Повышение эксплуатационных свойств мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.06, кандидат технических наук Щука, Ирина Олеговна

• Щука, Ирина Олеговна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Щука, Ирина Олеговна

ОГЛАВЛЕНИЕ

Основные

обозначения

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1Л. Обзор работ посвященных мембранным компрессорам и

анализ состояния вопроса

1.2. Постановка задачи исследования

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕМБРАННО-ПЛУНЖЕРНОГО КОМПРЕССОРА

2Л. Анализ работы мембранно-плунжерного насоса

2.1.1. Анализ работы плунжерного компрессора

2.1.2. Анализ работы мембранного компрессора

2.1.3. Работа мембранного компрессора

2.1.4. Выбор основных размеров мембранного компрессора

с гидроприводом

2.2. Модификация получения основного дифференциального уравнения для прогибов круглой тонкой пластинки при осесимметричном нагружении

2.2.1. Плоские мембраны, общие сведения

2.2.2. Расчет прогибов и напряжений в плоской мембране

в области малых перемещений

2.2.3. Исследование возможности уменьшения основных напряжений

2.3. Математическая модель, описывающая работу мембраны в мембранно-плунжерном компрессоре

2.3.1. Вывод уравнения для определения объема заключенного между нейтральными положениями мембраны и

поверхностью распределительного диска

2.3.2. Вывод уравнений для расчета мест расположения отверстий

для безударного подвода жидкости под мембрану

2.3.3. Вывод уравнений для расчета геометрических размеров объемов

между распределительными дисками (подложками), у которых площади кольцевых сечений равновелики

2.3.4. Вывод уравнений для расчета геометрических размеров объемов между подложками, у которых площади кольцевых сечений равновелики

2.3.5. Вывод уравнений для расчета геометрических размеров кольцевых объемов между распределительными дисками (подложками), которые имеют одинаковую толщину колец

2.4. Математическая модель, описывающая процесс возникновения скачка давления в мембранно-

плунжерном компрессоре

2.4.1. Методика расчета скачка давления при ходе нагнетания мембранно-плунжерного компрессора

2.4.2. Методика расчета скачка давления при ходе всасывании мембранно-плунжерного компрессора

2.5. Анализ работы и методика расчета системы и определение

клапанов мембранно-плунжерного компрессора

2.5.1. Анализ работы и методика расчета системы клапанов плунжерного насоса

2.5.2. Анализ работы и методика расчета системы клапанов мембранного компрессора

2.5.3. Определение подачи мембранно-плунжерного компрессора

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

РАБОТЫ МЕМБРАННОЕО БЛОКА

3.1. Анализ нагрузок, действующих на мембрану

3.2. Описание экспериментального стенда и анализ

его работы в процессе испытаний

3.3. Результаты расчета процесса всасывания и нагнетания мембранного компрессора при

абсолютно гибкой мембране

3.4. Оптимизация параметров мембранного блока путем рационального распределения отверстий

в распределительном диске

3.5. Программа расчета скачка давления при ходе всасывания и нагнетания мембранно-

плунжерного компрессора

3.6. Пример расчета скачка давления при ходе

всасывания мембранно-плунжерного компрессора

3.7. Пример расчета скачка давления при ходе

всасывания мембранно-плунжерного компрессора

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

ЛИТЕРАТУРА

155

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эксплуатационных свойств мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора»

ВВЕДЕНИЕ

В наземном оборудовании ракетных комплексов часто требуется перекачивать жидкость и газы высокой частоты. Это возможно в том случае, если у жидкостей и газов нет контактов с другими жидкостями и газами. Таким требованиям удовлетворяют мембранные насосы и компрессоры.

Впервые созданные в 20-х годах как лабораторные машины узкого назначения МК в настоящее время занимают видное место в компрессоростроении.

В России, Франции, Германии, США, Японии и других странах серийно выпускаются сотни типоразмеров МК, способных обеспечить сжатие газов в широком диапазоне давлений (от вакуума до нескольких тысяч атмосфер), производительностью от нескольких литров до десятков кубометров газа в час [1-10, 19-24].

Наиболее широко применяются МН и МК с металлическими мембранами, совершающими упругие прогибы под действием поршневого или плунжерного привода. Достоинство поршневого и плунжерного приводов -возможность достижения больших отношений (до 30) в одной ступени, что обусловлено наличием развитой теплопередающей поверхности камеры сжатия (у МК) и малым мертвым пространством (у МН и МК).

В МН и МК мембраны при сжатии не подвергаются одностороннему действию давления, что позволяет применять тонкие мембраны для создания высоких давлений.

Однако прогиб металлической мембраны ограничивается прочностными свойствами материала, из которого она изготовлена, и даже в случае применения относительно тонкой высокопрочной стали он невелик (в большинстве конструкций 1-10"2 от диаметра мембраны в заделке). Удельные массогабаритные показатели МН и МК определяются частотой рабочих циклов. Если частота рабочих циклов низка $ < 10 Гц), то массогабаритные показатели

МН и МК невысоки. Если частота рабочих циклов высока (f = 25-^50 Гц), то массо-габаритные показатели МН и МК высоки.

Анализ информации о состоянии развития МН и МК ведущих зарубежных фирм «Burton Corblin» (Франция), «Andreas Hofer» (Германия), «Aminco» и «Durco» (США) за последние годы позволяет заключить, что каких-либо кардинальных изменений в этой области не произошло. Характерны неизменность конструктивных решений основных специфических узлов машин и постоянство номенклатуры их типоразмеров. Новые машины разработаны для обеспечения развивающихся направлений современной технологии и расширения научных и поисковых работ.

В развитии отечественных МН и МК отмечается определенный прогресс, вызванный появлением унифицированных мембранных компрессоров [1].

Ниже рассмотрены новые направления в развитии отечественных МК, имеющих частоту рабочих циклов f = 25^50 Гц.

Актуальность темы. Мембранно-плунжерные компрессоры и насосы получили самое широкое распространение не только во многих отраслях промышленности, но и в наземном оборудовании ракетных комплексов. Как известно, для опрессовки и испытания пневматических элементов летательных аппаратов и спутников необходимо использовать воздух или другие газы сверхвысокой чистоты и не допускать при этом ни малейших потерь и загрязнений посторонними веществами, особенно минеральными маслами, взаимодействие которых с некоторыми газами могут привести к взрыву. Такими агрегатами являются мембранно-плунжерные компрессоры. В них отсутствует контакт, рабочего тела (масло) плунжерной системы, и перекачиваемого газа. Эти компрессоры имеют малые габариты и вес, что очень удобно в эксплуатации, особенно в контрольно-испытательных станциях, в качестве передвижных установок.

В МК и МН мембраны при сжатии не подвергаются одностороннему действию давления, что позволяет применять тонкие мембраны для создания высоких давлений. Однако прогиб металлической мембраны ограничивается

прочностными свойствами материала, из которого она изготовлена, и даже в случае применения относительно тонкой высокопрочной стали он невелик (в большинстве конструкций 1-Ю"2 от диаметра мембраны в заделке).

Удельные массогабаритные показатели МК и МН определяются частотой рабочих циклов. Если частота рабочих циклов низка (/<70Гц), то

массогабаритные показатели МК и МН не высоки.

Анализ информации о состоянии развития МК и МН ведущих зарубежных фирм «Burton Corblin» (Франция) «Andreas Hofer» (Германия) «Amico» и «Durco» (США) за последние годы позволяет заключить, что каких-либо кардинальных изменений в этой области не произошло. Характерны неизменность конструктивных решений основных специфических узлов машин и постоянство номенклатуры их типоразмеров. Проблемы реального компрессора заключаются в следующем.

У компрессоров с частотой рабочих циклов f -25 + 50 Гц мембраны

выходят из строя через t =10^150 часов работы вместо требуемого ресурса в 10000 часов. Для обеспечения нормальной работы компрессора прикладывается пакет запасных мембран. Частый выход компрессора из строя за счет разрушения мембраны приводит к необходимости больших затрат на смену мембран и иметь запасной компрессор для осуществления непрерывной подачи газа. Причины быстрого разрушения мембраны пока неопределенны. Есть только предположение, что быстрый выход мембран из строя является следствием неоптимального расположения отверстий в распределительных дисках, вызывающих скачок давления.

Таким образом, работы по определению оптимальных размеров мембранного блока, созданию математических моде- лей и методик расчета расположения отверстий в распределительном диске (подложке), актуальны и имеют большое народнохозяйственное значение.

Целью настоящей работы является проектирование, расчёт, улучшение эксплуатационных и технико-экономических показателей, а так же повышение ресурса мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора.

Указанной цели подчинены следующие задачи:

1. Определение причин быстрого выхода мембран из строя и причин

возникновения скачка давления.

2. Исследование МК по снижению и увеличению скачка давления за счет оптимального расположения отверстий в распределительном диске.

3. Разработка математической модели работы мембранного блока в мембранно-плунжерном компрессоре.

4. Разработка методики расчета по определению мест рационального расположения отверстий по поверхности распределительного диска и разработка рекомендации по снижению величины скачка давления в МК

5.Экспериментальные исследования МК для подтверждения расчетов по оптимальному расположению отверстий в распределительном диске и по

повышению ресурса.

Методы исследований. В работе использован комплексный подход исследований, сочетающий современные методы экспериментального и расчетно-теоретического исследования мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора.

В теоретической части работы, посвященной разработкам математических моделей и методик расчета, где применялись численные методы расчета, широко используемые для решения аналогичных задач. Научная новизна. В результатов проведенных исследований:

составлена математическая модель, описывающая процесс возникновения скачка давления при равномерном распределении отверстий в распределительных дисках мембранно-плунжерного компрессора;

- разработана методика расчета оптимального расположения отверстий в распределительных дисках мембранно-плунжерного компрессора;

разработан метод определения величины объемов между профилированными и ограничительными поверхностями распределительного и ограничительного дисков;

- разработан метод расчета и моделирования гидродинамических процессов в мембранно-плунжерных компрессорах, использующихся в заправочных системах.

Автор выносит на защиту следующие основные положения;

1. Математическую модель процесса возникновения скачка давления и методику расчета величины скачка давления в мембранном блоке МК.

2. Математическую модель и методик расчета мест расположения отверстий и суммарной площади отверстий в распределительном диске.

3. Все выносимые на защиту положения и полученные автором результаты подтверждены испытаниями, дающими удовлетворительное совпадение теоретических и экспериментальных данных.

Практическая ценность. Предложенные математические модели, методики и рекомендации позволяют улучшить качество проектирования, повысить достоверность результатов испытаний, дают возможность располагать отверстия в подложках мембранного блока, таким образом, чтобы величина скачка давления была минимальной.

Реализация работы. Результаты исследований могут быть использованы при совершенствовании существующих и вновь разрабатываемых мембранно-плунжерных компрессоров в АООТ «Омское моторостроительное конструкторское бюро» (г. Омск), а также в наземном оборудовании ракетно-космической отрасли.

На основные результаты работы были получены патент на изобретение №2145060 «Устройство для определения массового расхода текучих сред» (Щука И.О., Бубнов A.B., Кузнецов В.И., Федоров В.К.) и свидетельство на полезную модель №19881 «Распределительный диск пневмогидромашины» мембранного типа» (Щука И.О., Кузнецов В.И., Юминов В.Г.)

Полученные результаты могут быть рекомендованы к использованию на предприятиях машиностроения, занимающихся разработкой, созданием и производством мембранных компрессоров, а также в учебном процессе при изучении отдельных разделов дисциплины «Компрессорные машины».

Достоверность результатов работы. Обусловлена качественным и количественным соответствием теоретических результатов известных данных, а также результатам численного и физического моделирования.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (Н. Новгород, 1998); на научно-практической конференции Промтехэкспо-99 «Роли инноваций в развитии регионов» (Омск, 1999); на III международной научно-технической конференции «Динамика систем механизмов и машин» (Омск, 1999); на 12-ом Межвузовском научно-техническом семинаре «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология» (Казань, 2000), на 13-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции (Казань, 2001), на научной молодежной конференции «Молодые ученые на рубеже третьего тысячелетия», посвященной 70-летию со дня рождения академика В.А. Коптюка (Омск, 2001), на молодежной конференции «Задачи космического образования в «XXI веке», всемирная космическая неделя ООН (Москва, 2001), на II международном технологическом конгрессе (Омск, 2003), в Омском научном вестнике, 2006. -№6 (41)., на международной научно-практической конференции «Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса» (Омск, 2011).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 26 печатных работ, в том числе - 2 в перечне ВАК, патент на изобретение, свидетельство на полезную модель.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. ОБЗОР РАБОТ ПОСВЯЩЕННЫХ МЕМБРАННЫМ КОМПРЕССОРАМ И

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

В настоящее время в промышленность внедряются мембранные компрессора и насосы с частотой рабочих циклов f=25-r50 Гц. Появление мембранных компрессоров с гидроприводом высокого давления обусловлено интенсивным развитием таких направлений современной технологии, науки и техники, как газостатическое прессование в среде инертного газа, новых методов получения искусственных материалов с заданными свойствами, экспериментальные методы исследований в области физики и др. [2, 4, 6-9].

Из зарубежных фирм, специализирующихся на разработке и изготовлении МК и МН высокого давления (102 мПа и более), наибольший интерес представляют «Burton Corblin» (Франция), «Andreas Hofer» (Германия).

Фирма «Burton Corblin» (Франция) производит несколько марок компрессоров высокого давления, техническая характеристика которых

представлена в табл. 1.1. [2].

В этой группе машин наибольший интерес представляет компрессор В4С.2000, в котором наряду с традиционными содержатся и новые прогрессивные технические решения конструкции узлов [3].

На рис. 1.1. показана конструктивная схема компрессора. Основные узлы компрессора: база, состоящая из картера и механизма движения, мембранный блок, циркуляционный и компенсационный насосы, ограничитель давления и обратный клапан.

Мембранный блок состоит из ряда дисков, выполненных из высокопрочных материалов, стянутых шпильками 6. Профилированные поверхности ограничительного 5 и распределительного 9 дисков образуют замкнутую камеру, которая пакетом мембраны 4 защемленным между дисками,

разделяется на газовую и масляную полости блока. В ограничительном диске размещены всасывающий 8 и нагнетательный 7 газовые клапаны.

Технические характеристики компрессоров

Таблица 1.1

Параметр Марка компрессора

А4С.1000 А5С.1000 В2С.1000 В2С1500 В4С.2000

Давление нагнетания, мПа 100 100 100 150 200

Диаметр цилиндра, мм 20 26 18 15 20

Ход поршня, мм 120 150 40 40 64

Частота вращения коленчатого вала, об/мин 400 400 400 400 400

Объем, описываемый поршнем, м3/ч 0,96 1,9 0,245 0,168 0,485

масса, кг 780 - 430 400 1020

Известно, что, чем выше номинальное давление нагнетания блока, тем сложней уплотнить мембраны в заделке при помощи затяжки шпилек вручную. В компрессоре В4С.2000 реализован один из способов решения этой задачи, -использовано давление жидкости гидропривода для автоматической гидравлической затяжки шпилек и уплотнения стыка. Этот способ основан на использовании некомпенсированной площади. Его принцип в том, что сила, защемляющая пакет мембран, складывается из усилия предварительной затяжки и дополнительного усилия, равного произведению площади кольца, ограниченного диаметрами "Б" и "сГ (рис. 1.1),и давления жидкости в гидроприводе. Необходимые контактные напряжения в заделке мембраны обеспечивают соответствующим подбором соотношения упомянутой площади кольца и площади уплотнительного пояса мембран. Такое решение мембранного блока обеспечивает дополнительную автоматическую затяжку мембран, что повышает герметичность блока компрессора.

f \ в. картер

От компенсационного

насоса

Рис. 1.1. Конструктивная схема компрессоров В4С.2000 фирмы «Burton Corblin»: 1-корпус; 2-плунжер; 3-гильза; 4-пакет мембран; 5-ограничительный диск; 6 - шпилька; 7 - нагнетательный клапан; 8 - всасывающий клапан; 9 -распределительный диск; 10 - промежуточный диск; И - обратный клапан; 12 - крейцкопфный цилиндр; 13 - циркуляционный насос; 14-эксцентрик компенсационного насоса; 15 - компенсационный насос; 16-ограничитель давления;

Введение в конструкцию мембранного блока промежуточного диска 10 в виде вставки, сопрягаемой с корпусом 1 по конической поверхности, вызвано соображениями экономии качественного металла, к которому предъявляются жесткие требования по чистоте, однородности и механическим свойствам (сочетание высоких показателей прочности и ударной вязкости). Такое решение позволяет снизить величину нормальных напряжений в корпусе, однако предъявляет высокие требования к качеству конического сопряжения.

Промежуточный диск 10 позволяет исключить непосредственный контакт масла гидропривода с металлом корпуса 1. Таким образом удается избегать разрушения от проникновения масла в поры металла при действии больших давлений.

На разных режимах работы компрессора ход поршня различен, что объясняется влиянием сжимаемости жидкости гидропривода в диапазоне

давления нагнетания 0 -ь 400 МПа. Для того, чтобы переменная величина хода поршня 1 не вызывала рассогласования его перемещения и перемещения мембраны 9, компрессор снабжен гидравлической системой, состоящей из гидронасоса, пневмогидравлических аккумуляторов и системы золотникового распределения.

В мембранном блоке мембрана защемляется между уплотнительными буртиками ограничительного 5 и распределительного 9 дисков.

Гидравлическая схема герметизации мембраны позволяет резко уменьшить усилие предварительной затяжки шпилек блока и выполнять эту операцию стандартным ключом усилием одного человека.

Конструктивное решение мембранного блока подчинено всемерному повышению усталостной прочности его деталей, испытывающих большие

"Г/"

циклически изменяющиеся напряжения. К числу конструктивных решении этой задачи, относятся: сопряжение замыкающих внутренних вставок с корпусными деталями по сферическим поверхностям, сведение к минимальному числу сквозных каналов в деталях, отсутствие пересекающих каналов-источников концентрации напряжений и т.п.

Указанное требование подкрепляется также применением для изготовления деталей мембранного блока высококачественных высокопрочных сталей. Одной из старейших фирм, специализирующихся на разработке и производстве мембранных компрессоров высокого давления, является фирма «Andreas Hofer».

Фирма производит 5 марок компрессоров высокого давления, техническая характеристика которых приведена в табл. 1.2 [25].

Все компрессоры в одноблочном горизонтальном исполнении. Компрессоры последних трех марок, из табл. 1.2, снабжены устройством термостатирования, которое автоматически поддерживает повышенную температуру жидкости гидропривода с целью частичной компенсации известного эффекта значительного повышения вязкости жидкостей при высоких давлениях. В этих компрессорах для гидропривода мембран и для

системы смазки механизма движения используются разные жидкости, и машины оснащены соответственно двумя замкнутыми изолированными гидравлическими системами.

1 2 1

Рис. 1.2. Устройство контроля разрушения мембраны в компрессорах фирмы «Andreas Но fer»

Типичный представитель МК высокого давления фирмы «Andreas Holer» - компрессор марки 3000 МК 0015 снабжен устройством термостатирования, смонтированным на стенке картера; на ограничителе давления шпиндельного типа имеется рукоятка для ручной разгрузки гидропривода. В раме компрессора размешен концевой холодильник.

В качестве жидкости гидропривода применяются специальные сорта масел, к которым предъявляются особые требования. Низкий температурный коэффициент вязкости и слабая склонность к вспениванию при дросселировании — главные из предъявляемых требований.

Все компрессоры обеспечены системой контроля давления, предохранительными клапанами, а также автоматическим устройством выключения приводного двигателя при разрушении мембран [26] (рис. 1.2).

Контроль разрушения мембраны осуществляется следующим образом.

В зависимости от того, какая из рабочих мембран 1 разрушается, газ или жидкость гидропривода по прорезям 4 в мембране 2 поступает в камеру 5, канал 6 и далее по трубопроводу (на рис. 1.2 не показан) в канал 12 оптико-электрического регистратора утечек, установленного в гильзе 13.

Сравнение параметров компрессоров

Таблица 1.2

Параметр Марка компрессора

1000 МКи 004 юоомкиоз 3000 МК 0015 3000 МК 0025 4000 МК 003

Давление, кгс/см : Всасывания нагнетания 50-200 1000 50-200 1000 350-1000 3000 350-1000 3000 1000 4000

Отношение давления 3; 6; 9; 12; 15; 3; 6; 12; 15; 3; 6; 8,6 3; 6; 8,6 4

Производительность по условиям всасывания, нм3/ч 70; 50; 35; 30; 25 600; 500; 320; 260; 220 15; 7; 5,5 25; 11; 8 30

Мощность приводного двигателя, кВт 3,5 8,5 4,0 5,5 7,5

Число ходов поршня в минуту, ход/мин 400 400 80 80 60

Масс, компрессора, кг 400 550 - - -

В регистраторе содержится светопроницаемая жидкость 8, заполняющая часть объема гильзы 13, канала 12 и каналы в корпусе 9. Фотоэлемент 11 освещается источником света 15 через жидкость 8 и электрически связан с приводным двигателем. Фотоэлемент 77 и источник света 15 изолированы от жидкости оптически прозрачными линзами 10. При попадании газа или жидкости 8 гидропривода в оптико-электрический регистратор изменяются оптические. свойства жидкости 8 и интенсивность освещения фотоэлемента 11, вследствие чего он генерирует электрический сигнал, отключающий приводной двигатель.

Следует отметить, что при наличии дефектов уплотняемых поверхностей мембран 7 или ограничительного 3 и распределительного 7 дисков может появиться утечка по мембранному стыку, которая вызовет ложное срабатывание автоматического устройства. Это означает, что при отсутствии явного разрушения мембран 7 при их внешнем осмотре нельзя однозначно определить причину отключения приводного двигателя. Указанное обстоятельство важно, когда речь идет о высоком давлении, при котором даже внешне незаметные дефекты: могут быть причиной не герметичности мембранного стыка.

Фирма «Бигсо» производит компрессоры нескольких типов, объединенных в серии, технические характеристики которых приведены в табл. 1.3 [27].

Компрессоры серий 1000, 3000, 5000, 7000 и 9000 — одноступенчатые дожимающие, при этом машины серий 1000, 3000 и 5000 — одноблочные с расположением блока в вертикальном ряду, а серии 7000 — с расположением блока в горизонтальном ряду. Компрессоры серии 9000 — одноступенчатые двухблочные со взаимно перпендикулярным расположением двух блоков в вертикальном ряду и с одним гидроцилиндром для этих блоков.

Компрессоры серий С> и 3000-ЬАС — двухступенчатые двухблочные.

Все компрессоры отличает оригинальное исполнение узла затяжки мембран в блоках высокого давления. На рис. 13., а изображен компрессор с узлом затяжки типа «Сапог» [Патент 3.052.188 (США)].

Затяжка мембраны 9 осуществляется следующим образом. При возвратно-поступательном движении плунжера 1 в гидравлической полости 2 компрессора давление циклически изменяется от максимального значения, равного давлению срабатывания ограничителя давления 11, до минимального давления, равного давлению всасывания. Гидравлическая полость 2 связана каналом 8 через обратный клапан 10 с камерой затяжки 5, образованной глухой расточкой в верхней плите 4 и резьбовой пробкой 7, ввернутой в корпус 6. Таким образом, в камере 5 создается и поддерживается постоянным максимальное давление жидкости гидропривода. Поскольку наружный диаметр мембраны 9 меньше диаметра расточки в плите 4, результирующая сила, действующая на плиту, направлена вниз и надежно защемляет мембрану.

Рис. 1.3. Конструктивные схемы компрессоров фирмы «Бигсо» Эта конструкция по сравнению с рассмотренными выше отличается более высокой удельной металлоемкостью и более низкими объемными характеристиками из-за существенного увеличения мертвого пространства, вызванного необходимостью горизонтальной установки клапанов 3.

Для уменьшения амплитуды переменных напряжений в заделке мембраны в некоторых машинах камера затяжки выполняется кольцевой формы с меньшей площадью, на которую воздействует высокое давление.

Представляет интерес конструктивное решение компрессора со взаимно-перпендикулярным расположением оси гидроцилиндра и оси симметрии камеры сжатия мембранного блока (см. рис. 1.3, б).

ТАБЛ. 1.3.

Марка Давление кг/см2 Отношение давлений Производительность, •2 м /ч Мощность производного двигателя, кВт Число ходов поршня в минуту, ход/мин Масса компрессора, Кг

компрессо Всасывания Нагнетания

1 2 3 4 5 6 7 8

1025 70-350 1050 15 7,5 5 3,75 3 0,38 1,7 2,9 4Д 5,4 1,49 300 227

3033 70-175 2100 30 20 15 12 1,36 2,25 3,744,93 5,59 300 681

3038 70-155 1050 12,5 9,3 7,5 6,8 3,74 6,8 8,33 11,56 5,59 300 -

3-078044 3,5-15,75 1050 300 150 100 75 1,7 3,746,8 9,35 5,59 300 908

Продолжение табл. 1.3.

1 2 3 4 5 6 7 8

3-078033 1,4-9,1 2100 1500 750 500 375 300250 0,68 1,53 2,38 3,23 4,084,76 5,59 300 908

5044 140-420 1050 7,5 5 3,75 3 2,5 22,1 30,6 40,8 47,6 54,4 18,65 300 2045

140-420 2100 15 10 . 7,5 6 5 16 25,5 34 42,5 47,6 18,65 300 2045

5054 35-105 1050 30 20 15 14 10 1,87 4,25 7,65 10,71 15,45 18,65 300 2045

1 2 3 4

* 30

20

7065 42-350 2100 15

10

30

20

7078 35-105 1050 15

12

10

20 13,3 10

8

9089 70-280 1400 6,6 5,7

5

75

35

Q-038026 14-70 1050

25 18,75 15

Продолжение табл. 1.3.

5 6 7 8

3,4 12,75 25,5 38,25 55,25 29,85 300 3630

3,4 12,75 22,1 32,3 44,2 29,85 300 3630

22,1 68 105 127.5 183,6 200.6 212,5 44,75 300 4540

0,85 2,04 3,06 4,42 5,78 1,5 300 318

Среди отечественных разработок в этом направлении следует отметить мембранный компрессор, принцип, действия и конструктивная схема которого предложена [A.C. 812964 (СССР)]. В этом компрессоре реализован принцип автоматической гидравлической затяжки шпилек блока и мембран в заделке, однако обе эти операции осуществляются дифференцированно.

Для затяжки шпилек 8 (рис. 1.4, а) служит кольцевая ступенчатая камера затяжки 19, образуемая промежуточным 1 и опорным 2 дисками, а для затяжки мембран в заделке — кольцевая камера 14, образуемая промежуточным 1, распределительным б дисками и кольцом 7.

При сборке мембранного блока предварительную затяжку мембраны осуществляют вручную, затягивая гайки шпилек стандартным ключом усилием одного человека. При этом усилие затяжки передается через ограничительный диск 9, заделку мембраны 11, распределительный диск 6 и центральную часть опорного диска 2. Кольцо 7 и промежуточный диск 1 при предварительной затяжке разгружены.

После пуска компрессора гидравлическая полость блока 12 через канал 16 заполняется рабочей жидкостью компенсационным насосом (на рис. 1.4, а, не показан) и мембрана 1 под действием плунжера 20 начинает совершать упругие прогибы, осуществляя рабочие процессы компрессора.

Рис. 1.4. Конструктивные схемы компрессоров НИИхиммаш с дифференцированной затяжкой шпилек и мембран

При ходе «сжатие» давление повышается одновременно в камере затяжки шпилек 19, в камере затяжки мембраны 14 и в рабочей камере 10, поскольку обратные клапаны 17 и 15 открыты. При этом усилие в камере 19, возникающее при воздействии давления на поверхность промежуточного диска 1, ограниченную уплотнениями 18 и 13, перемещает промежуточный диск 1 в сторону мембраны 11; он воздействует последовательно на кольцо 7, ограничительный диск 9. обеспечивая возможность автоматически затягивать шпильки 8. В то же время усилие в камере 14. возникающее при воздействии давления на поверхность распределительного диска 6, ограниченную уплотнениями -5 и 4, перемещает диск 6 в сторону мембраны 11, защемляя ее между последним и ограничительным диском 9 и обеспечивая автоматическую затяжку мембраны в заделке. По окончании хода нагнетания в камерах 19 и 14 устанавливается максимальное давление, равное давлению открытия маслосбрасывающего клапана(на рис. 1.4 не показан). Моментом открытия этого клапана завершается процесс нагнетания, при этом избыток рабочей жидкости отводится' через канал 3 из мембранного блока.

При ходе обратного расширения давление в рабочей камере 10 падает до давления всасывания, однако в камере затяжки шпилек 19 и камере затяжки мембраны 14 давление остается неизменным, так как обратные клапаны 17 я 15 закрываются под действием возникающего перепада давлений в рабочей камере 10 и в камерах 19 я. 14.

Упомянутые камеры затяжки выполнены с использованием принципа «некомпенсированной площади»: размеры площадей, определяющие усилия затяжки силовых шпилек 8 и мембраны 11, выбраны с учетом обеспечения необходимых напряжений в шпильках и в поясе защемления мембраны.

Строго говоря, конструкция этого блока (с раздельной затяжкой силовых шпилек и мембраны с помощью кольцевых камер) не позволяет полностью избавиться от переменной составляющей усилия затяжки, однако величина этой переменной незначительна, в чем легко убедиться, рассмотрев, например,

усилие 0>, воспринимаемое силовыми шпильками. Максимальная величина

п Ю2 этого усилия 0.тах = -^-ртах,

Заключение диссертации по теме «Наземные комплексы, стартовое оборудование, эксплуатация летательных аппаратов», Щука, Ирина Олеговна

Результаты работы экспериментальных и теоретических исследований Щука Ирины Олеговны (Омский государственный технический университет) изложенные в диссертационной работе на тему "Повышения эксплуатационных свойств мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора" были использованы в конструкторской документации. В частности рекомендации по расположению отверстий в распределительном диске мембранно-плунжерного насоса введены в конструкторскую документацию опытного образца мембранного насоса НА-4.

Зам. гл. конструктора

Ю.Н. Сушков

Вед. конструктор

А.Н. Фендриков

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Щука, Ирина Олеговна, 2012 год

ЛИТЕРАТУРА

щ 1. С.М. Алтухов, A.B. Жуков, В.Д. Кузнецов и др. Современное

состояние и направления развития мембранных компрессорных установок в СССР и за рубежом / - М.: ЦНТИ - ХИМНЕФТЕМАШ, 1982. 41 с.

2. Алтухов С.М., Румянцев В.А. Мембранные компрессоры / - М.: Машиностроение, 1967.

3. Антонов Н.М. Разработка многоцелевой математической модели ^ рабочего процесса двухступенчатого поршневого компрессора с учетом

реальности газа и анализ его работы: Дис. ... канд. техн. наук.-Л., 1985.

4. Андрющенко А.И. Основы технической термодинамики реальных процессов. - М.: Высшая школа, 1975. - 264 с.

5. Башта Т.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. - М.: Машиностроение, 1972.

^ 6. И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. Расчет на прочность

деталей машин / Справочник.- М.: Машиностроение, 1993.

7. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.: Наука, 1972. - 720 с.

8. Б.А. Гавриленко, В.А. Минин, С.Н. Рождественский. Гидравлический привод / - М.: Машиностроение, 1968, 502 с.

9. Головин В.В. Аналоговые пневматические устройства. - М.:

«I

Машиностроение, 1980.

10. Даль Г.Ф., Соколов В. А., Гриднев Э.С. Унифицированные мембранные компрессоры. - Экспресс-информ. Сер. ХМ-5. ЦНТИ -ХИМНЕФТЕМАШ. 1980. №1.

11. Диафрагменные насосы. - Экспресс - информ. Сер. ХМ - 4. 1980,

#

12. Доллежаль H.A. Расчет основных параметров самодействующих пластинчатых клапанов поршневого компрессора / Общее машиностроение. -

f 1941.-№9. с. 2-5.

13. Едемский B.C., Пластинин П.И. К расчету промежуточного давления в математической модели двухступенчатого компрессора // Изв. ВУЗов. Машиностр. - 1984. - №4. - с. 58-60.

14. Каталог фирмы KNF. Die Neuberger-Sensation zur АНЕМА - 76 1-,2-und 3- kopfige kolbenkompressoren fur 100% olfreie Druckluft.

^ 15. Каталог фирмы KNF. Membrancompressoren,

Membranvakuumpumpen fur den Laboratorbetrieb. NK 07, AL 015, AL 017, NK 025.2, NV 25.1, NV 25.3.

16. Каталог фирмы KNF. Membrancompressoren. Membranvakuumpumpen. Documentation Dim 1.

17. Каталог фирмы KNF. Fabrikationsprogramm Membrancompressoren. Membranvakuumpumpen. FP].

* 18. Каталог фирмы «Thomas Industries Inc.» Thomas original equipment compressors and vacuum pumps. Bulletin N 70 A.

19. Каталог фирмы «Gast Manufacturing corp.» Diaphragm Air Compressors.

20. Кузнецов В.И., Щука И.О. Счетчик количества жидкости и газа // Методы и средства измерений физических величин. Тез. докл. 3 Всеросс. науч.-техн. конф., 4.4, J ¡.Новгород, 1998. с.25.

21. Кузнецов В.И., Щука И.О. Метод определения массового расхода жидкостей и пг;о;?// Методы и средства измерений физических величин. Тез. докл. 3 Всеросс. . науч.- техн. конф., ч.4, Н.Новгород, 1998. с.25.

22. Кузнецов В.И., Щука И.О. Исследование мембранного блока мембранно-п::у: иного насоса// Роли инноваций в развитии регионов. Тез. докл. науч.-прак : г. конф. Промтехэкспо-99, Омск, 1999. с.45-46.

23. Кузнецов В.И., Щука И.О. Процесс возникновения гидравлического удара в мембранно-плунжерном насосе// Динамика систем, механизмов и

^ машин: Матер. 3 Междунар. науч.- техн. конф.- Омск, ОмГТУ, 1999. с.271.

24. Кузнецов В.И., Щука И.О. Математическая модель работы мембраны в мембранно-плунжерном насосе// Динамика систем, механизмов и машин//Матер. 3 Междунар. науч.- техн. конф.- Омск, ОмГТУ, 1999. с.272-273.

25. Гридин В.Б. Прямоточный поршневой детандер с обратным сжатием // Кислород - 1959, - №3. -С. 16 - 25.

26. Кузнецов В.И., Щука И.О. Физическая модель взаимодействия жидкости и мембраны в мембранно- плунжерном насосе// Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология, ВАУ, Казань. 2000. с.109-111.

27. Кузнецов В.И., Щука И.О. Математическая модель взаимодействия жидкости и мембраны// Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология, ВАУ, Казань. 2000. с. 111-112.

^ 28. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества.- Л.:

Машиностроение. 1989.

29. Расходомер для жидкостей и газов. SU1645828 AI., G01F 1/20/

30. Кузнецов В.И., Щука И.О., Юминов В.Г. Распределительный диск пневмогидромашины мебранного типа. - Свидетельство на полезную модель №19881 10.10.2001г. Бюл. №28.

31. Патент №2145060. Бубнов A.B., Кузнецов В.И., Федоров В.К.,

ч

Щука И.О. Устройство для определения массового расхода текучих сред. Бюлл. №3, 2000.

32. Калекин B.C., Прилуцкий И.К., Фотин Б.С. К вопросу расчета многоступенчатых поршневых компрессоров методом математического моделирования// Холодильные и компрессорные машины.- Новосибирск. -1978.- с.115-121.

33. Криогенные поршневые детапдеры/ A.M. Архаров, К.С. Буткевич, И.К. Буткевич, А.З. Миркин; Под ред. A.M. Архарова.- М.: Машиностроение,

\ 1974, 240 с.

34. Криогенные машины/ В.Н. Новотельнов, А.Д. Полтараус, В.Б. Суелов.-С/Пб: Политехника, 1991, 335 с.

35. Мамонтов М.А. Основы термодинамики тела переменной массы.-Тула: Приокское книжное издательство, 1970.- 87 с.

36. Пластинин П.И. Теория и расчет поршневых компрессоров.- М.: Агропромиздат, 1987.- 271 с.

ш

37. Пластинин П.И., Твалчрелидзе А.К. Введение в математическое моделирование поршневых компрессоров.- М.: МВТУ им. Баумана, 1976.- 78 с.

38. Пластинин П.И. Расчет и исследование поршневых компрессоров с использованием ЭВМ// Итоги науки и техники. Серия насосостроение и компрессоростроение.-М.: 1981, т.2,- 168 с.

39. Поршневые компрессоры/ Б.С.Фотин, И.Б. Пирумов, И.К.

% Прилуцкий, П.И. Пластинин; Под ред. Фотина.- Л.: Машиностроение, 1987.372 с.

40. Петриченко P.M., Оносовский В.В. Рабочие процессы поршневых машин.- Л.: Машиностроение, 1972.- 168 с.

41. С.Д. Пономарев, Л.Е. Андреева. Расчет упругих элементов машин и приборов.- М.: Машиностроение. 1980.- 326 с.

42. Воронков С.С., Прилуцкий И.К., Фотин Б.С. Математическая модель высокооборотного поршневого двухступенчатого компрессора// Расчет и эксперим. исслед. холод, и компрессор, машин.- М., 1982.- с.43-53.

43. Прилуцкий И.К., Прилуцкий А.И. Расчет и проектирование поршневых компрессоров и детандеров на нормализованных базах. Учебное пособие для ВУЗов, СПб.: СПГАХиПТ, 1995.- 193 с.

44. Штейнгарт Л.А. Исследование рабочих процессов поршневых

** компрессоров с помощью математического моделирования: Дис. ... канд. техн.

наук.- Л, 1973.

45. Щука И.О., Кузнецов В.И. Метод определения массового расхода жидкостей и газов// Методы и средства измерений физических величин. Тез.

Ф» докл. 3 Всеросс.. науч.- техн. конф., ч.4, Н.Новгород, 1998. с.27.

46. Щука И.О. Оптимизация расчета геометрических размеров рабочей камеры мембраны// Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология: Тез. докл. 12 Межвуз. науч.-техн. семинара им. A.C. Фигурнова.- Казань. 2000.- с. 162-164.

47. Щука И.О. Расположение отверстий в распределительном диске . мембранного компрессора// Современные технологии при создании продукции

военного и гражданского назначения. Сб. докл. технологического конгресса.-Омск, 2001- 4.1- с.144-147.

48. Щука И.О. Работоспособность мембраны компрессора// Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения. Сб. докл. технологического конгресса.- Омск, 2001- 4.1- с. 147-149.

49. Щука И.О., Кузнецов В.И. Закономерность расположения отверстий в распределительном диске пневмогидромашины мембранного типа// Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения. Сб. докл. технологического конгресса.- Омск, 2001- ч.1- с.223-225.

50. Щука И.О. Анализ результатов расчета процессов всасывания и нагнетания мембранного компрессора// Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения. Сб. докл. технологического конгресса.- Омск, 2001- ч.1- с.225-228.

^ 51. Щука И.О. Экспериментальное исследование работы мембраны при

отсутствии гидравлического удара// Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения. Сб. докл. технологического конгресса.- Омск, 2001- ч.1- с.228-230.

52. Щука И.О. Оптимизация подвода жидкости в мембранный блок мембранного компрессора// Материалы науч. конф. «Молодые ученые на ^ рубеже третьего тысячелетия»- Омск, 2001.- с. 108-109.

53. Щука И.О. Снижение заброса давления в мембранном блоке мембранно-плунжерного компрессора// Труды конф. «Задачи космического образования в 21 веке», всемирная космическая неделя ООН.- Москва,2001.-с.115.

54. Щука И.О. Анализ влияния расположения отверстий в распределительном диске мембранного компрессора на ресурс мембраны// Материалы 4 Междунар. науч.-техн. конф. «Динамика систем, механизмов и машин»- Омск,2002.- с. 435-438.

55. Щука И.О. Экспериментальная проверка расчетных зависимостей по оптимизации параметров мембранного блока// Военная техника, вооружение и технологии двойного применения в 21 веке. Сб. докл. 2 Междунар. технол. конгресса. - 0мск,2003-ч.1.- с.20.

56. Свидетельство на полезную модель № 19881.

57. Щука И.О. Повышение ресурса мембраны за счет рационального расположения отверстий в распределительном диске мембранного компрессор: Статья Проектирование и исследование компрессорных машин// Проектирование и исследование компрессорных машин Сб. научн. тр. Казань, 2004.-С.380-384

58. Щука И.О., Аверьянов Г.С. Метод расчета геометрических размеров кольцевых объемов равной толщины. - Омск: Омский научный вестник, 2006. - №6 (41). С. 89-91

59. Щука И.О., Аверьянов Г.С. Мембранные компрессоры для стартовых ракетных комплексов // Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса: Материалы Международной науч.-практич. Конф. -Омск, 2011. -С.3-5

60. Charles S. Madan Co. Ltd. Une nouvelle pompe hidropneumatique a membrane double.- Sucrerie Française, April, 1980.

61. Leckagenfreie Druckluft - Membranpumpe.- Industrie- Anzeiger, 102, 1980, №17. v.29, p.2.

62. Hofer-Hochdruck. Hochdrucktechnik GMBH. Membran compressoren. AHEMA-79

,t 63. Hofer A. Hochdrucktechnik GMBH. Planung Konstruktion. Herstellung.

4330 Mulheim (Ruhr). Catalogue №2.0212-1981.

64. Pressure productes industries. Duriron Company Inc. («Durco»). Hatboro. Pennsylvania, USA.

65. Catalog 466 D. American Instrument Company («Aminco»). Silver Spring, Maryland, USA.

^ 66. Compresseurs a membrane. Pompe a membrane. Corblin, Paris.

67. Compresseurs a membrane poar gaz purs. Notice de conduite et d'entretien. Types AO. AOC-AE-ALC-A2-A2C-A34-A34C-A4-A4C-A5-A5C-B2C-B4C. Notice 22F25.- Société Burton Corblin, Paris.

68. Corblin type C.B.4000. Laboratory type diaphragm compressor for very high press ures (4000 ATS). Paris.

УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор, главный конструктор.

АКТ

ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Результаты работы экспериментальных и теоретических исследований Щука Ирины Олеговны (Омский государственный технический университет) изложенные в диссертационной работе на тему "Повышения эксплуатационных свойств мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора" были использованы в конструкторской документации. В частности рекомендации по расположению отверстий в распределительном диске мембранно-плунжерного насоса введены в конструкторскую документацию опытного образца мембранного насоса НА-4.

Зам. гл. конструктора

Ю.Н. Сушков

Вед. конструктор

А.Н. Фендриков