быкова. — М.: Лег. и пищ. пром-сть, 1981.
4. Канышев Г. А., Чистяков Ф. М. Коэффициент подачи винтового фреонового маслозаполненного компрессора. // Холодильная техника. 1979. № 12.
5. Пекарев В. И. Плотность рабочего вещества в разных полостях винтового компрессора при всасывании. // Вестник Международной академии холода. 2012. № 2.
6. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин./Под ред. И. А. Сакуна. — Л.: Машиностроение, 1987.
7. Холодильные машины/Под ред. Л. С. Тимофе-евского. — СПб.: Политехника, 2006.
8. Особенности применения различных рабочих веществ в тепловых насосах с винтовым компрессором. Сборник трудов III международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» — СПб, 2007.
9. Ануфриев А. В., Пекарев В. И. Моделирование рабочих процессов винтового компрессора при регулировании производительности. // Вестник Международной академии холода. 2011. № 4.
Свидетельство о регистрации СМИ Эл № ФС 77-20452 от 22 марта 2005 года
ПЕРВАЯ В РОССИИ ИНТЕРНЕТ-ГАЗЕТА ПО ХОЛОДИЛЬНОИ И БЛИЗКОИ ЕИ ТЕМАТИКЕ
холодильные новости;
бытовое, торговое и промышленное холодильное
оборудование;
холодильники;
охладители жидкости (чиллеры); оснащение и строительство супермаркетов; холодильный транспорт; кондиционирование и вентиляция;
искусственные и природные хладагенты; холодильные масла; качество пищевых продуктов; сервис холодильных систем;
литература по холодильной и близкой ей тематике; модульная, баннерная,видео- и аудиореклама; выставки, конференции, семинары; обучающие курсы для холодильщиков и многое другое..
http://www.holodilshchik.ru (http://холодильщик.рф) e-mail: [email protected]
