CC BY
149
УДК 621.512:621.651 е. А. ПАВЛЮЧЕНКО
М. п. АЛТЫНЦЕВ Г. С. АВЕРЬЯНОВ В. И. СУРИКОВ
в. с. виниченко
Омский государственный технический университет
ОАО «АК « Омскагрегат»
ВЛИЯНИЕ ОТНОШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ НАГНЕТАНИЯ К ДАВЛЕНИЮ ВСАСЫВАНИЯ КОМПРЕССОРНОЙ ПОЛОСТИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРШНЕВОГО НАСОС-КОМПРЕССОРА__________________________________
В статье представлены результаты параметрического анализа влияния отношения давления нагнетания к давлению всасывания компрессорной полости на характеристики поршневого насос-компрессора. Это позволяет конструктору обоснованно назначать режимные параметры проектируемого агрегата.
Ключевые слова: поршневой насос-компрессор, режим работы.
Проектируемое отношение давления нагнетания к давлению всасывания еК = РН/РВ при создании компрессоров объемного действия имеет большое значение, т.к. этот параметр существенно влияет на температурный режим работы (с увеличением еК растет температура сжимаемого газа и деталей компрессора) и увеличивает претензии к величине мертвого пространства компрессора в поршневом исполнении. В одноступенчатом поршневом компрессоре общего назначения эта величина находится в пределах 3 — 8, а оптимальное значение с точки зрения КПД лежит в пределах 3 — 4.
В насос-компрессоре, подробное описание устройства и работы которого дано в [1], осуществляется сразу два цикла — компрессорный и насосный (рис. 1), т.к. объем цилиндра разбит телом поршня на два объема — компрессорную и насосную полости, каждая из которых имеет свои распределительные органы (самодействующие клапаны) и соединены соответственно с источниками и потребителями газа и жидкости. Основное отличие рассматриваемого агрегата от собственно компрессора или насоса состоит в том, что насосная и компрессорная полости соединены друг с другом через гладкое щелевое уплотнение, допускающее перетечки газообразной среды из компрессорной полости в насосную в процессе сжатия-нагнетания и наоборот.
Целью данной работы является выяснение особенностей протекания процессов в компрессорной полости в зависимости от степени повышения в ней давления газа. Анализ проводился с применением математической модели работы насос-компрессора, описанной в [1, 2]. При этом использовались следующие основные параметры агрегата: диаметр цилиндра — 40 мм, ход поршня 45 мм, длина поршне-
Рис. 1. Развернутые по углу поворота коленчатого вала ф индикаторные диаграммы компрессорной (вверху) и насосной (внизу) полостей поршневого насос-компрессора:
А—В — процесс расширения из мертвого пространства, В—С — всасывание, С—Э — сжатие, Э-Л — нагнетание
вого уплотнения 60 мм, радиальный зазор уплотнения — 20 мкм, относительный мертвый объем компрессорной полости — 0,05, линейное мертвое пространство насосной полости — 30 мм, давление всасывания компрессорной и насосной полостей — 0,1 МПа, давление нагнетания насосной полости 1,0 МПа, частота возвратно-поступательного движения поршня — 500 мин-1.
Численное моделирование работы насос-компрессора позволило сделать следующие выводы.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012
Рис. 2. Зависимость утечек и перетечек газа в процессе сжатия от отношения давления нагнетания к давлению всасывания компрессорной полости
Рис. 4. Зависимость относительных потерь работы в процессе всасывания и нагнетания от отношения давления нагнетания к давлению всасывания компрессорной полости
Рис. 3. Зависимость относительных потерь давления ЛрН в процессе нагнетания от отношения давления нагнетания к давлению всасывания компрессорной полости
Рис. 5. Зависимость изменения показателя политропы конечных параметров в процессе обратного расширения от отношения давления нагнетания к давлению всасывания компрессорной полости
С увеличением еК удлиняется процесс сжатия в компрессорной полости и заметно растет количество теплоты, отводимой от сжимаемого газа к поверхности рабочей полости, а также существенно растут утечки и перетечки рабочего тела в процессе сжатия через неплотности полости — неплотности клапанов и поршневое уплотнение (рис. 2), и, соответственно, энергия, потраченная на сжатие этих потерь. Несмотря на то, что количество отводимой от газа теплоты с увеличением еК растет, значение показателя политропы конечных параметров также, хотя и незначительно, увеличивается — на 0,005 от 1,383 при еК=3 до 1,388 при еК=8.
Рост еК приводит к снижению как абсолютных, так и относительных потерь давления в процессе нагнетания (рис. 3). Из рассмотрения графика можно сделать вывод о том, что при увеличении еК от 3-х до 8-ми наблюдается снижение относительных потерь давления нагнетания от 2,7 % до 1,44 %, что связано со снижением скорости истечения газа через нагнетательный клапан при росте еК. В то же время увеличение еК приводит к росту давления нагнетания и соответственно — к увеличению индикаторной работы цикла компрессорной полости.
Изменение величины РН весьма незначительно сказывается на относительных потерях давления в процессе всасывания, обусловлено увеличением при-течек в компрессорную полость рабочего тела через неплотности нагнетательного клапана.
Потери работы в процессе всасывания и нагнетания с увеличением еК уменьшаются и мало изменяются (рис. 4).
С увеличением еК. происходит рост показателя политропы конечных параметров процесса обратного расширения пр, причем гораздо в более широком диапазоне, чем в процессе сжатия (рис. 5).
Рис. 6. Зависимость относительной работы в процессе расширения от отношения давления нагнетания к давлению всасывания компрессорной полости
С увеличением еК.растет относительная работа, подводимая в процессе сжатия, данная зависимость имеет параболический характер, и при еК=8 работа, подводимая в процессе сжатия, более чем на 25 % превышает работу цикла.
В процессе расширения работа отводится от газа, и с увеличением еК происходит рост как абсолютной величины работы расширяющегося газа ЛАР, так и относительное ее значение. Эта зависимость представлена (рис. 6), имеет выраженный параболический характер и демонстрирует увеличение относительной работы расширения в рассматриваемом диапазоне еК более чем на 100 %.
Рост еК приводит к увеличению процесса обратного расширения и сокращению процесса всасывания, т.е. к снижению коэффициента подачи А0. Кроме того, с увеличением еК происходит рост утечек сжимаемого газа (уменьшается коэффициент
Рис. 7. Зависимость коэффициента подачи от отношения давления нагнетания к давлению всасывания компрессорной полости
Рис. 8. Зависимость индикаторного изотермического и адиабатического КПД от отношения давления нагнетания к давлению всасывания компрессорной полости
Проведенный численный анализ также позволил установить, что изменение давления нагнетания в компрессорной полости и, соответственно, отношение в ней давления нагнетания к давлению всасывания £к при выбранном радиальном зазоре в цилиндропоршневой паре (20 мкм) никак не сказывается на работе насосной полости. Так, изменение объемного КПД последней во всем исследованном диапазоне &к колеблется в пределах 0,1%, изменение индикаторной мощности практически отсутствует, утечки и перетечки жидкости не изменяются.
Необходимо также отметить, что при увеличении £к свыше 6-ти поступление жидкости из насосной полости в компрессорную через гладкое щелевое уплотнение цилиндропоршневой пары прекращается.
В то же время сжимаемый газ во всем рассмотренном диапазоне Вк не прорывается из компрессорной полости в насосную.
Библиографический список
1. Виниченко, В. С. Конструкция и расчет поршневого насос-компрессора : дис. ... канд. техн. наук / В. С. Винниченко. — Омск : ОмГТУ, 2011. — 157 с.
2. Математическое моделирование рабочих процессов поршневого насос-компрессора / В. Е. Щерба [ и др.] // Вакуумная наука и техника : матер. XVII науч.-тех. конф. — М. : МИЭМ, 2010. - С. 117-122.
подачи Яр) и увеличению подогрева всасываемого газа (снижается коэффициент подачи Я/). Все вышеперечисленные факторы приводят к существенному снижению общего коэффициента подачи компрессорной полости (рис. 7). Так, при Вк=3 значение коэффициента подачи составляет 0,86, а при Вк=8- 0,69.
Как уже отмечалось выше, с увеличением Вк растет энергия, потраченная на сжатие газа, потерянного с утечками и перетечками в процесса сжатия и расширения, увеличивается отклонения процесса сжатия от наиболее экономичного — изотермического, уменьшаются потери в процессе нагнетания. Большинство отрицательных факторов приводит к уменьшению индикаторного изотермического и индикаторного адиабатического КПД (рис. 8).
Необходимо отметить, что зависимость Циниз от Вк имеет существенный диапазон. Так, при ^=3 значение Циниз составляет 76, а при Вк = 8 величина Цин.из = 0,62, т.е. снижение индикаторного изотермического КПД составляет 14,5 %, в то время как диапазон изменения адиабатического КПД невелик —
при Вк=3 величина ЦиНАД=0,89, а при Вк 8 — ЦиНАА
равна 0,84.
ПАВЛЮЧЕНКО Евгений Александрович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Гидромеханика и транспортные машины» Омского государственного технического университета. АЛТЫНЦЕВ Михаил Поликарпович, доктор технических наук, главный инженер ОАО «АК «Омск-агрегат».
АВЕРЬЯНОВ Геннадий Сергеевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Авиа- и ракетостроение» Омского государственного технического университета.
СУРИКОВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой физики Омского государственного технического университета.
ВИНИЧЕНКО Василий Сергеевич, ассистент кафедры «Гидромеханика и транспортные машины» Омского государственного технического университета.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 07.12.2011 г.
© Е. А. Павлюченко, М. П. Алтынцев, Г. С. Аверьянов,
В. И. Суриков, В. С. Виниченко
Книжная полка
Лопаев, Б. Е. Физические основы технологических процессов [Текст] : конспект лекций / Б. Е. Ло-паев ; ОмГТУ. - Омск, 2010. - 58 с.
Приведены положения об атомном и кристаллическом строении металлов, объясняющие образование неразъемного соединения, диффузии атомов, кристаллизации металла сварочной ванны, дефектах сварочного шва, технологической прочности металла.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
