Разработка и исследование героторного компрессора с полным внутренним сжатием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.06, кандидат технических наук Мустафин, Тимур Наилевич

• Мустафин, Тимур Наилевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мустафин, Тимур Наилевич

Введение.

1 Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1 Краткий обзор схем и конструкций роторных компрессоров.

1.2 Дифференциальные уравнения рабочих процессов.

1.3 Постановка задач исследования.

2 Методика расчёта геометрических характеристик компрессора.

2.1 Задачи профилирования и методики их решения.

2.2 Теоретический профиль внутреннего ротора.

2.3 Линия зацепления для пары зацепления внутренний ротор - ролик наружного ротора.

2.4 Теоретический профиль наружного ротора.

2.5 Действительные профили роторов.

2.6 Расчет зависимости объёма рабочей полости от угла поворота наружного ротора.

2.7 Методика определения профильных зазоров в компрессоре.

2.8 Расчет характеристик зацепления.

3 Математическая модель рабочих процессов героторного компрессора.

3.1 Дифференциальные уравнения рабочих процессов.

3.2 Основные положения и допущения математической модели.

4 Методика расчета энергетических характеристик героторного компрессора.

4.1 Силы и моменты, создаваемые газовыми силами.

4.2 Потери мощности на трение в сопряжении роторов и газораспределителя.

4.3 Энергетические характеристики героторного компрессора.

5 Экспериментальное исследование героторного компрессора.

5.1 Описание объекта исследования, экспериментального стенда и метрологического оборудования.

5.2 Контролируемые параметры и методика обработки экспериментальных данных.

5.3 Оценка погрешностей измерений.

5.4 Анализ результатов испытаний героторного компрессора.

6 Результаты моделирования рабочих процессов компрессора и анализ влияния геометрических параметров на энергетические и объёмные показатели.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование героторного компрессора с полным внутренним сжатием»

Компрессорные машины, как источники сжатого газа, нашли чрезвычайно широкое применение в различных отраслях промышленности. Создание новых высокоэффективных технологических процессов немыслимо без совершенствования технологического оборудования, в том числе компрессорного. Техническое совершенство применяемых компрессоров во многих случаях определяет экономичность, надежность и безопасность установок в целом.

Компрессоростроение традиционно занимает важное место в общем машиностроении индустриально развитых стран. Отечественной промышленностью, по данным на середину восьмидесятых годов, был освоен выпуск свыше пятисот типоразмеров практически всех основных типов компрессоров производительностью от 3-10"4 м3/с до 450 м3/с на конечное давление до 700 МПа, мощностью от 0,1 до 40 МВт.[77,91]. Несмотря на общий спад производства, наблюдающийся в отечественной промышленности с начала девяностых годов, работы по созданию новых конструкций компрессоров и модернизации имеющихся ведутся в условиях конкуренции с зарубежными фирмами. В этих условиях теоретические и экспериментальные работы по изучению и совершенствованию рабочего процесса компрессоров, а также технологии изготовления выступают на передний план.

Среди компрессоров различных типов объемные роторные компрессоры нашли широкое применение [3, 5, 6, 14, 81, 83, 91] в связи с такими их качествами как быстроходность, уравновешенность, надежность и хорошие массогабаритные показатели.

Особое место среди роторных машин занимают машины с внутренним зацеплением роторов [83, 84], представителем которых и является предлагаемый героторный компрессор. Эти машины обладают отличными массогабаритными показателями и технологичны в изготовлении.

Область их применения не ограничена лишь компрессорами, они могут использоваться как детандеры, двигатели внутреннего сгорания, гидравлические машины для перекачки жидкости. Как компрессорные машины они могут занять нишу малых и средних производительностей, т.е. ту область, в которой в настоящее время доминируют спиральные компрессоры, чьи рабочие органы менее технологичны по сравнению с рабочими органами предлагаемого компрессора. Поэтому изучение и совершенствование конструкций героторных машин на сегодняшний день является актуальной задачей.

Настоящая работа посвящена созданию и исследованию прямозубого роторного компрессора внутреннего зацепления с впрыском масла в рабочую полость. Конструкция данного компрессора защищена патентом на полезную модель Российской Федерации [9].

В работе приводится разработка методик динамического расчёта, расчёта геометрических характеристик роторного компрессора, теоретическое и экспериментальное исследование его рабочих процессов и влияние геометрических параметров на характеристики методом математического моделирования.

Настоящая работа выполнена на кафедре холодильной техники и технологий Казанского национального исследовательского технологического университета.

Автор выражает глубокую благодарность к.т.н., профессору Чекушкину Геннадию Никитовичу и к.т.н., доценту Хамидуллину Мансуру Саубановичу за научное консультирование, критические замечания при обсуждении теоретических положений диссертации, а также за совместно выполненные экспериментальные исследования по теме диссертации.

Заключение диссертации по теме «Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы», Мустафин, Тимур Наилевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Исследуемая в работе конструкция роторного компрессора внутреннего сжатия является развитием схемы, предложенной в работах [9, 83]. Анализ существующих на сегодняшний день работ показал актуальность и целесообразность дальнейшего совершенствования роторных машин с внутренним зацеплением роторов.

2. Разработана методика расчета сопряженного окружного теоретического профиля внутреннего ротора и линии зацепления в зависимости от геометрических параметров наружного ротора. Проведен' анализ целесообразности использования' полученных профилей роторов * в рассматриваемую схему компрессора;

3. Разработана методика расчета координат действительного профиля внутреннего ротора.

4. С целью уменьшения предварительной работы по подготовке исходных данных для, использования, их в математической модели роторного компрессора разработана методика расчёта зависимости объёма рабочей полости и её производной от угла поворота ротора. Особенностью предложенной методики- является её универсальность и пригодность для расчёта произвольного типа профилей роторов с внутренним зацеплением.

5. Разработана методика расчёта сил и моментов, действующих на роторы компрессора, от давления газа для произвольного типа профилей роторов, что делает предлагаемую методику универсальной, и позволяет производить уточненный расчёт подшипников и шестерен связи роторов (если таковые имеются) практически для любых видов роторных машин.

6. Разработана математическая модель, описывающая термодинамические процессы, происходящие в полостях компрессора. Математическая модель позволяет учитывать массообмен между полостями компрессора; реальные свойства компримируемой среды, которые можно задавать в виде аппроксимирующих зависимостей; теплообмен компримируемой среды с впрыскиваемым маслом; изменение параметров масла в рассматриваемой полости, а также ее загромождение маслом. Математическая модель представлена в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений.

С целью теоретического анализа влияния геометрических параметров Hai энергетические показатели и производительность разработана математическая модель героторного компрессора с внутренним зацеплением роторов; Модель базируется?на> системе дифференциальных уравнениях термодинамики* переменной массы,, описывающей? изменения параметров сжимаемого газа в рабочем процессе. Проведены экспериментальные исследования- героторного1 компрессора; Сравнение теоретических и экспериментальных характеристик позволяет сделать вывод о хорошей качественной и количественной сходимости результатов и возможности использования разработанной математической модели для исследования^ влияния: отдельных, параметров на показатели компрессора. Установлено, что в наибольшей степени* на энергетические показатели и производительность компрессора оказывает величина зазора ат £.

Проведен анализ влияния» различных зазоров на энергетические и объемные* показатели машины^ позволяющий назначать оптимальные, их величины. Величина зазоров для исследуемого компрессора при расходе масла 0,008 л/с должна выбираться в пределах от 0,05 до 0;08 мм. При увеличении расхода масла должны, назначаться большие величины зазоров (предел может быть увеличен до 0,1 мм).

Проведен анализ влияния геометрической; степени сжатия на энергетические и объемные показатели машины, который выявил наличие оптимальных значений для конкретного режима. В частности, геометрическая степень сжатия £>=2,4 исследуемого образца при расходе масла 0,008 л/с и частоте вращения приводного вала г,\ — 2200 °/мин является оптимальной для номинальных режимов работы компрессора со степенью сжатия П = 3.4.

11. Наряду с хорошими энергетическими и массогабаритными характеристиками исследуемый компрессор обладает преимуществами в изготовлении. Применяемые в компрессоре роторы имеют прямозубую форму постоянного сечения. Разработано технологическое приспособление для обработки профильных и эквидистантных к ним поверхностей на металлорежущих станках общепромышленного назначения, что позволяет уменьшить себестоимость их изготовления.

12. По результатам данной диссертационной работы:

- опубликовано 10 научных работ, в том числе 4 работы - в центральных изданиях, включенных в перечень ВАК РФ;

- подана заявка на патент.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мустафин, Тимур Наилевич, 2011 год

1. Алешин, В. И. К вопросу о расчете расхода газа через щели при малых числах Рейнольдса / В.И. Алешин // Научн. труды Краснодарского политехи, института 1979 - № 93. - С.78-81.

2. Алешин, В.И. Экспериментальное исследование неустановившегося движения газа через микрощелевые каналы / В.И. Алешин, Д.А. Моисеенко // Изв. вузов, сер. Машиностроение 1977 - № 12. - С.75-77.

3. Амосов, П.Е. Ротационные компрессорные машины / П.Е. Амосов, JI.M. Имянитов, Э.П. Каспаров и др. // Тр. ЛенНИИхиммаш — 1968 №-3. -С.112-119.

4. Амосов, П.Е. Оптимизация формы винтов компрессорных винтовых машин / П.Е. Амосов, И.П. Вернадский, Л.И. Хаймович // Исследование в области компрессорных машин и технологии их производства. Сб.научн.трудов. Сумы: ВНИИкомпрессормаш 1974. - С.22-25.

5. Амосов, П.Е. Винтовые компрессорные машины. Справочник / П.Е. Амосов, Н.И. Бобриков, А.И. Шварц, А.Л. Верный. Л.: Машиностроение -1977.-256 с.

6. Андреев, П.А. Винтовые компрессорные машины / П.А. Андреев Л: Судпромгиз - 1961. -251 с.

7. Андреев, П.А. Основные геометрические характеристики профилей роторов винтового компрессора / П.А. Андреев, А.И. Шварц //Тр. ЦКТИ -1970 вып. 102. - С.133-141.

8. Андреев, П.А. Теоретическое исследование влияния профилей зубьев роторов на энергетические показатели винтового компрессора / П.А. Андреев, А.И. Шварц, И.Г. Хисамеев // Тр. ЦКТИ 1975 - вып.127. - С.8-15.

9. A.c. № 666296 (СССР) МКИ F04c 1/14. Роторная машина / Г.Н. Чекушкин, И.Г.Хисамеев. Опубл. в Б.И., 1979, № 21.

10. Бронштейн, И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗОВ / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяевский // М.: Наука 1986. -544 с.

11. Бурмистров, A.B. Исследование протечек газа через узкие щелевые каналы в вязкостном режиме / A.B. Бурмистров, С.И. Саликеев, М.Д. Бронштейн // Компрессорная техника и пневматика № 7 2005 — с. 19-23.

12. Быков, A.B. Холодильные компрессоры. Справочник / A.B. Быков и др. -М.: Легкая и пищевая промышленность 1981 - 280 с.

13. Васильев, А.В: Расчет окружного профиля героторного компрессора/ A.B. Васильев, Т.Н. Мустафин// Холодильная техника 2011 - №1 - с.41-45.

14. Васильев, В.И. Силы и моменты, действующие на роторы вакуум-насоса с частичным внутренним сжатием / В.И. Васильев // Изв. вузов, Сер. Машиностроение 1978. - № 2. - С.70-75.

15. Васильев, В.И. Процесс сжатия газа в рабочей полости роторного вакуум-насоса при переменном количестве рабочего тела / В.И. Васильев // Тр. МВТУ-1971-№ 146. — С.11-23.

16. Васильев, В.И. Результаты индицирования роторного вакуум-насоса с частичным внутренним сжатием / В.И. Васильев, О.В. Аблаков // Изв. вузов. Сер. Машиностроение — 1966 —№ 12. — С.77-81.

17. Визгалов, C.B. Динамический расчет шестеренчатого компрессора с внешним сжатием газа / С.В.% Визгалов, A.M. Ибраев, A.A. Мифтахов, М.С. Хамидуллин, И.И. Шарапов // Компрессорная техника и пневматика. -2001.-№8.-С. 18-20.

18. Визгалов, C.B. Влияние внутреннего охлаждения на эффективность рабочего процесса шестеренчатого компрессора / C.B. Визгалов // Дисс. канд. техн. наук Казань - 2003. — 247 с.

19. Газодувки ротационные 1-3 габаритов: ТУ 26-12-379-70.-40 с.

20. ГОСТ Р 8.585-2001. Государственная система обеспечения единства измерений. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования.

21. Ъ2.Давыдов, Б.Л. Редукторы! Конструкция, расчет и испытания / Б.Л. Давыдов, Б.А. Скородумов, Ю.В. Бубырь М.: Машгиз - 1963. -474 с.

22. Захаренко, С. Е. К вопросу о протечках газа через щели / С.Е. Захаренко // Труды ЛПИ- 1953. -С. 144-160.

23. ЪАЗахаренко, С.Е. Экспериментальное исследование протечек газа через щели. / С.Е. Захаренко // Труды ЛПИ. 1953. - С. 161-170.

24. Ибраев, A.M. Повышение эффективности работы роторных нагнетателей внешнего сжатия на основе анализа влияния геометрических параметров на их характеристики / A.M. Ибраев Дисс. канд. техн. наук - Казань -1987.-208 с.

25. Ибраев, А. М. Расчет действительного профиля роторов нагнетателей внешнего сжатия / A.M. Ибраев, Г.Н. Чекушкин // Известия вузов СССР. Машиностроение. 1985. - № 10. - С. 61-66.

26. Ибраев, A.M. Расчет рабочих процессов компрессоров внешнего сжатия / A.M. Ибраев, И.Г. Хисамеев, Г.Н. Чекушкин // Тез.докл. VI Всесоюз. конф. по компрессоростроению. — Л.: 1981. —С. 118-119.

27. А2.Ибраев, A.M. Анализ комбинированных профилей роторных компрессоров / A.M. Ибраев, М.С. Хамидуллин, Г.Н. Чекушкин // Изв.вузов, сер. Машинопостроение, 1986, № 7. С.72-75.

28. Иделъчш, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И.Е. Идельчик,- М.: Машиностроение. — 1975. — 559 с.

29. Кац, А. М. Расчет, конструкция и испытания воздуходувок типа Руте. / A.M. Кац М.: ГКНТИ - 1946. - 157 с.

30. Литвин, Ф.Л. Теория зубчатых зацеплений / Ф.Л. Литвин — М.: Наука -1968.-584 с.46Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа / Л.Г. Лойцянский М.: Наука- 1973-848 с.

31. Лубенец, В.Д. Результаты испытаний вакуум-насоса с частичным внутренним сжатием / В.Д. Лубенец, В.И. Васильев // Изв. вузов. Сер. Машиностроение М. - 1964. - № 9. - С.110-114.

32. Лубенец, В.Д. Анализ объёмных потерь в двухроторном вакуум-компрессоре с частичным внутренним сжатием методом теоретических индикаторных диаграмм / В.Д. Лубенец, В.И. Васильев, В.А. Веденин, Э.В. Иванов Анализ // Тр. МВТУ 1971 - № 146. - С.23-29.

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

34. Максимов, В.А. Трибология подшипников и уплотнений жидкостного трения высокоскоростных турбомашин / В.А. Максимов, Г.С. Баткис-Казань: Фэн 1998. - 429 с.

35. ЪЪ.Максимов, 4 В.А. Высокоскоростные опоры скольжения , гидродинамического трения / В.А. Максимов; Г.С. Баткис Казань: Фэн -2004.-406 с.

36. Мельцер, JI.3. Теплофизические свойства холодильных масел и их растворов с фреоном-22 / JT.3. Мельцер, Т.С. Дремлюх, С. К. Чернышев: и др. // Теплофизические свойства веществ и материалов. Вып. 11. М.: Изд-во стандартов. - 1977. - С. 99-118.

37. Мустафин, Т.Н. Разработка конструкции и параметрический анализ схем компрессора роликового типа / Т.Н. Мустафин, М.С. Хамидуллин, Г.Н. Чекушкин // Тезисы докладов XIV Международной: научно-технической конференции по компрессорной технике 2007 — С. 34

38. Мустафин, Т.Н.\ Уравнение и анализ теоретического профиля героторного компрессора / Т.Н. Мустафин, М.С. Хамидуллин, И.Г. Хисамеев, Г.Н. Чекушкин // Компрессорная техника и пневматика 2009 - №3 -С. 19-21.

39. Мустафин, Т.Н. Методика испытаний героторного компрессора / Т.Н. Мустафин, М.С. Хамидуллин, И.Г. Хисамеев, Г.Н. Чекушкин // Аннотации сообщений научной сессии КГТУ -2011 С. 150.

40. Патент на полезную модель №44155 (РФ); Объемная роторная машина. / М.С. Хамидуллин, И.Г. Хисамеев, Г.Н. Чекушкин. // 22.11.04, опубл. 27.02.05 F04C2/28.

41. Патент № 1241936 (ФРГ). Drehkolbengeblase nachden Rootsprinzip /Hubrich Ch. 28.12.67, F04c.

42. Патент на изобретение № 2283441 (РФ). Трохоидная роторная машина / П,И. Соломонович // 30.09.2005, опубл. 10.09.2006 F04C2/10, F01C1/10

43. Патент № 7186101В2 (US) Gerotor apparatus for a quasi-isothermal Brayton cycle engine/ M.T. Holtzapple, G.A. Rabroker// 11.12.2003 F03C2/00, F04C18/00.

44. Химическое и нефтяное машиностроение. 1981. - № 9. - С. 4-24. 1%.Рид, Р. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие / Р. Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд, пер. с англ. под ред. Б.И. Соколова - JL: Химия -1982.-592 с.

45. Ротационные компрессоры типа Руте // Экспресс-информация. Серия ХМ-5. М.: ЦИНТИхимнефтемаш - 1976. - № 3 - 5 с.

46. Руководство по эксплуатации. Расходомер-счетчик турбинный РСТ. ЛГФИ.407221.008 РЭ 29 с.

47. SI.Сакун, И.А. Винтовые компрессоры. М.: Машиностроение / И.А. Сакун -1970.-400 с.

48. Сакун, И.А. Расчет рабочего процесса винтового компрессора сухого сжатия / И.А. Сакун, В.И. Пекарев, А.Н. Носков // Межвузовский сборник трудов Л.: ЛТИХП. - 1979. - № 2. - С. 197-202.

49. Сухомлинов, Р. М. Трохоидные роторные компрессоры / P.M. Сухомлинов Харьков: Вища школа - 1975. — 152 с.

50. Хисамеев, И.Г. Двухроторные винтовые и прямозубые компрессоры:теория^ расчет, проектирование / И.Г. Хисамеев, В.А. Максимов Казань: Фэн-2000. -638 с.

51. Хлумский,, В.Р. Ротационные компрессоры и вакуум-насосы / В .Р. Хлумский М.: Машиностроение - 1971. - 128 с.

52. Чекушкин, ГШ Анализ характеристик различных типов роторных компрессоров / Г.Н. Чекушкин, A.M. Ибраев, И.Г. Хисамеев // Экспресс-информация, сер. ХМ-5. Л.: ЦИНТИхимнефтемаш - 1983. - № 4. -С.2-8.

53. Шарапов, И.И. Разработка методики измерения и расчета теплообмена в шестеренчатом- компрессоре с целью повышения точности расчета рабочего процесса / И.И. Шарапов Дис. канд. техн. наук. — Казань - 2009. - 145 с.

54. Compresseurs Roots a quatre rotors pour moyennes pressions "Jnform chim" -1967. — № 55. S. 39-40.

55. Der Drehzahnkompressor. Technische Rundschau 1982. - № 42. - S. 16-17.

56. Drehzahnkompressor fur olfreie Druckluft, Technik Report. - November 1982.-№ 11.-S. 15-16.

57. Rotierender Zahn komprimiert olfrei. Technotip -№ 9 - September 1982. - Jg 12. - S. 16-17.