Конструкция и расчет поршневого насос-компрессора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.13, кандидат технических наук Виниченко, Василий Сергеевич

• Виниченко, Василий Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Виниченко, Василий Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1; Анализ конструкций и методов расчета насос-компрессоров объемного действия?

1.1. Определение диапазона рабочих параметров

1.2. Функциональные схемы объекта

1.3: Конструктивные решения. объекта.проектирования;

1.4. Выбор конструкции насос-компрессора с

1.5. Анализ методик расчета рабочих процессов:насос-компрессора

1.6. Цели и задачи исследования ;

2.!Математическая модель рабочих процессов поршневого насос-компрессора

2.1. Основные допущения, принимаемые при построении математической модели, и их обоснование

2.2. Математическая модель рабочих процессов компрессорной полости

2.3. Математическая модель насосной полости

2.4. Расчет поршневого уплотнения насос-компрессора;

2.5. Особенности реализации;математической модели рабочих процессов; насос-компрессора

3; Экспериментальное исследование модельного образца; насос-компрессора

ЗН:. Общая постановка,вопроса

3:2. Определение требований к конструкции модельного образца насос-компрессора

3:3; Описание экспериментальной установки

3.4. Измерение контролируемых величин

3.5. Результаты,экспериментальных исследований

4. Параметрическитанализфабочих процессов поршневого; насос-компрессора

4.1. Анализ влияния частоты" вращения коленчатого вала на характеристики насос-компрессора

4.21 Анализ влияния отношения давлений нагнетания^ и всасывания компрессорной полости на характеристики насос-компрессора

4.31 Анализ влияния отношения давлений нагнетания; и всасывания насосной полости на характеристики насос-компрессора

4.4. Анализ влияния величины зазора в поршневом уплотнении на характеристики насос-компрессора 146

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Конструкция и расчет поршневого насос-компрессора»

Одной из наиболее широких тенденций современного проектирования.] является расширение- функциональных возможностей объектов самого разного назначения. Это связано; : прежде всего, с экономией ресурсов путем- снижения общей материалоемкости изделий и придания им* свойств; позволяющихэкономитьэнергию^, Такна рынкепоявились; автомобили;с гибридным:двигателем внутреннего' сгорания, сотовые телефоны, выполняющие: одновременно функ-. ции фотоаппарата и калькулятора, компьютеры с функциями аудио и: видео центров и т.д. При: этом, как правило, в созданных гибридах используются конструкции с единым или близким технологическим направлением.

Одной' из особенностей5 проектирования; функционально: совмещенных конструкций является: их достаточно длительное существование отдельно; одна от другой, которое, обычно, сопровождается совершенствованием изделий, обусловленным рыночной* конкуренцией; Объединение же конструкций в единое целое может быть обосновано только в том случае, когда обнаруживается устойчивая потребность общества, диктующая необходимость,- или оправдывающая целесообразность появления нового товара: на рынке- .

На протяжении последних двух столетий в промышленной и бытовой технике чрезвычайно широко используются устройства и механизмы, действие:которых основано на изменении рабочего объема. Это,, прежде всего; насосы и компрессоры. И* те; и другие предназначены для поднятия давления в рабочей среде с последующим ее перемещением потребителю. Причем, во многих; случаях рабочие среды этих машин (жидкости в насосах и газы, и их смеси в компрессорах) в той или иной степени оказываются; совмещенными: в, одном агрегате. Так, например, жидкости широко используются для смазкш и охлаждения компрессоров, основным рабочим веществом которых являются« газы и их смеси, а газообразные вещества (в, основном — воздух) часто применяются для распыливания и подачи: жидкостей под давлением (лакокрасочные работы; создание масляных аэрозолей для смазки и охлаждения; высокоскоростных: поди шипников качения, вытеснение жидкостей при заправочных работах и т.д.). В некоторых случаях жидкости вместе с газами используются непосредственно при проведении рабочих процессов машин объемного действия (см., например, [3,- 4 и-др.]).

Наиболее широко известно,одновременное использование жидкостей и газов под давлением при обслуживании работы станочного парка (смазка, трущихся-поверхностей, подача смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания, подача сжатого воздуха и жидкости под давлением, в пневмозажимы, пневмо-и гидродвигатели). Традиционно потребность в жидкости и газа под давлением в станочном оборудовании удовлетворяется путем использования отдельно установленных гидростанций и компрессоров [5, 6 и др.], что, безусловно; усложняет общую конструкцию станков, ухудшает их массогабаритные характеристики и повышает стоимость.

Вполне вероятно, что это связано со сложившимися (по крайней мере — в отечественной, промышленности)'традициями, в соответствии с которыми, как правило, станкостроительная отрасль не занимается проектированием и* выпуском, машин, объемного действия, а компрессоростроительное производство не имеет мощностей для выпуска насосного оборудования.

Таким образом, существует явная потребность в анализе возможности проектирования агрегатов, совмещающих одновременно функции источника сжатого газа и жидкости под давлением.

В простейшем случае конструирование таких машин может быть произведено путем агрегатирования двух объектов на единой платформе и, возможно, с общим двигателем. Такой подход, конечно, возможен, однако он малоинтересен как с технической, так и с технологической точек^ зрения, т.к. не предполагает поиска выигрыша, который может быть достигнут за счет более: полного совмещения конструкций компрессора и насоса, например, путем их объединения в едином элементе, в качестве которого может выступать общий-рабочий цилиндр.

В то же время такое объединение возможность получения, существенных преимуществ. Так, например, большое значение для экономичной работы компрессора; особенно средней и высокой производительности, с высокойг степенью повышения давления в одной ступени, является" обеспечение тщательного охлаждения сжимаемого газа (или-смеси газов) путем организации систем охлаждения- как внутреннего (впрыск жидкости), так и внешнего типа за счет применения жидкостных рубашек, развития наружной поверхности-цилиндров, воздушного охлаждения^ и т.д. Все эти мероприятия, так или иначе, требуют дополнительной энергии на работу проталкивания?жидкости или* на работу вентилятора. В'то же время, если организовать работу компрессора и насоса в одном цилиндре, или, по крайней мере, в одном агрегате, то можно использовать жидкость, нагнетаемую насосом, одновременно и для охлаждения и герметизации рабочих полостей компрессора. Это должно оказать заметное положительное воздействие на протекающие в компрессоре рабочие процессы.

Основная сложность создания таких машин заключается в существенных различиях физико-механических свойств жидкостей и газов, которые достигают нескольких порядков (например - плотность, динамическая вязкость). Так, если обычная частота экономичной работы малорасходного поршневого компрессора составляет около 12-25 Гц, то в его же цилиндре нецелесообразно сжимать жидкость с частотой более 7-10 Гц в связи с большим сопротивлением клапанов.

Кроме того, существует и проблема получения в компрессоре сравнительно чистых газов [7], и поэтому совмещение в одном компактном агрегате с единой рабочей полостью и насоса и компрессора представляет определенную сложность.

Вероятно, что выше упомянутые противоречия и являются основной причиной отказа проектировщиков создавать гибридные конструкции насосов-компрессоров, в связи с чем такие машины в настоящее время промышленностью не выпускаются.

В настоящей работе сделана попытка создания предпосылок, позволяющих проектировщику разрабатывать конструктивные решения машин объемного действия, в которых совмещены полноценные функции насоса и компрессора, т.е. конструкций, представляющих собой гибрид двух схожих по общей компоновке технических решений.

Очевидно, что такой агрегат должен обладать свойствами, позволяющими ему сжимать и подавать потребителю одновременно и газ и жидкость, либо только газ и либо только жидкость. При этом конструкция должна иметь экономические показатели, не уступающие, или незначительно уступающие современным аналогам компрессоров и насосов.

Кроме того, предполагается произвести анализ возможных конструктивных вариантов гибридной машины объемного действия, среди которых необходимо выбрать пилотный образец, который может являться наиболее типичным представителем насос-компрессоров на начальном этапе их анализа и, возможно, освоения промышленностью.

1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА НАСОС-КОМПРЕССОРОВ ОБЪЕМНОГО ДЕЙСТВИЯ

Заключение диссертации по теме «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты», Виниченко, Василий Сергеевич

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Данная работа посвящена созданию научно обоснованных предпосылок проектирования нового типа устройств - поршневого насос-компрессора, выбор конструктивной-схемы которого произведен на* основе информационного поиска, отраженного в первой'главе. Соответственно цели исследования были* поставлены задачи, описание решений которых отражено в последующих главах.

Прежде всего, была обоснована методика расчета рабочих процессов« на основе уравнений, описывающих состояние газа в компрессорной и жидкости в насосной полости (вторая глава), которые явились основой создания математической модели исследуемой машины. Решение уравнений реализовано в виде прикладной программы, а методика расчета подтверждена проведенными экспериментами на модельном образце (третья глава).

В четвертой главе проведен тщательный параметрический анализ процессов, протекающих в полостях насос-компрессора, который позволил установить основные зависимости между независимыми параметрами (геометрия цилинд-ропоршневой. пары и механизма привода, внешние условия, параметры потребителя сжатого газа и жидкости под давлением, частота вращения коленчатого вала, отношение давлений и т.д.) и такими зависимыми переменными, как КПД, утечки и перетечки, коэффициент подачи и т.д. Полученные численным моделированием зависимости позволили определить наиболее вероятные параметры, необходимые для начальной стадии проектирования.

В целом по работе следует сделать следующие основные выводы:

1. Конструкция насос-компрессора работоспособна, и в состоянии выполнять функции как собственно насос-компрессора, так и отдельно насоса и компрессора.

2. Созданный стенд для исследования характеристик модельного образца поршневого насос-компрессора позволяет изучать рабочие процессы, протскающие в полостях машины и исследовать теплонапряженность его основных элементов.

3. Разработанная методика расчета рабочих процессов, протекающих в насосной и компрессорной полостях машины, адекватна фактически протекающим физическим процессам и может быть использована на первых стадиях проектировочных расчетов и оптимизации конструкции насос-компрессора.

4. Одновременная компоновка газового компрессора и жидкостного насоса с использованием общего цилиндра позволяет существенно снизить (до 15 К) теплонапряженность деталей цилиндропоршневой группы, что положительно сказывается на экономичности работы компрессорной полости.

5. Во всем исследованном диапазоне частот вращения (300-1200 мин"1), давлений нагнетания насосной (до 3 МПа) и компрессорной (до 0,8 МПа) полостей с радиальным зазором между поршнем и цилиндром до 50 мкм при длине поршня 60 мм не происходит перетечек газа через зазор поршневого уплотнения в насосную полость. В то же время в зазоре между поршнем и цилиндром постоянно присутствует жидкость, что с точки зрения трения и износа положительно влияет на работоспособность цилиндропоршневой пары.

6. Наиболее оптимальной с точки зрения КПД частотой возвратно-поступательного движения поршня насос компрессора является величина 500-700 мин"1.

7. Радиальный зазор в цилиндропоршневой паре величиной 25-30 мкм обеспечивает близкую к максимально экономичной работу насос-компрессора.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Виниченко, Василий Сергеевич, 2011 год

1. Джонс Дж. К. Методы проектирования. М.: Мир, 1986. - 326 с.

2. Половинкин А. И. Основы инженерного творчества. М: Машиностроение, 1988.-368 с.

3. Пластинин П:И., Щерба В.Е. Рабочие процессы объемных компрессоров^ со впрыском жидкости.// Итоги науки и техники. Сер. Насосостроение и компрессоростроение. Холодильное машиностроение./ВИНИТИ. — 1996.-5. С. 1-154.

4. Росс Твег. Системы впрыска бензина. Устройство, обслуживание, ремонт. -М.: Изд-во «За рулем», 1999. 144'с.

5. Навроцкий К.Л. Теория и проектирование гидро- и пневмоприводов. — М: Машиностроение, 1991. 384 с.

6. Брон Л.С., Тартаковский Ж.Э. Гидравлический привод агрегатных станков и автоматических линий. М.: Машиностроение, 1967. 356 с.

7. Болштянский А.П., Белый В.Д:, Дорошевич С.Э. Компрессоры с газостатическим центрированием поршня. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. -406 с.

8. Дворянкин А. М., Половинкин А. И., Соболев А. Н. Методы синтеза технических решений.- М.: Наука, 1977. 104 с.

9. Справочник по функционально-стоимостному анализу/ А. П. Ковалев, Н.К. Моисеева, В.В. Сысун, М.Г. Карпунин, Б.И. Майданчик; Под ред. М.Г Карпунина, Б. И. Майданчика. М.: Финансы и статистика, 1988,431 с.

10. Поршневые компрессоры/ Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий, П.И. Пластинин; Под общ. ред. Б.С. Фотина.- Л.: Машиностроение, 1987.372 с.

11. Таленс Я.Ф. Работа конструктора. Л.: Машиностроение, 1987. - 255 с.

12. ГОСТ 2.103.-68*. Стадии разработки. М.: Изд-во стандартов, 1989. - 2 с.

13. Диксон Дж. Проектирование систем. М.: Мир; 1969.-440 с.

14. Орлов П.И. Основьь конструирования: Справочно-методическое пособие: В 2-х кн. Кн. 1/ Под ред. П.Н; Учаева. М.: Машиностроение, 1988: — 560 с.

15. Техническая эксплуатация; автомобилей/ E.G. Кузнецов; А.П. Ьолдин, В-М: Власов И;др. Mi. : Наука; 2001. — 535 с.

16. Карагодин В.И., Митрохин H.H. Ремонт автомобилей и двигателей:.— М.: Мастерство; Высшая школа,.2001. 496 с.

17. Трение, изнашивание, смазка:. Справочник. В'* 2-х кш/Под ред. И.В; Крагельского; ВіВ. Алисина. М.: Машиностроение, 1978. - Кн. Г. 1978.-400 с.

18. Петров Ю.С. Судовые холодильные машины и установки. Л.: Судостроение, 1991.-400 с,

19. В.Б. Якобсон. Малые холодильные машины. М.: Пищевая промышленность, 1977.-368 с.

20. A.c. СССР 1079822, МКИ 1'04 В 31/00. Газораспределительное устройство поршневого компрессора/ В.Е. Щерба, А.П. Болштянский. Омский политехнический институт № 3528080/25-06; Заявлено 28.12.82; Опубл. 15.03.84-Бюл. №Ю:

21. A.c. СССР 1206477, МКИ F04 В 31/00. Вертикальный поршневой компрессор/ А.П. Болштянский; В.Е. Щерба,. Омский политехнический ин-статут № 3652496/25-06; Заявлено 17.10.83; Опубл. 22.09.85 - Бюл. № 3.

22. A.c. СССР 1019104, МКИ F04 В 39/00. Поршневая машина/ В.Е. Щерба,

23. A.Н. Кабаков, А.П. Болштянский, Омский политехнический институт -№ 2851974/25-06; Заявлено 12.01.79; Опубл. 12.01.79,- Бюл. №19.

24. A.c. СССР 731035, МКИ F04 В 25/00, F04 В 39/00. Поршневой компрессор/ А.П. Болштянский, А.Н. Кабаков, В.И. Стариков, В.Е. Щерба, Омский- политехнический институт № 2651116/25-06; Заявлено 26.07.78; Опубл. 30.04.80, - Бюл. № 16.

25. A.c. СССР 817305, МКИ Е04 В 39/00. Поршневой компрессор/

26. B.Е. Щерба, А.Н. Кабаков, А.П. Болштянский, Омский политехнический институт № 2733094/25-06; Заявлено 06.03.79; Опубл. 30.03.81, - Бющ12. -Л

27. A.c. СССР 739253, МКИ F04 В 31/00. Поршневой: компрессор/

28. A.П. Болштянский, В.Л. Гринблат, А.Н. Кабаков, ВЖ Стариков,

29. B.Е. Щерба, Омский политехнический институт № 2534189/25-06;. Заявлено 12:10:77; Опубл. 05.06.80,-Бюл. № 21.160 :

30. A.c. СССР 731036, ШСЙ F04 В 31/00. Поршневой компрессор/ А.ПЗ Болштянский:, В.Л. Гринблат, В .Г. Громыхал и н, А.Н. Кабаков, В-И; Стариков, В;Е. ТЦерба,: Омский; политехнический институт -№ 26501126/25-06;Заявленой9Ю7.78; Опубл. 30Ю4^80|-- Бюл;

31. A.c. СССР 1639173, МКИ F04 В" 31/00. Вертикальный поршневой компрессор/ В;Е. Щерба, А.П. Болштянский, М.А. Баннов, Омскийшолитех-нический институт № 4337178/29; Заявлено 09.11.87; Опубл. 01.12.90. (ДСП)

32. A.c. СССР 848755, МКИ F04 С 18/00. Ротационно-пластипчатый компрессор/ В.П. Парфенов, А.Н. Кабаков, А.П. Болштянский, Омский политехнический институт № 2853874/25-06; Заявлено 13.12.79; Опубл. 23.07.81,-Бюл. № 27.

33. A.c. СССР 1599583, МКИ F04 С 18/00. Роторный компрессор/

34. A.П. Болштянский, В.Е. Щерба, И.Е. Титов, И.С. Березин, -№ 4435963/25-29; Заявлено 06.06.88; Опубл. 15.10.90, Бюл. № 381

35. A.c. СССР 1110935, МКИ F04 С 18/356. Ротационный компрессор/

36. B.Е. Щерба, А.Н. Кабаков, В.Л. Юша, А.П. Болштянский, Омский политехнический институт № 3610813/25-06; Заявлено 29.06.83; Опубл. 30.08.84, - Бюл. № 32.

37. A.c. СССР 1150401, МКИ F04 С 18/356. Ротационный компрессор/ В:Е. Щерба, А.Н. Кабаков, В!Л: Юша, А.П. Болштянский, Омский политехнический институт №3610814/25-06; Заявлено 29.06.83; Опубл. 15.04.85, - Бюл. № 14.

38. A.c. СССР 1135923, МКИ F04 С 18/356. Ротационный, компрессор/ В.Е. Щерба, А.Н. Кабаков, B.JI. Юша, А.П. Болштянский, Омский политехнический, институт №3610812/25-06; Заявлено 29.06.83; Опубл. 23.01.85, - Бюл. №3.

39. Щерба В.Е., Болштянский А.П., Павлюченко Е.А. Форвакуумный: насос-компрессор с интенсивным охлаждением. Вакуумная техника и технология. Материалы XIII науч. технич. конф. с заруб: участием. Ml: МГИЭМ, 2006. С. 119-122.

40. Щерба В.Е., Болштянский А.П., Павлюченко Е.А. Многоцелевой насос -компрессор для** малых станций технического обслуживания: Вестник Красноярского государственного технического университета. Выпуск 43. Транспрт.: ИПЦ КГТУ, 2006. С. 451-457.

41. Пат. РФ № 2295057. Система впрыска топлива. Болштянский А.П. Щерба В.Е., Зензин Ю.А., Павлюченко Е.А. Омский государственный технический университет. № 2005121783. Заявлено 11.07.2005. Опубл. 10.03.2007.-Бюл. №07.

42. Пластинин П. И. Поршневые компрессоры. Т. 1. Теориями расчет. М.: Колос, 2000.-456 с.

43. Пластинин П. И., Щерба В. Е. Рабочие процессы объемных компрессоров со впрыском жидкости. М.: ВИНИТИ, 1996. - 153 с.

44. Щерба В.Е. Рабочие процессы, компрессоров объемного действия. М.: Наука, 2008.-319 с.

45. Кондратьева Т. Ф., Исаков В. П. Клапаны поршневых компрессоров. Л'., Машиностроение, 1983. - 158 с.

46. Кабаков А. Н., Щерба В. Е. Некоторые вопросы математического моделирования рабочего процесса в поршневом компрессоре//Изв. вузов. Энергетика, Минск. 1980. - № 7. - С. 56-61.

47. Щерба В.Е., Болштянскийн А.П. Аналитический расчет процесса'нагнетания в компрессоре объемного действия. Известия вузов СССР. Энергетика.- 1983.-№ 11.-С. 112-114.

48. Щерба В.Е., Болштянский А.П. К вопросу аналитического расчета* процесса всасывания поршневого компрессора. Известия вузов СССР. Машиностроение. 1983. - № 9. - С. 74-77.

49. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы/ Т.В. Артемьева, Т.М. Лысенко, А.Н. Румянцева, С.П. Стесин; Под ред. С.П. Стесина. — М.: Изд. Центр «Академия», 2006. — 336 с.

50. Орлов ЮМ Объемные гидравлические машины. Конструкция, проектирование, расчет. М.: Машиностроение, 2006. - 223 с.

51. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы/ Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. М.: Машиностроение, 1982. — 423 с.

52. Башта Т.М. Объемные насосы и гидроавтоматические двигатели гидросистем. М.: Машиностроение, 12974. 607 с.

53. Некрасов Б.Б., Беленков Ю.А. Насосы, гидроприводы' и гидропередачи. М.: Изд-во МАМИ, 1976. 128 с.

54. Щерба В.Е., Ульянов Д.А., Григорьев A.B., Виниченко В.С. Математическое моделирование рабочих процессов» насосов объёмного действия/Омский научный вестник. Омск: Изд. ОмГТУ, 2010 №3(93). - С. 7781.

55. Основы научных исследований/ В: И. Крутов, И: М. Грушко, В! В": Попов и др.; Под ред. В. И. Крутова, В. В. Попова. М.: Высш. шк., 1980. -400 с.

56. Пластинин П. И., Щерба В. Е. Рабочие процессы объемных компрессоров со впрыском жидкости. -М:: ВИНИТИ; 1996. 153 с.

57. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник./ Под ред. А.И. Голубева, J1.A. Кондакова. М.: Машиностроение, 1986. 464 с.

58. Щерба В.Е., Ульянов Д.А., Григорьев A.B., Виниченко B.C. Математическое моделирование рабочих процессов насосов объёмного действия/Омский научный вестник. Омск: Изд. ОмГТУ, 2010* №3(93). -С. 77-8Ь

59. Котур В.И., Скомская М.А., Храмова H.H. Электрические измерения и электрические приборы. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 400 с.

60. Теория и техника теплофизического эксперимента/ Ю.Ф. Гортышов и др.; Под ред. В.К. Щукина. М: Энергоатомиздат, 2001. - 360 с.

61. Фарзане Н.Г., Илясов JI.B., Азим-Заде А.Ю. Технологические измерения и приборы. М.: Высшая школа, 1989. 456 с.

62. Кравцов A.B. Электрические измерения. М.: Агропромиздат, 1988'. -239 с.

63. Евтихеев H.H., Купершмидт Я.А., Папуловский В.Ф., Скугоров В.Н. Измерение электрических и неэлектрических величин. М.: Энергоатомиз-дат, 1990.-352 с.

64. Клокова Н.П. Терморезисторы. Теория, методики расчета, разработки. — М.: Машиностроение, 1990. 224 с.

65. Дайчик M.JI. Методы и средства натурной тензометрии: Справочник/ M.JI. Дайчик, Н.И. Пригоровский, Г.Х. Хуршудов. М.: Машиностроение, 1989.-240 с.

66. Глаговский Б.А., Пивен И.Д. Электротензометры сопротивления. — JL: Энергия, 1972. — 56 с.

67. Журавлев А. Н. Допуски и технические измерения. М.: Высш. школа, 1981.-256 с.

68. Болштянский А.П. Теоретические основы расчета и проектирования поршневых компрессоров с газостатическим центрированием поршня. Дисс. докт. технич. наук. Омск, 1999. 530 с.

69. Болштянский А.П. Перспективы производства компрессоров с газостатическим центрированием поршня.// Криогенное и холодильное оборудование и технологии. Вып 1, Ч. 2. Омск, 1997. - С. 104-109.