CC BY
105
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012
УДК 621.512:621.651 д. п. БОЛШТЯНСКИЙ
Б. д. КАЛАШНИКОВ В. Н. БЛИНОВ Д. М. ПАРАМОНОВ
Омский государственный технический университет
ВЛИЯНИЕ ЗАЗОРА В ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ПАРЕ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРШНЕВОГО НАСОС-КОМПРЕССОРА
В статье описаны результаты численного эксперимента, проведенного на математической модели поршневого насос-компрессора. Установлено влияние зазора между поршнем и цилиндром на характеристики изучаемого объекта. Это позволяет проектировщику обоснованно назначать геометрические параметры цилиндропоршневой пары.
Ключевые слова: поршневой насос-компрессор, зазор между поршнем и цилиндром.
Одним из основных геометрических параметров, оказывающих значительное влияние на работу поршневого насос-компрессора, является радиальный зазор 8 в цилиндропоршневой паре, который выполняет функцию гладкого щелевого уплотнения длиной Ь (рис. 1).
Это обусловлено тем, что в уравнение расхода через такое уплотнение величина зазора входит в третьей степени, в то время как остальные геометрические характеристики — в первой. Очевидно, что с уменьшением 8 существенно снижаются утечки и перетечки рабочего тела (как газа, так и жидкости) и повышается такой важный параметр, как коэффициент подачи. Однако, с другой стороны, уменьшение радиального зазора приводит к росту технологических затрат на изготовление цилиндропоршневой группы и повышению конструктивных требований к деталям и узлам, обеспечивающим свободное (бесконтактное) движение поршня в цилиндре, что приводит к удорожанию конструкции. Таким образом, с точки зрения приведенных затрат на получение сжатого газа и жидкости под давлением должен существовать некоторый экстремум (минимум приведенных затрат).
Целью настоящей работы является проведение анализа влияния величины 8 на характеристики работы насосной и компрессорной полостей исследуемого устройства.
Проведенный информационный поиск позволил установить, что наиболее часто в подобных конструкциях используются радиальные зазоры в диапазоне 10 — 50 мкм [1—3].
Параметрический анализ влияния зазора 8 на характеристики насос-компрессора был проведен путем численного моделирования работы модельного образца, конструкция которого описана в [4], при следующих параметрах:
— частота вращения коленчатого вала — 500 мин-1;
— давление всасывания компрессорной полости — 0,1 МПа (1 бар);
— давление нагнетания компрессорной полости — 0,5 МПа (5 бар);
— давление всасывания насосной полости — 0,1 МПа (1 бар);
— давление нагнетания насосной полости — 1,0 МПа (10 бар);
— длина уплотнения Ь = 60 мм;
— диаметр цилиндра 40 мм;
— диаметр штока 30 мм;
— ход поршня 45 мм.
Выбор этих величин обусловлен тем, что именно для них было получено регрессионное уравнение зависимости средней температуры 1ср цилиндра от основных факторов, влияющих на рабочие процессы в виде
гср = 31,256 + 22,75е - 3,56е2 - 0,167л + 3,966 ■ 10-4л2,
где е — степень повышения давления в компрессорной полости, л — частота вращения коленчатого вала, которое используется в математической модели, описанной в [4], при расчете теплообмена газа со стенками цилиндра.
Численное моделирование процессов, происходящих в насос-компрессоре, показало следующее.
С увеличением 8 происходит прогрессирующий рост утечек газа в процессе сжатия (рис. 2). Представленная зависимость носит ярко выраженный параболический характер, обусловленный, как отмечалось выше, кубической зависимостью расхода от 8 через гладкую щель. Аналогично меняются и потери энергии с утечками.
Установлено также, что увеличение зазора не оказывает заметного влияния на количество отводимой теплоты в процессе сжатия, а также на показатель политропы его конечных параметров. Практически неизменными остаются потери работы в процессах всасывания и нагнетания. В процессе обратного расширения из мертвого пространства наблюдается незначительное увеличение показателя политропы, особенно при 8>40 мкм.
от величины зазора в поршневом уплотнении содержащую массу газа М1
И
ю
а.
5!
&
93 О а)
и щ <а
о м
5 1) ы
¡3 и 2
Я и Я
м п
00 00 тг
чо 40 40 ■п ■п
Г-; Г~-( Г~-( Г~-(
сГ сГ сГ сГ сГ
5!
Р*
<3
<
<
С
►»
г
о
л
ф
аз
В
а
о
с
и А Л
в °
я Я
§ з
аз
5!
гг*
5!
<
5!
&
Рис. 4. Зависимость индикаторного изотермического КПД Рис. 7. Зависимость подводимой индикаторной мощности
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012
ПОБ
0,928 0.927 0,926 0,925 0,924
10 20 30 40 8, мкм
Рис. 8. Зависимость объемного КПД насосной полости от величины зазора в поршневом уплотнении
Переходя к интегральным характеристикам, представленным на рис. 3 и рис. 4, можно сделать следующие выводы:
1. С увеличением 8 коэффициент подачи компрессорной секции 1 заметно уменьшается. В диапазоне зазоров 10 — 50 мкм изменение 1 составляет около двух процентов. Наиболее резкое снижение наступает при 8>30 мкм.
2. С ростом 8 наблюдается также нелинейное прогрессирующее уменьшение значений индикаторного изотермического КПД. В исследуемом диапазоне зазоров изменение ЦИНИЗ составило 2 %.
3. При значении 8<20 мкм заметного изменения коэффициента подачи и КПД не наблюдается.
С увеличением зазора 5 (более 10 мкм) жидкость в процессе нагнетания насосной полости начинает поступать через поршневое уплотнение в компрессорную полость (рис. 5). Приведенная зависимость показывает достаточно резкий рост перетечек жидкости через поршневое уплотнение в сторону компрессорной полости при увеличении 8.
С ростом 8 увеличиваются и относительные потери работы в процессе нагнетания насосной полости (рис. 6).
Данная зависимость нелинейна, имеет параболический вид и указывает на заметное изменение относительных потерь работы в процессе нагнетания насосной полости при изменении зазора в поршневом уплотнении. Эти изменения в рассматриваемом диапазоне зазоров составляют около 9 %.
Рост утечек жидкости с увеличением зазора приводит к тому, что подводимая индикаторная мощность начинает увеличиваться (рис. 7). Приведенный график имеет слабо выраженный параболический характер и демонстрирует очень слабую зависимость подводимой мощности от зазора в цилиндропоршневой группе. Изменение мощности в исследуемом диапазоне не превышает 1 %.
Изменение объемного КПД насосной секции с увеличением зазора 8 представляет собой явную параболу с максимумом по объемному КПД в диапазоне зазоров 30 — 32 мкм ( рис. 8).
Подводя итог анализу зависимости характеристик поршневого насос-компрессора от величины радиального зазора в поршневом гладком щелевом уплотнении, следует сделать вывод о том, что наиболее оптимальная величина этого зазора с учетом сложности его получения в промышленных условиях лежит в пределах 25 — 30 мкм (0,02 — 0,03 мм), что вполне может быть достигнуто обычными методами точной обработки, например, тонким шлифованием на станках с повышенной точностью.
Кроме того, в результате численного анализа удалось установить, что даже при радиальном зазоре 50 мкм не происходит перетекание газа через щелевое уплотнение поршня из компрессорной полости в насосную, т.е утечки газа успевают в процессе сжатия-нагнетания только занять объем зазора поршневого уплотнения.
Библиографический список
1. Болштянский, А. П. Компрессоры с газостатическим центрированием поршня / А. П. Болштянский, В. Д. Белый, С. Э. Дорошевич. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2002. — 406 с.
2. Angst R. A. The labyrinth piston compressor//S.Afr. Mech. Eng. - 1979. - 29, № 8. - Р. 262-270.
3. Ernst P. Special gas compression problems solved with oil-free labirinth piston compressors// 2nd Eur. Congr. Fluid Mach. Oit, Retrohem. and Relat. und. Conf. [The Hague, 24-26 March, 1984] - London, 1984. - Р. 71-84.
4. Виниченко, В. С. Конструкция и расчет поршневого насос-компрессора : автореф. дис. ... канд. техн. наук / В. С. Виниченко. - Омск : ОмГТУ, 2011. - 20 с.
БОЛШТ ЯНСКИЙ Александр Павлович, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Гидромеханика и транспортные машины». КАЛАШНИКОВ Борис Александрович, доктор технических наук, профессор кафедры «Авиа- и ракетостроение».
БЛИНОВ Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Авиа- и ракетостроение». ПАРАМОНОВ Александр Михайлович, доктор технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика». Адрес для переписки: scherba_v_e@list.ru
Статья поступила в редакцию 06.12.2011 г.
© А. П. Болштянский, Б. А. Калашников, В. Н. Блинов,
А. М. Парамонов
Книжная полка
Круглов, В. И. Методология научных исследований в авиа- и ракетостроении : учеб. пособие / В. И. Круглов. - М. : Логос, 2011. - опт. диск (СБ-КОМ).
Рассматриваются структура и содержание основных этапов исследовательского процесса в области технических наук. Приводятся классификация методов аналитических и экспериментальных исследований, основные направления научных исследований в области авиа- и ракетостроения. Значительное внимание уделено вопросам организации, планирования, технического обеспечения и автоматизации экспериментальных исследований, а также некоторым методам обработки экспериментальных данных.
