Разработка и исследование самодействующих клапанов с эластомерным конструктивным элементом тихоходного длинноходового поршневого компрессора малой производительности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Бусаров Игорь Сергеевич

• Бусаров Игорь Сергеевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Бусаров Игорь Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1 УСЛОВИЯ РАБОТЫ И СОВРЕМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ САМОДЕЙСТВУЮЩИХ КЛАПАНОВ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ

1.1 РЕСУРС РАБОТЫ САМОДЕЙСТВУЮЩИХ КЛАПАНОВ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА

1.1.1 АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ САМОДЕЙСТВУЮЩИХ КЛАПАНОВ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРНЫХ АГРЕГАТОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА РЕСУРС

1.1.2 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМ ПОРШНЕВЫХ АГРЕГАТОВ

1.1.3 ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ САМОДЕЙСТВУЮЩИХ КЛАПАНОВ ТИХОХОДНЫХ ПОРШНЕВЫХ АГРЕГАТАХ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС

1.2 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ САМОДЕЙСТВУЮЩИХ КЛАПАНОВ ПОРШНЕВЫХ АГРЕГАТОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА РЕСУРС

1.2.1 СУЩЕСТВУЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ САМОДЕЙСТВУЮЩИХ КЛАПАНОВ, ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

1.2.2 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СМЕСЕЙ РЕЗИНЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛАСТОМЕРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КЛАПАНОВ

1.3 АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОРШНЕВЫХ СТУПЕНЕЙ

1.3.1 АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ САМОДЕЙСТВУЮЩИХ

КЛАПАНОВ

1.3.2 МЕТОДЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОРНОЙ СТУПЕНИ

1.4 АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОРШНЕВЫХ СТУПЕНЕЙ И ЕЁ ЭЛЕМЕНТОВ

1.4.1 АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ САМОДЕЙСТВУЮЩИХ КЛАПАНОВ

1.4.2 АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОРШНЕВЫХ СТУПЕНЕЙ

1.5 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

2 РАЗРАБОТКА УТОЧНЕННОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ТИХОХОДНОЙ ПОРШНЕВОЙ СТУПЕНИ

2.1 МЕТОДИКА РАСЧЕТА ДЕФОРМИРОВАНО -НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЗАПОРНОГО ОРГАНА КЛАПАНА В ПРОГРАММЕ ANSYS

2.1.1 ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1.2 АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ДЕФОРМИРОВАНО-НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЗАПОРНОГО ОРГАНА КЛАПАНА В ПРОГРАММЕ ANSYS

2.2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА БЕССМАЗОЧНОЙ ТИХОХОДНОЙ ДЛИННОХОДОВОЙ СТУПЕНИ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА С УЧЕТОМ ДЕФОРМИРОВАНО-НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЗАПОРНОГО ОРГАНА КЛАПАНА

2.2.1 ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ. ОСНОВНЫЕ ДОПУЩЕНИЯ

2.2.2 ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ УРАВНЕНИЯ

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ПОРШНЕВОЙ СТУПЕНИ

3.1 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ САМОДЕЙСТВУЮЩИХ КЛАПАНОВ

3.1.1 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ САМОДЕЙСТВУЮЩИХ КЛАПАНОВ

3.1.2 СТАТИЧЕСКИЕ ПРОДУВКИ САМОДЕЙСТВУЮЩИХ КЛАПАНОВ

3.1.3 ВЕРИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ (ВИЗУАЛИЗАЦИЯ)

3.1.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕСУРСА РАБОТЫ САМОДЕЙСТВУЮЩИХ КЛАПАНОВ

3.1.5 ОПИСАНИЕ ПРИМЕНЯЕМЫХ ДАТЧИКОВ И РАСЧЁТ ПОГРЕШНОСТИ

3.2 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ С УЧЁТОМ РАБОТЫ КЛАПАНОВ С ЭЛАСТОМЕРНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

4 РАСЧЕТНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ САМОДЕЙСТВУЮЩИХ КЛАПАНОВ И РЕЖИМА РАБОТЫ ПОРШНЕВЫХ СТУПЕНЕЙ С НА ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

4.1 ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ САМОДЕЙСТВУЮЩЕГО КЛАПАНА С ЭЛАСТОМЕРНЫМИ КОНСТРУКТИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ПОРШНЕВЫХ СТУПЕНЕЙ

4.2 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО КОНСТРУИРОВАНИЮ САМОДЕЙСТВУЮЩИХ КЛАПАНОВ, СОДЕРЖАЩИЕ ЭЛАСТОМЕРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ТИХОХОДНЫХ

ПОРШНЕВЫХ СТУПЕНЕЙ

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение

В настоящее время для получения средних и высоких давлений применяются многоступенчатые быстроходные поршневые компрессора. Одним из самых распространённых сжимаемых газов является воздух, который используется во многих отраслях промышленности (авиационный транспорт, дорожно-строительная техника, автомобильный транспорт, военная техника, морской транспорт) [1, 18, 62, 85, 112, 115, 129, 143, 146,]. Для сжатия воздуха существуют небольшие агрегаты с малой производительностью, до 0,08 м3/мин и давлением нагнетания до 15 МПа [1, 2, 85, 115, 143, 146].

В настоящее время для получения средних и высоких давлений применяются многоступенчатые быстроходные поршневые компрессоры [1, 85, 104, 112, 115]. Наряду с ними для получения средних и высоких давлений нагнетаемого газа в одной ступени используются тихоходные (время рабочего цикла: т>2 с) длинноходовые (отношение хода поршня к диаметру: Sп/Dц>10) поршневые компрессора (далее - ТДПК), обеспечивающие значение давление нагнетания не менее 10,0 МПа [24, 25, 26]. ТДПК могут быть использованы как равноценная замена многоступенчатым компрессорам [24, 26]. Проводимые исследования ТДПК показали значительную зависимость эффективности рабочего процесса от герметичности самодействующих клапанов в закрытом состоянии, что в первую очередь связано с длительностью процесса сжатия в них [27, 29, 125, 127, 132]. Известные конструкции ТДПК содержат самодействующие клапаны из металлических материалов [43, 76], при эксплуатации которых возникают значительные утечки сжимаемого газа не позволяющие сжимать воздух до средних давлений. Применение конструкции самодействующих клапанов с эластомерным седлом позволяют получать высокое давление с коэффициентом подачи порядка 30 %. Одним из путей снижения утечек из рабочей камеры является дальнейшее повышение герметичности

самодействующих клапанов, за счёт применения конструкции седла, содержащей эластомерный конструктивный элемент, который в закрытом состоянии уменьшает периметр прилегания запорного органа к седлу клапана, то есть при одинаковом условном зазоре уменьшает площадь утечек. На основании этого актуальна корректировка существующей модели рабочего процесса ТДПК, которая будет учитывать изменение зазора в закрытых самодействующих клапанах, разработать рекомендации по проектированию ТДПК, а также выполнить её расчётно-параметрический анализ.

В настоящее время проведены исследования по изучению рабочих процессов ТДПК (Громов А.Ю., Недовенчаный А.В.) [43, 76], в которых, однако, должным образом не было уделено внимание вопросам совершенствования работы самодействующих клапанов. Проведен обзор существующей литературы, в которых рассмотрены вопросы моделирования рабочих процессов поршневых компрессоров (Френкель М.И., Пластинин П.И., Пирумов И.Б., Хрусталев Б.С., McLaren, Hafner J., и др.). Степень повышения давления в одной ступени в быстроходных компрессорах не превышает s=10 [1, 50, 14, 85, 112, 115]. В ТДПК данный показатель, также в одной ступени, может превышать значение 100 [24, 26, 76].

Фундаментальные и прикладные изучения работы самодействующих клапанов поршневых компрессоров, в частности, динамики запорного органа клапана, посвящено много работ (Доллежаль Н.А., Кондратьева Т.Ф., Игнатов Б.И., Прилуцкий И.К., Пирумов И.Б., Фотин Б.С., Френкель М.И., Захаренко С.Е., Голубев А.И., Исаков В.П., Пластинин П.И., Юша В.Л., Stosic N., Maelaren J., R. Dusil), в работах приведены исследования различных материалов используемых в самодействующих клапанах, а также модели расчета. В существующих быстроходных поршневых компрессорах время рабочего цикла составляет сотые и десятые доли секунды [1, 50, 85, 112, 115], следовательно, вопрос о герметичности самодействующих клапанов в закрытом положении не является значимым. Во многом это объясняет тот факт, что исследования по использованию эластомерных материалов в

качестве герметизирующего элемента самодействующего клапана в тихоходных длинноходовых ступенях сжатия не рассматривалось в доступных источниках информации, хотя применение эластомерных элементов не ново, но их применение в известных публикациях описано в качестве демпфирующего элемента [44, 55, 137, 143, 146]. В связи с этим реализация конструкции самодействующего клапана с эластомерным конструктивным элементом, уменьшающим в процессе закрытия площадь утечек, а также экспериментальное и теоретическое исследование является весьма актуальной задачей.

Методы исследования

Для решения поставленных задач были использованы: численные методы расчёта; математическое моделирование упруго-деформированного состояния эластомерных элементов самодействующих клапанов, величины изменяющейся площади зазора в самодействующем клапане с эластомерным элементом; верификация модели расчёта по экспериментальным данным; параметрический анализ влияния конструкции самодействующих клапанов, а также режимных и конструктивных факторов ТДПК на интегральные характеристики ступени; статические продувки различных самодействующих клапанов; параметрический анализ влияния конструктивных и режимных факторов на работу ТДПК; методы анализа существующих и вновь полученных результатов и синтеза перспективных технических решений; экспериментальные методы исследования рабочих процессов ТДПК, основанные на измерении мгновенных параметров состояния рабочего тела и их интегральных характеристик.

Научная новизна работы

1. Разработана и экспериментально верифицирована модель расчёта рабочего процесса тихоходного длинноходового поршневого компрессора с самодействующими клапанами, содержащими эластомерный конструктивный

элемент, позволяющая учитывать изменение периметра прилегания запорного органа к седлу клапана.

2. Выполнены исследования влияния конструктивных и режимных параметров тихоходного длинноходового поршневого компрессора с самодействующими клапанами, содержащими эластомерный конструктивный элемент на его интегральные характеристики; показано, что коэффициент подачи и изотермический индикаторный КПД могут быть повышены на 30% и 10% соответственно, при средних и высоких давлениях нагнетания по сравнению с конструкцией содержаний металлические клапана.

3. Теоретически и экспериментально подтверждено, что замена самодействующего клапана с металлическими элементами на самодействующий клапан с эластомерным конструктивным элементом позволит уменьшить площадь утечек до 40% в тихоходном длинноходовом поршневом компрессоре.

4. Установлено, что самодействующий клапан с эластомерным конструктивным элементом может обеспечить прогнозируемый ресурс непрерывной работы не менее 150 000 ч.

Личный вклад автора

Автором выполнен литературный обзор по теме диссертационного исследования, автором проведен анализ полученных результатов и разработаны рекомендации по конструированию самодействующих клапанов с эластомерным конструктивным элементом. Автором разработана запатентованная конструкция клапана с эластомерным конструктивным элементом, позволяющая уменьшать периметр прилегания запорного органа к седлу; разработана и верифицирована модель расчёта деформированного состояния эластомерного элемента клапана. Сформулирована цель и задачи исследования, получены результаты параметрического анализа.

Практическая значимость

1. Разработано программное обеспечение для расчёта рабочих процессов и интегральных характеристик ТДПК с самодействующими клапанами содержащие эластомерный конструктивный элемент.

2. Разработана методика экспериментального исследования самодействующих клапанов с эластомерным конструктивным элементом и экспериментальный стенд для её реализации.

3. Разработаны рекомендации по конструированию самодействующих клапанов, содержащие эластомерный конструктивный элемент.

Положения, выносимые на защиту

1. Модель расчёта рабочего процесса тихоходного длинноходового поршневого компрессора с учетом упруго-деформированного состояния эластомерного конструктивного элемента клапана, позволяющая выполнять расчёты при изменении давления газа в рабочей камере в диапазоне от 0,1 МПа до 10,0 МПа, времени рабочего цикла т= 2...4 с, величине хода поршня Sп = 0,2...0,8 м.

2. Реализация конструкции тихоходного длинноходового поршневого компрессора с самодействующими клапанами содержащие эластомерный конструктивный элемент позволит повысить изотермический коэффициент подачи на 30%, индикаторный КПД на 10%.

3. В рассмотренном диапазоне конструктивных и режимных параметров самодействующий клапан с эластомерным конструктивным элементом позволит уменьшить площадь утечек до 40% в тихоходном длинноходовом поршневом компрессоре.

Достоверность результатов обеспечивается использованием исправного современного оборудования, которое прошло метрологическую поверку; использованы стандартные методики исследования; повторяемость результатов экспериментов; апробацией результатов; статистической обработкой полученных данных; приемлемым совпадением экспериментальных и теоретических результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование самодействующих клапанов с эластомерным конструктивным элементом тихоходного длинноходового поршневого компрессора малой производительности»

Апробация работы

Методика расчёта самодействующих клапанов, содержащие эластомерный элемент в ТДПК внедрена в учебный процесс ФГАОУ ВО «Омский государственный технический университет», разработанные рекомендации по проектированию таких клапанов - в АО «Компрессор» (г. Санкт-Петербург) и АО «Омский каучук» (г. Омск). Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-00272, https://rscf.ru/project/24-29-00272/, научный проект: «создание концептуальных основ и теории рабочих процессов тихоходных машин объемного принципа действия с газораспределительной системой, содержащей упругие эластомерные элементы».

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:

- X Международная научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов и машин», (г. Омск, 2016 г.);

- Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные научные исследования: теоретические и практические аспекты», (г. Кемерово, 2016 г.);

- Международная научно-практическая конференция «Иинновации в информационных технологиях, машиностроении и автотранспорте» (г. г. Кемерово, 2017 г.);

- VI-XIII научно-технических конференциях «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства» («Oil and Gas Engineering») (г. Омск, 2016-2023 г.г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 53 научных печатных работы, из них 24 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; 13 в изданиях, индексируемых в Scopus и Web of Science; получены 6 патентов на полезную модель, 1 патент на изобретение, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников. Содержит 171 страницу текста, 91 рисунок, 8 таблиц. Список использованных источников содержит 155 наименований.

1 УСЛОВИЯ РАБОТЫ И СОВРЕМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ САМОДЕЙСТВУЮЩИХ КЛАПАНОВ ПОРШНЕВЫХ

КОМПРЕССОРОВ

1.1 Ресурс работы самодействующих клапанов поршневого компрессора 1.1.1 Анализ условий работы самодействующих клапанов поршневых компрессорных агрегатов, влияющих на ресурс

Увеличение ресурса во многих технологических процессах является одним ключевых параметров, который постоянно стремятся повысить. Технологическое оборудование, отвечающее за выполнение всего процесса, обладает определённым ограниченным ресурсом отдельных функциональных элементов [7, 50, 85, 112, 115, 116]. К такому оборудованию относятся поршневые компрессоры, в которых одним из наиболее уязвимыми элементами являются самодействующие клапаны.

В проведённых исследованиях [8, 18, 37, 66, 69, 80, 91] представлены энергосберегающие мероприятия направленные на повышение надежности технологического оборудования. На объектах топливно-энергетического комплекса применяется различное оборудование, одним из основных, применяемых во многих производствах, являются компрессоры для компримирования различных газов.

На интегральные характеристики и эффективность рабочего процесса поршневого компрессора влияют следующие основные факторы [50, 62, 85, 112, 115, 118]:

1. Мертвый объем в рабочей полости цилиндра.

2. Гидравлические сопротивления в клапанах.

3. Подогрев газа при всасывании.

4. Механическое трение в подвижных парах.

5. Неплотности рабочей полости цилиндра.

Так по данным [5, 7, 17, 33, 50, 53, 64, 85, 112, 115. 126], наибольшее влияние на энергоэффективность поршневого компрессора в период длительной эксплуатации оказывает состояние его клапанов.

По статистическим данным (ООО «Сумский машиностроительный завод»: поршневой компрессор 4М16-45/35-55, АО «Компрессор»: дизель-компрессор ДК10-2Р, Пензенский завод компрессорного машиностроения: поршневые компрессоры типа 5Г) наиболее часто проводился ремонт, очистка или замена клапанов (от 30% до 63% поломок от общего числа ремонтов).

Анализ данных [5, 45, 55, 64, 73, 74, 82, 85, 115], показывает, что общая наработка часов до отказа самодействующих клапанов зависит от их конструкции и условий работы. При работе клапанов всасывания и нагнетания основной фактор, влияющий на его ресурс работы, является скорость посадки клапана на седло и удар об ограничитель подъема. При исполнении материалов запорного органа, седла, ограничителя подъема из металла, вследствие высоких скоростей посадки (более 3 м/с), происходит повышенный износ сопрягающихся элементов, приводящий к меньшей герметичности клапанов в закрытом состоянии и как следствие уменьшение интегральных характеристик компрессора.

Герметичность самодействующих клапанов зависит от их конструктивных особенностей, технологии изготовления и материалов пары сопряжения «седло - запорный орган, ограничитель подъема - запорный орган». Известно, [46, 64, 82, 85, 112, 115], что не герметичность закрытых всасывающих и нагнетательных клапанов приводит к снижению производительности ступени компрессора и к нарушению теплового режима компрессора, обусловленного нарастанием температур нагнетаемого газа, вследствие перетечек из полости нагнетания в рабочий объем цилиндра. В ступенях с не герметичными всасывающими клапанами в процессах сжатия, нагнетания горячий газ будет перетекать из рабочего пространства в полость всасывания, увеличивая температуру газа, всасываемого в цилиндр в последующем рабочем цикле, что в последствии, способствует росту

температуры газа в цилиндре в начале и конце процесса сжатия, а соответственно, и температуры нагнетаемого газа. Это будет происходить до того момента пока не установится новый тепловой режим, и как следствие ухудшение интегральных характеристик поршневого компрессора. Самый простейший и распространенный способ что бы определить герметичность клапанов является метод статических продувок [29, 53, 64, 85, 112, 115], по которому определяют скорость истечения газа из определенного объема. Для того чтобы охарактеризовать утечки газа через закрытые клапаны ввели понятие условного зазора 5усл, для самодействующих клапанов измеряется в микрометрах. Под условным зазором принято понимать зазор по периметру прилегания запорного органа к седлу клапана. Для различных технически исправных клапанов, считается, что значения условного зазора лежат в пределах от 0,25 до 1 мкм [64, 85, 112, 115].

При работе самодействующего клапана при его открытии и закрытии возникают удары запорного органа о седло и ограничитель подъема. Данные нагрузки являются динамическими. Вследствие ударных нагрузок может происходить разрушение запорного органа клапана, что приведет к росту утечек и как следствие ухудшение интегральных характеристик компрессора. Энергия удара будет зависеть от массы запорного органа и его скорости перед ударом о седло или ограничитель подъема. Для того чтобы уменьшить ударные нагрузки можно уменьшать массу запорного органа и снижать скорости посадки на седло или ограничитель подъема. Для различных клапанов принято считать, что средняя скорость запорного органа при движении от седла до ограничителя подъема не должна превышать 3 м/с, при движении - от ограничителя подъема до седла - 1 м/с [64, 82, 85, 112, 115]. На ряду с динамическими нагрузками возникающие в клапане, существуют и статические нагрузки, которые возникают на запорном органе за счет перепада давлений в закрытом клапане.

Наличие примесей (влага, масло и др.) в сжимаемом газе также уменьшает срок службы самодействующих клапанов. Воздействие влаги на

металлы имеет разную природу, но одинаковый конечный результат -разрушение исходной структуры материала. В металлах это происходит за счет коррозии. Атмосферная влага, всасываемая компрессором, способна вызывать коррозию в трубопроводах, уплотнениях и арматуре, что на 30-40% увеличивает расход сжатого воздуха [1, 15, 85]. Появление сконденсировавшейся капельной влаги в сжатом воздухе вызывает очень серьёзные эксплуатационные проблемы. Относительная влажность воздуха определяется как отношение массы водяного пара в воздухе к массе водяного пара в воздухе в насыщенном состоянии при данной температуре. Воздух может содержать в себе влагу в виде пара тем больше, чем больше его температура. Однако с ростом давления эта способность воздуха уменьшается.

Из производственной эксплуатации самодействующих клапанов в поршневых компрессорах известно, что наиболее недолговечным элементом является запорный орган клапана [45, 64, 82, 103, 119].

Во всем многообразии конструктивных исполнений самодействующих клапанов, их составные детали изготовлены из металлических элементов, такие клапаны имеют условный зазор в допустимых пределах для обеспечения режимной работы поршневого компрессора. Для обеспечения более высокой герметичности самодействующих клапанов, некоторые элементы выполняют из не металлических элементов. Применение эластомерных элементов в самодействующих клапанах позволяет создать малогабаритные и надежные конструкции, при этом герметизируемая среда может иметь давление до 40 МПа [30, 44, 55, 64, 82, 92, 110].

1.1.2 Анализ существующих схем поршневых агрегатов

В настоящее время на производстве применяются быстроходные поршневые агрегаты со временем рабочего цикла до 0,1 с [1, 38, 85, 102, 104, 112, 115, 130, 140, 143]. Данные поршневые компрессорные агрегаты имеют

различные конструктивные схемы, такие как: вертикальные, Ь - образные, V

- образные, оппозитные и другие (рис. 1.1.1 - 1.1.3).

Данные схемы имеют один принцип работы механизма сжатия газа, т.е. возвратно-поступательное движение поршня осуществляется путем преобразования вращательного движения коленчатого вала через шатун (крейцкопф).

Увеличение межремонтных сроков и уменьшение остановок компрессорных агрегатов вследствие повышения надежности самодействующих клапанов может быть достигнуто применением бессмазочных тихоходных длинноходовых ступеней [25, 26, 30]. Но при разработке таких ступеней необходимо решить вопрос достаточной герметичности клапанов закрытом состоянии, динамики клапанов при работе в тихоходной длинноходовой ступени, а также их ресурса работы.

Как известно в существующих поршневых компрессорах общего назначения отношение хода поршня к диаметру лежит в пределах от 0,2 до 0,8 [24, 25]. В предлагаемых конструкциях тихоходной длинноходовой ступени поршневого компрессора применяется линейный привод позволяющий обеспечить отношение хода поршня к диаметру у = £ / ё, где ё

- диаметр цилиндра; £ - ход поршня, более 10 [25], позволяющий за счёт своих конструктивных и режимных особенностей сжимать газы до давлений нагнетания более 10 МПа в одной ступени при допустимых температурных режимах работы [21, 155]. Время цикла для рассматриваемых тихоходных ступеней т может составлять от 1 с до 2. 4 с.

3Д модель тихоходной длинноходовой ступени поршневого компрессора представлен на рисунке 1.1.4.

a^ о)

Рисунок 1.1.1 - Примеры схем двухступенчатых безкрейцкопфных

компрессоров

а - двухрядный одинарного действия; б- У-образный одинарного действия; в- W-образный одинарного действия; г- веерообразный одинарного действия; д- одинарного действия с встречным движением поршней; е- с двумя ступенями в одном цилиндре, безкрейцкопфный с

дифференциальным поршнем

Рисунок 1.1.2 - Примеры схем двухступенчатых крейцкопфных компрессоров с дифференциальными поршнями а - крейцкопфный с дифференциальным поршнем; б - схема, аналогичная схеме а, но удобная для демонтажа поршня; в - горизонтальный со II ступенью в двух цилиндрах; г - горизонтальный однорядный с цилиндрами двойного действия и внутренним сальником; д - схема, аналогичная схеме г, но с промежуточным фонарем между цилиндрами

двойного действия

Рисунок 1.1.3 - Примеры схем двухступенчатых компрессоров с цилиндрами

двойного действия а - двухрядный двойного действия; б - вертикально-горизонтальный двойного действия; в - У-образный двойного действия; г - веерообразный двойного действия; д - Ш-образный двойного действия; е - двойного действия со встречным движением поршней

Рисунок 1.1.4 - 3Б модель тихоходной длинноходовой ступени: 1, 2 - опорные плиты; 3 - рубашка охлаждения; 4 - цилиндр; 5 - поршень;

6 - шток; 7 - клапанная втулка; 8, 9 - всасывающий и нагнетательный

клапаны

Поскольку в данных поршневых агрегатах применяется линейный привод, то установка подшипников качения для механизма движения отсутствует. Следовательно, применяя линейный привод, повышается ресурс работы поршневого агрегата, за счет исключения подшипников качения.

Совершенство органов газораспределения для тихоходной ступени поршневого компрессора является основным показателем энергетической эффективности поршневого агрегата.

1.1.3 Особенности работы самодействующих клапанов тихоходных поршневых агрегатах и их влияние на рабочий процесс

Экспериментальные исследования таких ТД ПК [27, 29, 127, 128, 134] показали, что вопрос герметичности рабочей камеры является основным, оказывающим подавляющее воздействие на коэффициент подачи и другие интегральные характеристики ступени. Это связано с длительным временем

сжатия (1...4 с) [23, 24, 26] по сравнению с быстроходными компрессорами (0,01...0,1 с) [85, 112, 115].

Статические продувки, проведенные для клапанов, применяемых в ТДПК показали, что условный зазор в зависимости от конструктивного исполнения в калапанах имеет значение 5укл= 0,4.4 мкм [29, 107, 127, 131, 132, 134]. Для поршневых компрессорных агрегатов величина условного зазора значительно сказывается на эффективности рабочего процесса. Для таких агрегатов определено соотношение доли утечек через клапана. Определено, что доля утечек через клапаны составляет 60.80% от общих утечек из рабочей камеры, что само по себе является задачей совершенствования самодействующих клапанов тихоходных агрегатов [29, 31, 107, 131, 132, 134].

Данная характеристика клапанов не позволяет обеспечить необходимый рабочий процесс ТДПК, и каждая из этих составляющих требует отдельного изучения и исследования.

Вместе с тем, клапаны относятся к быстро изнашиваемым узлам, и они чаще выходят из строя, чем другие элементы конструкции поршневых компрессоров.

В тоже время специфика новых технических решений, направленных на улучшение конструкции органов газораспределения [8, 19, 41, 44, 47, 55, 59, 66, 69, 91, 105, 115, 137, 146], вносит некоторые изменения в рабочие процессы, и, в частности, в условия работы клапанов.

В большей степени для быстроходных ступеней поршневого компрессора влияние на коэффициент подачи и как следствие производительности, оказывает мертвый объем в полости цилиндра [85, 112, 115].

В ТДПК, как показывают исследования [19, 27, 107, 127, 131, 132, 134], основная проблема состоит в том, что, из-за тихоходности ступени, перетечки газа через клапаны оказывают доминирующее влияние на производительность и мощность компрессора. Т.е. масса газа не постоянна в процессе обратного

расширения и сжатия рабочего газа. Поэтому использование клапанов с металлическими конструктивными элементами в ТДПК является нецелесообразным.

Важным критерием оценки работоспособности клапанов является скорость посадки запорного элемента на седло и ограничитель.

Эффективность рабочего процесса тихоходных длинноходовых агрегатов в значительной степени зависит от герметичности рабочей камеры. Обусловлено это параметрами рабочего процесса и конструктивными особенностями рассматриваемого тихоходного агрегата [24, 25, 26]. Основными факторами, влияющими на величину утечек в данном случае, является величина перепада давления на клапане (в тихоходных ступенях перепад давления может достигать 10 МПа и более), и время рабочего цикла, которое может составлять 2.4 с [24, 25]. В свою очередь утечки в рабочей камере обусловлены наличием зазоров в подвижных узлах поршневой ступени, а именно клапанах [131, 132, 134].

Характерно, что при увеличении давления условный зазор также увеличивается вследствие деформаций, что подтверждается ранее проводимыми исследованиями других авторов [33, 64, 69, 85, 91, 115].

1.2 Анализ существующих конструкций самодействующих клапанов поршневых агрегатов, влияющих на ресурс

1.2.1 Существующие конструкции самодействующих клапанов, преимущества и недостатки

В настоящее время существует огромное множество различных конструкций самодействующих клапанов. Например, для поршневых компрессоров среднего и высокого давления, применяют кольцевые самодействующие клапаны [1, 45, 64, 146].

Рисунок 1.2.1 - Кольцевой клапан компании Hoerbiger

Фирма Hoerbiger производит и поставляет дисковые и кольцевые самодействующие клапаны с запорными кольцами из титанового материала работоспособность, которых составляет 10 000 ч [146].

Лепестковые клапаны рекомендовано применять для высокооборотных поршневых компрессоров (К более 1500 об/мин) [1, 85, 112, 115].

Рисунок 1.2.2 - Т-образный лепестковый клапан

В поршневых компрессорах высокого давления и малой производительности применяют плоский или сферический тарельчатый клапаны [45, 64, 82, 104, 112, 115, 137, 146].

Рисунок 1.2.3 - Тарельчатый клапан

Конструктивные элементы в приведенных выше клапанах выполнены из металлического материала. Но в современных конструктивных решениях по выполнению органов газораспределения стали применять элементы из неметаллических материалов (эластомеров) [44, 55, 64, 82, 110, 127, 137, 143, 146], а именно для сопряжения седла и запорного органа, и ограничителя подъема - запорного органа.

Известны разработанные клапаны, швейцарской компанией Burckhardt Compression, которые снижают уровень шума и вибрации, за счет неметаллических тарелок [137]. Подходит для работы в сложных условиях применения с газами, содержащими масла и твердые частицы, а также с такими чистыми газами, как кислород. Оптимизированная зона потока уменьшает падение давления и повышает эффективность. По техническим данным данные клапаны применяются в компрессорах с частотой вращения не более 1000 об/мин, перепад давления до 170 бар, диапазон температур: от -

200 до +220 °С, с диаметрами клапанов от 40 до 383 мм. Достоинство данных клапанов:

Рисунок 1.2.4 - Тарельчатый клапан Burckhardt Poppet Valve

При работе самодействующего клапана (всасывания или нагнетания), запорный элемент клапана при полном его открытии ударяется об ограничитель, что приводит к ударным нагрузкам, которые могут привести к повышенному износу сопрягающих элементов. Для решения данной проблемы устанавливают упругий элемент на ограничителе, для уменьшения ударных нагрузок.

Например, известен патент на полезную модель «Самодействующий сферический тарельчатый клапан» автора Б.И. Ингнатова [139] (Республика Беларусь).

Рисунок 1.2.5 - Самодействующий сферический тарельчатый клапан: 1-седло; 2 - ограничитель подъема; 3 - каналы для прохода газа;

4 - сферическая тарелка; 5 - плоская пружина; 6 - регулировочный винт;

7 - вставка из упругого материала; 8 - область посадки тарелки на седло;

9 - корпус клапана

Самодействующий сферический тарельчатый клапан содержит седло 1, ограничитель подъема 2 с каналами для прохода газа 3, закрывающую деталь в виде сферической тарелки 4, плоскую пружину 5 с нелинейной характеристикой упругости, регулирующий винт 6, вставку 7 из упругого материала.

Открытие этого клапана начинается в тот момент времени, когда скорость поршня близка к максимальной. Поэтому при быстром открытии клапана возможны сильные удары тарелки по ограничителю подъема. Для снижения ударных сил в момент посадки тарелки на ограничитель подъема он имеет вставку 7 из упругого материала. Так же для уменьшения ударных нагрузок запорный элемент клапана может быть выполнен из эластомерного материала.

Известен патент кольцевого самодействующего клапана автора О.К. Шкодзинского [154].

Рисунок 1.2.6 - Самодействующий сферический тарельчатый клапан

Клапан содержит седло 1. ограничитель 2 подъема и расположенный между ними кольцевой запорный орган 3. подпружиненный к седлу 1 местными пружинами 4 и поочередно контактирующий с посадочными поверхностями 5 и 6 седла 1 и ограничителя 2. Запорный орган имеет в сечении У-образную форму с вершиной 7, обращенной в сторону, противоположную от клапана, и снабжен ребрами 8 жесткости и гнездами 9 под пружины. расположенными со стороны ограничителя 2 подъема. Посадочные поверхности 5 и 6 выполнены коническими, соответственно профилю зарядного органа 3, Сам запорный орган выполнен неметаллическим. Цель изобретения - повышение экономичности и долговечности клапана. Запорный орган, ударяясь поочередно о седло и ограничитель, воспринимает ударные нагрузки, которые частично превращаются в напряжение сжатия кольца по периметру, что менее опасно для запорного органа.

Существуют клапаны, в которых предварительное поджатие запорного элемента осуществляется не пружиной, а парой магнитов [154]. ООО "КСК-Сервис" производит, реализует дисковые, кольцевые и тарельчатые самодействующие клапаны с рабочей температурой до 200 ° С и давлением нагнетания до 40 МПа. Ресурс данных клапанов составляет до 25 000 ч.

Клапаны отличаются тем, что вместо пружины используются пара магнитов, автор изобретения Дударенко А.П. [154].

• запорные кольца

седло клапана •

• магнитные толкатели

ограничитель подъёма клапана •

Рисунок 1.2.7 - Кольцевой клапан

Новая линейка клапанов для буровых насосов ООО «ОЗНА-Октябрьский механический завод» позволяет работать без стука и увеличить среднюю наработку на отказ на 10-15%, за счёт исключения удара тарели о крестовину седла. Ресурс работы таких клапанов более 5 000 ч [79].

Компания Дрессер-Рэнд разрабатывает и производит клапаны, устанавливающего новый уровень требований к надежности, сроку службы, эффективности, стоимости и сроку изготовления - клапан Магнум, который установлен в смазываемых и сухих компрессорах, перекачивающих газы от почти чистого водорода до метана и грязного углекислого газа при скоростях

вращения от 327 до 1000 об/мин и давлениях нагнетания от 2,5 до 280 бар. ресурс работы клапана составляет 25 000 ч [143].

1.2.2 Анализ существующих смесей резины для изготовления эластомерных элементов клапанов

Для производства резины применяют натуральные и синтетический каучук [40, 98]. Резина является продуктом вулканизации каучука с наполнителем, в качестве которого выступает сажа. Вулканизация каучуку необходима по той причине, что каучук в чистом виде достаточно хрупкий и менее эластичный материал, чем вулканизированный. При вулканизации каучука происходит обработка смеси каучука и серы под воздействием температуры. Сутью вулканизации является процесс, при котором атомы серы присоединяются к нитевидным линейным молекулам каучука в местах двойных связей и как бы сшивают дисульфидными мостиками эти молекулы между собой, образуя при этом трехмерный сетчатый полимер.

Если для вулканизации каучука берётся 2-3 % серы от общей массы, то продуктом вулканизации явится резина. Она менее подвержена колебанию температуры, механическому разрушению, воздействию газов и электрического тока, действию разных химических реагентов и летней жары, чем каучук. Вдобавок, у вулканизированного каучука получается высокая степень трения скольжения по сухой поверхности и небольшая по влажной.

Если к каучуку добавить более, чем 30 % серы, то в процессе вулканизации получится эбонит: твердый материал, не обладающий пластичностью.

Промышленность различных стран производит чрезвычайно разнообразные синтетические каучуко-подобные материалы. Исходным сырьем для получения каучука являются: этиловый спирт, ацетилен, бутан, этилен, бензол, изобутилен, некоторые галогенпроизводные углеродов и др. При полимеризации мономеров (дивинил, стирол, хлоропрен, хлористый

винил и т.п.) получаются синтетические каучуки. При сравнительно большой прочности натуральный каучук значительно уступает синтетическом по морозостойкости и стойкости против воздействия растворителей. Свойства резины в основном зависят от каучуков, входящих в ее состав. Качество синтетического каучука определяет стойкость резины к растворителям, к атмосферному воздействию, кислороду, агрессивным средам, теплостойкость, морозостойкость, упругость и эластичность, клейкость растворов резиновых смесей и другие свойства металла.

По назначению резины подразделяются на резины общего и специального назначения. В группу резин общего назначения входят синтетические каучуки: бутадиеновый (СКВ), бутадиен-стирольный (СКС), изопреновый (СКИ), дивинильный (СКД). Изопреновый синтетический каучук по химическому составу наиболее близок к натуральному и обладает высокой клейкостью. Каучук СКД не уступает натуральному по эластичности и превосходит его по сопротивлению истиранию. Основной недостаток СКД состоит в низкой его клейкости.

Специальные резины подразделяются на несколько видов: износостойкие, маслобензостойкие, морозостойкие, теплостойкие и др.

Резиновые смеси служат сырьем для изготовления различных уплотнительных изделий, способных выдерживать воздействие воды, технических масел, топлива, слабых химических растворов.

В зависимости от состава, резиновые смеси способны выдерживать температурные нагрузки от -60 до +300 градусов. Отдельные резиновые смеси могут использоваться в пищевой промышленности, поскольку нетоксичны и не вступают в соединение с химическими веществами. Ниже представлена таблица с марками резиновых смесей, рабочий диапазон температур которых от - 60 до + 150 градусов (Таблица 1.2.1).

Любой процесс формования заканчивается процессом вулканизации. Каучук состоит из линейных молекул. При нагревании с серой (вулканизации) происходит укрупнение молекул и образование сетчатой структуры молекул,

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бусаров Игорь Сергеевич, 2024 год

Источник

Рисунок 3.1.6 - Диаграмма движения запорного органа клапана: Рвс=0,1МПа,

Рн=1МПа, т=2 с, И=6 мм

Измерения осуществляются следующим образом: запорный орган 1 самодействующего клапана жестко закреплен с датчиком линейных перемецений 2 через жесткий стержень 3. Датчика линейных перемещений 2 подключен к усилителю сигнала 4. Далее сигнал поспупает на осцилограф 5. На экране осцилографа 5 фиксируется электрический сигнал в мВ в зависимости от времени (мс).

Экспериментальная поршневая тихоходная ступень имеет систему охлаждения и линейный гидравлический привод. При выходе поршневой ступени на режим, с фиксированным временем цикла и давлением нагнетания на осциллографе снимаются диаграммы движения запорного органа. На оси ординат изображается перемещение запорного органа клапана, а по оси абсцисс текущее время. Выполненная ранее тарировка перемещения запорного органа клапана в зависимости от выдаваемого напряжения датчиком линейных перемещений позволяет по графику линии открытия и закрытия клапана определять скорости посадки на седло и удара об ограничитель подъёма. Для измерения быстроизменяющегося давления газа в рабочей камере ступени использовались кремниевые датчики давления типа Д16. Измерение перемещения пластины клапана осуществлялось с помощью

линейного потенциометрического датчика положения типа LF2S24N5KB6A Погрешность прибора - 2%. Погрешность измерения линейных перемещений - 3,3%.

Определим приборную погрешность при измерении перемещения запорного органа клапана:

¿о =4512 + 2 + St2 , (3.1.1)

где 51 - погрешность осциллографа, 3 %.

й0 = л/32 + 3.32 + 22 = 4,89% .

Экспериментальные исследования проведены для различных величин высоты подъёма запорного органа и различных давлений нагнетания.

На представленных диаграммах левая наклонная линия соответствует процессу открытия клапана, далее горизонтальная линия характеризует состояние, в котором клапан полностью открыть. Правая наклонная линия характеризует процесс закрытия клапана. Причём в большинстве полученных диаграмм процесс открытия характеризуется более крутой линией, чем процесс закрытия, что соответствует известным данным по превышению скорости в процессе открытия над скоростью в процессе закрытия клапана. В процессе полного открытия клапана (горизонтальная линия), даже с учётом помех видно, что отскоки запорного органа от ограничителя подъёма (левая часть горизонтальной линии) и от седла (правая часть, после наклонной кривой) не наблюдаются или пренебрежимо малы. Данный результат позволяет предположить, что кинетическая энергия запорного органа достаточно мала и может гаситься эластомерными элементами клапана.

Полученные результаты показали, что в данной конструкции клапана полностью отсутствуют отскоки запорного органа от седла и ограничителя подъёма. То есть эластомерный элемент играет роль демпфирующего элемента. Этот результат имеет принципиальное значение при разработке методик расчёта динамики рассматриваемого клапан, так как коэффициент отскока в таких случаях необходимо принимать равным нулю. Кроме этого,

по экспериментальным диаграммам движения были определены скорости посадки запорного органа на седло и скорость удара об ограничитель подъёма. Так для времени цикла 4 с эти скорости близки по значению и находятся в диапазоне 0,08.0,1 м/с. Для времени цикла 2 с скорости увеличиваются до значений 0,4.0,5 м/с. Данные параметры времени цикла 2.4 с характеризуют эффективный диапазон работы тихоходной компрессорной ступени [24]. Даже для принятых в эксперименте завышенных величин высоты подъёма запорного органа клапана эти скорости существенно (в некоторых случаях на порядок) ниже скоростей посадки запорного органа на седло и удара об ограничитель подъёма в быстроходных компрессорах [82].

Важным вопросом, который требует рассмотрения является определение скорости запорного органа клапана в момент удара о седло или ограничитель подъёма. Поскольку величина напряжений пропорциональна квадрату скорости [28, 34, 35, 60, 82], то вопрос об уменьшении скорости пластины будет напрямую влиять на надёжность и долговечность клапана в целом и его ресурс.

Для решения уравнения динамики клапана и уравнения для определения массы газа, проходящей через клапаны, были получены экспериментальные кривые и уравнения коэффициента расхода а = -4,4242 (И/Ь) 3 + 8,2403 (И/Ь) 2 - 4,6626 (Ы/Ь) + 0,9298 (рисунок 3.1.7а) и коэффициента давления р = -2,8147(И/Ь)3 + 5,1882(И/Ь)2 - 2,4026(Ы/Ь) + 1,2085 (рисунок 3.1.7б).

Для определения этих коэффициентов был разработан эксперементальный стенд (рисунок 3.1.8)

а) б)

Рисунок 3.1.7 - Графики зависимости коэффициента расхода (а) и коэффициента давления (б) от отношения хода запорного органа к к диаметру проходному сечения клапана Ь

Рисунок 3.1.8 - Фотография стенда для определения коэффициентов расхода

и давления

Потери мощности в клапане с эластомерным элементом составляют 14 %, что на 5 % больше, чем в аналогичных существующих клапанах.

3.1.2 Статические продувки самодействующих клапанов

Для проведения статических продувок разработан экспериментальный стенд. Схема стенда для статических продувок самодействующих клапанов представлена на рисунке 3.1.9.

Рисунок 3.1.9 - Схема экспериментального стенда для статических продувок: 1 - стенд; 3 - испытуемые клапаны; 4 - усилитель; 5 - цифровой осциллограф; 6 - персональный компьютер; 7 - датчик давления

Так же представлена фотография экспериментального стенда:

Рисунок 3.1.10 - Фото экспериментального стенда

В соответствии с методикой расчёта выполняется следующая последовательность действий:

1. В рабочую камеру закачивается газ (воздух или азот) под давлением 0,2 ... 12МПа. При установившейся температуре и зафиксированном давлении начинают проведение измерений.

2. Фиксируем начальное давление, температуру.

3. С помощью цифрового осциллографа 5 на монитор персонального компьютера 6 выводится график изменения давления внутри рабочей камеры.

4. Фиксируется конечное давление и время измерений, определяем массовый расход по формуле:

где Я - газовая постоянная , Дж/кг*К;

Р1 - давление газа в начальный момент времени, Па; Р2 - давление газа в конечный момент времени, Па; Т1 - температура газа в начальный момент времени, К; Т2 - температура газа в конечный момент времени, К; V - геометрический объем ёмкости, м3; Ат - время падения давления, с.

Уравнение массового расхода реального газа через клапан с применением поправочного коэффициента сжимаемости газа имеет следующий вид:

где Ф - эквивалентная площадь зазора при данной методике, м2; Р1, Р2 - давления газа перед и после щелевого канала, Па; Ру - плотность газа перед щелевым каналом, кг/м3;

Бр - коэффициент сжимаемости.

С учётом этого определяем площадь зазора.

(3.1.2)

(3.1.3)

В свою очередь эквивалентная площадь зазора:

Ф = (3.1.4)

где а - коэффициент расхода;

/ - площадь зазора, м2.

Таким образом, зная периметр (Р) определяется величина условного

зазора:

8У -Ф/Р = адр, (3.1.5)

где др -зазор в клапане, м.

Следует также отметить, что величина условного зазора в закрытом клапане, считающаяся нормой для быстроходных ступеней (0,25^1,0 мкм), не обеспечивает нормальной работоспособности тихоходных ступеней, то есть утечки в тихоходных ступенях не позволяют достичь требуемого давления нагнетания.

В связи с этим авторами для рассматриваемых компрессорных ступеней были разработаны клапаны всасывания и нагнетания с использованием конструктивных элементов из эластомеров. Применение эластомеров в самодействующих клапанах известно как в практике компрессоростроения, так и в других отраслях, однако характеристики их герметичности в известной литературе отсутствуют.

Результаты сравнительных статические продувок клапанов представлены на рис. 3.1.11. Хорошо видно, что условный зазор разработанных клапанов (с эластомерными конструктивными элементами) в несколько раз меньше, чем условный зазор клапанов с металлическими запорными элементами (табл. 3.1). Видно также, что условный зазор имеет непостоянную величину, он увеличивается с ростом перепада давления на клапане. Это подтверждает результаты проводимых ранее исследований [] и объясняется, вероятно, раскрытием щели за счёт упругих свойств материалов седла и запорного органа при воздействии давления, то есть деформацией.

Рисунок 3.1.11 - Зависимость условного зазора для различных типов клапанов от рабочего давления: 1 - клапан с эластомерным конструктивным элементом; 2 - клапан с металлическими конструктивными элементами

Таблица 3.1.1 - Эквивалентные зазоры самодействующих клапанов

Клапаны Эквивалентный зазор, мкм

Стальной сферический клапан

Стальной плоский клапан

Латунный клапан

Клапан с фторопластовым седлом

Клапан с эластомерным элементов в виде тора 9

Клапан с эластомерным элементов в виде конуса

Для сравнительной оценки влияния негерметичности рассмотренных выше клапанов на работу тихоходной ступени поршневого компрессора были проведены расчётные исследования, для которых использована

математическая модель рабочих процессов компрессора рассматриваемого типа.

Приведённые данные показали значительное улучшение герметичности при использовании эластомерных элементов в клапане. Проводимые эксперименты на макетном образце тихоходной длинноходовой поршневой ступени подтвердили гипотезу о том, что условный зазор, в клапанах считаемый приемлемым для быстроходных ступеней (0,25-1 мкм) не соответствует требованиям для тихоходных ступеней, в которых приемлемым условным зазором будем считать величину не более 0,1 мкм.

Погрешность эксперимента при статических продувках самодействующих клапанов:

^ = Ч 1,722 + 0,112 + 22 = 2,64%, (3.1.6)

где 8т - относительная погрешность секундомера, 2 %.

3.1.3 Верификация математической модели (визуализация)

Для изготовления эластомерного элемента в виде конуса была спроектирована пресс-форма, приведенная на рисунке 3.1.12.

Рисунок 3.1.12 - Фотография пресс-формы

Вид седла с эластомерным элементом изображен на рисунке 3.1.13.

Рисунок 3.1.13 - Фотография седла с эластомерным элементом в виде конуса

Во второй главе в параграфе 2.1.2 приведен алгоритм расчета деформировано-напряженного состояния разработанного самодействующего клапана в программе АКБУБ. Показано, что в закрытом положении изменяется периметр прилегания пластины (запорного органа) и седла на котором установлен эластоменый элемент в виде конуса. На рисунке 3.1.14 а и 3.1.14 б приведен вид, из программы АКБУБ, в открытом и закрытом клапане.

а)

б)

Рисунок 3.1.14 - Вид самодействующего клапана: а - открытый клапан; б

закрытый клапан

По радиальным деформациям в программе ANSYS определяем изменение периметра прилегания запорного органа и седла с эластомерным элементом, которое составляет при полностью закрытом клапане 3-1,72= 1,28 мм. Р = 4,02 мм.

Для подтверждения расчетной модели, приведенной в программе ANSYS, измерим реальные деформации самодействующего клапана с помощью электронного микроскопа USB Digital Microscope. После наведения микроскопа на объект, регулируем фокусное расстояния, для получения более четкого изображения. Когда объект внимания будет четкий, фиксируем объект. Для калибровки измерений (рис. 3.1.15), используем линейку калибровки, на которой указаны значения коэффициента увеличения, которое соответствует показателю на маркере в центре колеса.

Рисунок 3.1.15 - Калибровка измерений

Для визуализации изменения периметра прилегания запорного органа самодействующего клапана был разработан стенд схема которого показана на рисунке 3.1.16.

Рисунок 3.1.16 - Схема стенда для визуализации изменения периметра прилегания запорного органа и седла клапана: 1 - стекло (имитация запорного органа); 2 - клапан с эластомерным элементом в виде конуса; 3 - кольцо; 4 - станина; 5 - механизм сжатия; 6 - электронный микроскоп; 7 - держатель для электронного

микроскопа

Верификация (визуализация) методики расчёта деформаций седла самодействующего клапана производилась следующим образом:

1) Определяем величину радиальных деформаций эластомерного элемента самодействующего клапана с помощью электронного микроскопа при различных положениях запорного органа (4 положения: открытый, закрытый на 40%, закрытый на 60%, закрытый на 100 %).

Пример открытого и закрытого клапана изображены на рисунках 3.1.17 и 3.1.18 соответственно.

Рисунок 3.1.17 - Вид эластомерного Рисунок 3.1.18 - Вид эластомерного элемента при открытом клапане элемента при полностью закрытом

клапане

2) Согласно представленной математической модели в ANSYS WM, определяем величину радиальных перемещений эластомерного элемента самодействующего клапана.

Измерение периметра прилегания пластины к седлу клапана под увеличением х548. Периметр составляет 4 мм.

3.1.4 Определение и прогнозирование ресурса работы самодействующих клапанов

Для автономной работы компрессорной установки необходим длительный ресурс работы ответственных узлов и деталей. Как было сказано ранее одним из наиболее уязвимых мест в компрессорной установке являются клапаны всасывания и нагнетания. Поэтому необходимо решить вопрос работоспособности и ресурса работы разработанного клапана [72, 77, 78, 86, 97,].

Усталостная (динамическая) выносливость N характеризуется числом циклов многократных деформаций образцов до их разрушения. Переменными условиями при испытании могут быть амплитуда деформации, амплитуда нагрузки и частота деформации. Разработано большое число методов испытания резин на усталостную выносливость. Широко применяют испытания на многократное растяжение до разрушения образцов резин в виде двухсторонних лопаток. Стандартизован метод испытания на многократное сжатие до разрушения образцов в виде массивных цилиндров, внутри которых замеряют температуру, характеризующую теплообразование за счет гистерезисных потерь и затруднений отвода тепла в окружающую среду. Часто проводят испытания резин на сопротивление образованию и разрастанию трещин в образцах, подвергаемых многократному изгибу и имеющих зоны повышенной концентрации напряжений, в которых и происходит их разрушение. При испытаниях на сопротивление разрастанию трещин наблюдают за ростом до определенного предела повреждения, которое наносят на испытуемый образец путем прокола или надреза, а при испытании на сопротивление образованию трещин определяют число циклов деформации до начала разрушения образца - появления на нём первичных трещин.

Показателем испытаний на многократное растяжение-сжатие является динамическая выносливость N, характеризуемая числом циклов деформации

до разрушения образца. Динамическая выносливость N определяется по формуле

N = п ■ г,

(3.1.7)

где п - частота деформации, цикл/мин; ? - продолжительность испытания до разрушения образца, мин.

За результаты принимается среднее арифметическое не менее 12 значений, при этом отмечают пределы измерения показателей и условия испытания: температуру, амплитуду деформации и ее частоту. Результаты испытаний представляют в сводной таблице.

Известно [9, 39, 48, 67, 87, 106], что при испытаниях резины на многократный изгиб при не больших деформациях (до 30 %), если образец не разрушился в течение 8 часов, то считается, что кривая е = /(1) асимптотически стремится к горизонтали, т.е. образец будет работать неопределенно долго. На рисунке 3.1.19 представлена кривая долговечности резины как функция относительного сжатия.

Рисунок 3.1.19 - Кривая долговечности резины как функция относительного

сжатия

Для испытания самодействующих клапанов с эластомерными конструктивными элементами разработан стенд на усталостную прочность схема, которого изображена на рисунке 3.1.20.

7

7 2 3 0 © М

\

V \6

Рисунок 3.1.20 - Схема стенда для испытания клапанов на ресурс работы: 1 - баллоны со сжатым воздухом; 2, 6 - электро-магнитные клапана; 3 -нагнетательная часть; 4 - буферная часть; 5 - предохранительный клапан

Стенд работает следующим образом.

Из баллонов 1 со сжатым воздухом, газ поступает на электро-магнитный клапан 2, который дозировано пропускает воздух в стенд для ресурсных испытаний самодействующих клапанов, состоящий из нагнетательной части 3 и буферной части 4, между которыми установлена клапанная плита с самодействующими клапанами. Сбрасывается газ через электро-магнитный клапан 6. Таким образом, с помощью электро-магнитных клапанов 2, 6 имитируется рабочий процесс поршневого компрессора, то есть процессы нагнетания и всасывания. Буферная часть 4 служит для накопления газа, который перетекает через открытые самодействующие клапана из нагнетательной части 3, таким образом, буферная часть 4 имитирует нагнетательный трубопровод с буферной емкостью. Для поддержания постоянного давления после самодействующих клапанов в буферной части 4, установлен предохранительный клапан 5 срабатывающий на 25 атм. Электромагнитные клапана 2, 6 управляются микроконтроллером на базе АМшпо.

Давление в нагнетательной части 3 и буферной части 4 фиксируются датчиками давления серии Д16.

На рисунке 3.1.21 изображена фотография стенда.

Рисунок 3.1.21 - Фотография стенда для испытания клапанов на ресурс

работы (Общий вид)

Рисунок 3.1.22 -Фотография стенда для испытания клапанов на ресурс работы (Стенд на ресурсные испытания, с комплексом АМшпо)

Рисунок 3.1.23 - Фотография стенда для испытания клапанов на ресурс

работы

Разработанный стенд для испытания клапанов на ресурс работы полностью автоматизированный, не требует постоянного присутствия персонала. Испытания проводились в течение 5 месяцев. В итоге общая отработка самодействующих клапанов составила 3000 часов.

До и после испытания клапанов для определения их работоспособности и прогнозирования ресурса работы проводились статические продувки клапанов и исследования структурно-морфологических характеристик и рельефа поверхности эластомерного элемента клапана.

Согласно статическим продувкам различных трех самодействующих клапанов, условный зазор остался без изменений в пределах 0,045...0,055 мкм.

Были предоставлены 3 (три) образца для исследования структурно-морфологических характеристик и рельефа поверхности.

Образцы представляли собой резиновые уплотнения в виде конуса с одинаковым размером, но имеющие разные материалы (СКД, СКИ-3 и СКД + СКИ-3).

Условные обозначения образцов приводятся в таблице 3.1.2. Таблица 3.1.2 - Условные обозначения образцов

N п/п Условное обозначение образца Наименование Ед. изм. Кол-во

1 СКД резиновое уплотнение в виде конуса шт. 1

2 СКИ-3 резиновое уплотнение в виде конуса шт. 1

3 СКД + СКИ-3 резиновое уплотнение в виде конуса шт. 1

Предоставленные материалы были детально изучены методом термического анализа (ТА), проведенного в режиме измерений кривых ТГ (термогравиметрия) - ДТГ (дифференциальная термогравиметрия) - ДТА (дифференциальный анализ тепловыделения или теплопоглощения).

Важно подчеркнуть, что при исследовании методом ТА материалов, композиций, изделий на основе резин, полимеров, пластических композиций и т.д. для оценки их термических превращений (деградаций) широко используются следующие термины:

- термоустойчивость, под которой понимается начальная и максимальная температуры процесса химического разложения объекта с потерями массы и протекающими тепловыми эффектами, или температуры процесса физического характера без потери массы, но с выраженными теплоэффектами,

например, плавление, кристаллизация, термомеханическая деформация, пластификация и др.;

- термоокисление, под которым понимается начальная и максимальная температуры процесса горения объекта с выраженным экзотермическим тепловым эффектом.

При изучении вышеуказанных свойств предоставленных образцов применяли синхронный термический анализатор STA 449C Jupiter (NETZSCH) в режиме ТГ-ДТГ-ДТА. Эксперимент проводился в окислительной среде, скорость нагрева 10°С /мин до 1000°С, охлаждение происходит естественным путем с единственно возможной скоростью. Образцы мелко измельчались. Масса навесок составляла: 40- 80 мг. Чувствительность весов - 0,1 мкг, дрейф массы при 1000°С - 1мкг/час. Все расчеты производятся с помощью программного обеспечения "Proteus" фирмы NETZSCH.

Результаты исследования в виде кривых ТГ-ДТГ-ДТА представлены на рис. 3.1.23 - 3.1.25. Количественные данные термического анализа образцов на предмет их термоустойчивости и термоокисления сведены в таблицу 3.1.3. Таблица 3.1.3 - Количественные результаты метода ТА исследованных образцов.

Обр азе ц Термоустойчивость Термоокисление (горение) Обща я потер я массы

Тначо Тконеч Am, AH, Тначо Тконеч Am, AH, Am,

оС ,оС % экзо-, оС % экзо-, %

эндо- оС эндо-

1 200± 5 410± 5 22,1 4 экзоэфф ект 410± 5 800± 5 59,9 9 оч. сильные экзоэффект ы 88,85

2 190± 300± 4,3 оч. 300± 950±2 77,3 оч. сильные 81,67

5 5 слабые 5 0 экзоэффект

экзоэфф ы

екты

3 220± 5 400± 5 20,5 8 экзоэфф ект 400± 5 900±5 58,4 2 оч. сильные экзоэффект ы 85,119

Рисунок 3.1.24 - ТГ-ДТГ-ДТА кривые термического анализа материала № 1

Рисунок 3.1.25 - ТГ-ДТГ-ДТА кривые термического анализа материала № 2

Рисунок 3.1.26 - ТГ-ДТГ-ДТА кривые термического анализа материала № 3.

Обобщая результаты количественного термического анализа исследуемых образцов 1, 2, 3, можно заключить:

1) Для образцов 1 и 2 кривые ТГ-ДТГ-ДТА практически подобны по характеристикам термоустойчивости в пределах погрешности измерений. Кривые ТГ-ДТГ-ДТА для образца 3 значительно отличаются от двух других.

2) Динамика протекания термоокисления (горения) в образцах имеет незначительные различия, особенно это наблюдается в области высоких температур (700 - 1000°С).

Измерения производились на атомно-силовом микроскопе MFP-3DSA (AsylumResearch) в полуконтактном режиме сканирования на воздухе

(относительная влажность 50 %, температура 23°С) с использованием зондового датчика HA_HR(NT-MDTSI) с резонансной частотой 380 кГц.

Образец № 1. Изображения получены с поверхности образца. На рисунках представлены обзорное топографическое изображение площадью 30х30 мкм2 и параметры шероховатости поверхности, рассчитанные по данному изображению, а также топографические (слева) и фазово-контрастные изображения (справа) площадью 10х10, 3х3 мкм2.

Минимум: 0.00000 цт

Максимум: 1.83349 цт

Среднее значение: 1.18294 цт

Срединное значение: 1.19415 цт

Средняя шероховатость: 150.578пт

Среднеквадратичная шероховатость: 204.195пт

Образец №2. Изображения получены с поверхности образца. На рисунках представлены обзорное топографическое изображение площадью 30х30 мкм2 и параметры шероховатости поверхности, рассчитанные по данному изображению, а также топографические (слева) и фазово-контрастные изображения (справа) площадью 10х10, 3х3 мкм2.

Минимум: 0.00000 цт

Максимум: 1.17595цт

Среднее значение: 0.35735 цт

Срединное значение: 0.34431 цт

Средняя шероховатость: 95.197пт

Среднеквадратичная шероховатость: 119.824 пт

Рисунок 3.1.28 - Изображение поверхности образца № 2

Образец № 3. Изображения получены с поверхности образца. На рисунках представлены обзорное топографическое изображение площадью 30х30 мкм2 и параметры шероховатости поверхности, рассчитанные по данному изображению, а также топографические (слева) и фазово-контрастные изображения (справа) площадью 10х10, 3х3 мкм2.

Минимум: 0.00000 цт

Максимум: 1.04933цт

Среднее значение: 0.33554 цт

Срединное значение: 0.32622 цт

Средняя шероховатость: 79.438пт

Среднеквадратичная шероховатость: 112.930 пт

Рисунок 3.1.29 - Изображение поверхности образца № 3

На фазово-контрастных изображениях темные участки соответствуют местам расположения частиц твердого наполнителя.

Вывод: исследование методом АСМ данных показало, что исследуемые образцы имеют существенно различные количественные значения параметров шероховатости поверхности и отличаются по фазово-контрастным изображениям. Наименьшим значением шероховатости обладает образец 3. Как следует из анализа фазово-контрастных изображений для всех образцов характерно равномерное распределение частиц наполнителя в матрице. Наличие трещин не зафиксировано. Геометрия эластомерного элемента не изменено.

3.1.5 Описание применяемых датчиков и расчёт погрешности

Датчик давления

Для фиксирования давления газа в рабочей полости применялся датчик давления (тензопреобразователь) Д16-М3, который был установлен в клапанную плиту ТДПК. Для определения электрических показаний датчика проводилась его тарировка (тарированная зависимость (рис. 3.1.32)).

Для этого испытуемый датчик устанавливался в ресивер компрессорной установки КУ-10 (рис. 3.1.31), на которой установлен манометр. Датчик по схеме (рис. 3.1.30) подключен к усилителю, блоку сбора данных и далее на электронный осциллограф, на котором фиксировались показания датчика давления в мВ.

С помощью компрессорной установки 1 , в ресивер 2 нагнеталось давление, далее при различных показаниях образцового манометра 5 фиксировалось показание датчика давления Д16-М3 (4), через электронный осциллограф 8. Полученные значения фиксировались в таблицу данных, после чего строилась зависимость показаний образцового манометра и выходных сигналов датчика давления.

Рисунок 3.1.30 - Схема тарировки датчика давления 1 - компрессорная установка, 2 - ресивер, 3 - штуцер, 4 - датчик давления, 5 - образцовый манометр, 6 - блок питания, 7 - усилитель, 8 - цифровой осциллограф.

Рисунок 3.1.31 - Фотография стенда для тарировки датчика давления

Р, МП а

0.8

0.6

0.4

0.2

0

у

4 8 12 16 20 24 28 32 36 £7, П1В Рисунок 3.1.32 - Зависимость показаний манометра и выходного сигнала

датчика давления

После построения тарировочной характеристики необходимо определить погрешность показаний датчика давления Д16-М3.

Определим приборную погрешность при тарировке датчика давления, определяемую по формуле:

где дд - относительная погрешность датчика давления, %;

дмн - относительная погрешность образцового манометра, %; до - относительная погрешность осциллографа, %.

Относительная погрешность датчика давления по паспорту 5д=1,4%. Относительная погрешность образцового манометра 5МН=1%. Относительная погрешность для осциллографа определяется паспортом 5о=0,05%. В данном случае приборная погрешность является общей погрешностью, поскольку методика измерения напряжения при выполнении эксперимента и при проведении тарировки совершенно одинаковы. Также не учитывалось влияние случайных факторов. Их можно будет исключить, если некоторые значения, полученные при экспериментальном измерении, будут выпадать из общей системы. Тогда общая погрешность датчика давления равна:

Для определения температуры в рабочей камере ТДПК, установлен бусинковый термистор, который был установлен в клапанной плите. Для определения его быстродействия и определения температурных показаний, были разработаны стенды для определения этих характеристик.

Для определения тепловой инерции, необходимо определить временную постоянную бусинкового теримистора. Схема стенда для определения временной постоянной изображен на рисунке 3.1.33.

(3.1.8)

=у11,42 +12 + 0,052 = 1,72%.

Датчик температуры

Рисунок 3.1.33 - Схема стенда для определения временной постоянной

бусинкового термистора: 1 - камера нагрева; 2 - быстродействующий электромагнитный клапан; 3 - бусинковый термистор; 4 - нагревательный элемент; 5 - термометр;

6 - электронный осцилограф

В камере нагрева 1 происходило повышение температуры с помощью нагревательного элемента 4 до температуры аналогичной в рабочей камере при сжатии газа. После чего срабатывает быстродействующий электромагнитный клапан 2 открывая и закрывая полость в которой расположен бусинковый термистор 2. Электронным осцилографом 6 фиксировалось время отклика бусинкового термистора 3 на изменение температуры. Временная постоянная изображена на рисунке 3.1.34.

Рисунок 3.1.34 - Определение постоянной времени термистора

Постоянная времени бусинкового термистора при температуре среды до 150 °С лежит в пределах 0,02...0,006 с, что на два порядка больше времени цикла исследуемого процесса.

Следующим этапом было определение соответствия выходного сигнала бусинкового термистора и показаний термометра. Схема тарировки указана на рисунке 3.1.35.

6 5 1, 3

Рисунок 3.1.35 - Схема стенда для тарировки датчика температуры: 1 - Термометр сопротивления эталонный ЭТС-100, 2 - термостат сухоблочный ТС-140, 3 - измеритель универсальный прецизионный В7-99, 4 - бусинковый термистор, 5 - измерительный преобразователь, 6 - электронный осциллограф

Термостат 2 плавно и равномерно нагревал пространство в котором расположены бусинковый термистор 4 и термометр сопротивления эталонный ЭТС-100 (1). Фотография стенда представлена на рисунке 3.1.36. В таблицу фиксировались значение выходного сигнала бусинкового термистора 4 через электронный осциллограф 6 и значения термометр сопротивления эталонный ЭТС-100 (1) через измеритель универсальный прецизионный В7-99 (3). По

данной таблице построена тарировочная характеристика бусинкового термистора (рис. 3.1.37).

Рисунок 3.1.36 - Фотография стенда тарировки бусинкового термистора

210

кж

МО

IM

wo '■Д

175 -w-

170 W5 -w- -\\-

CIS5 -Д.-

\\

\\

-^-

tlx -%-

n!S \

etos 100 \ \

L 96 -»-

v

N

\

70 Y

ЙО vs.

V

_ X

- V

10 \

„ V

*

Л

и

to ~ 1--

5 -^-

5 Ю 15 X 25 30 35 Ю 15 SO 55 «0 «5 70 75 80 « <0 96 WO KB 1Ю 115 13) 13 »30 temperature *c

Рисунок 3.1.37 - Тарировка датчика температуры -----экспериментальная;------расчетная)

Фотография бусинкового термистора приведена на рисунке 3.1.38.

Рисунок 3.1.38 - Фотография бусинкового термистора

После проведения тарировки бусинкового термистора, определяем погрешность измерений.

3.2 Результаты экспериментальных исследований рабочих процессов с учётом работы клапанов с эластомерными элементами

На рисунке 3.2.1 - 3.2.2 представлены экспериментальные диаграммы изменения параметров состояния рабочего газа за время рабочего процесса тихоходной компрессорной ступени с самодействующим клапаном, содержащим эластомерный элемент.

(3.1.9)

где дОТ - относительная погрешность термометра - 0,1 %; дО - относительная погрешность осциллографа, %. Подставляя относительные погрешности получаем:

АКИП Е13! №............................ф в? КАН2

¿и=18.4и СВЯЗЬ ВХОДа

Сиг-В = 18.4и ^ йС

ЙВЯЙ= 0.00и

Огрант ГИП

Рисунок 3.2.1 - Изменение мгновенных параметров сжимаемого газа в рабочей камере: Рвс=0,1 МПа, Рн=9,0 МПа, т=4 с: 1 - мгновенное давление; 2

- мгновенная температура

Деятель 1Х

След стр

СН1- 500ти СНЗ^ 500ти

М 500тг

М Ро5:140,0т5

Рисунок 3.2.2 - Расход газа и изменение мгновенных параметров сжимаемого газа в рабочей камере: Рвс=0,1 МПа, Рн=10,0 МПа, т=2 с: 1 - мгновенное

давление; 2 - расход газа

По результатам проведённых исследований была проведена сравнительная оценка экспериментальных и теоретических результатов, в качестве которых рассматривались зависимости коэффициента подачи и индикаторного изотермического КПД от степени повышения давления в ступени (см. рис.3.2.3-3.2.6), а также мгновенные параметры (рис. 3.2.7-3.2.8).

Рисунок 3.2.3 - Зависимость коэффициента подачи от степени повышения давления при времени цикла 2 с: 1 - эксперимент; 2 - теория

Рисунок 3.2.4 - Зависимость коэффициента подачи от степени повышения давления при времени цикла 4 с: 1 - эксперимент; 2 - теория

Рисунок 3.2.5 - Зависимость индикаторного изотермического кпд от степени повышения давления при времени цикла 2 с: 1 - эксперимент; 2 - теория

Рисунок 3.2.6 - Зависимость индикаторного изотермического кпд от степени повышения давления при времени цикла 4 с: 1 - эксперимент; 2 - теория

Сравнение полученных теоретических и экспериментальных результатов показало полное качественное и удовлетворительное количественное соответствие (расхождение расчётных и экспериментальных результатов составило не более 8%). Применение клапана с деформируемым эластомерным элементом позволило увеличить коэффициент подачи на 30%, а изотермический индикаторный КПД - на 10% (сравнение проводилось с полученными ранее интегральными характеристиками наиболее близких

аналогов тихоходной компрессорной ступени). Важно отметить, что применение неметаллических конструкционных материалов, в том числе эластомеров, в рассматриваемых компрессорных ступенях становится возможным из-за низких температур нагнетаемого газа, обусловленных интенсивным теплоотводом в процессе сжатия и нагнетания.

4 РАСЧЕТНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ САМОДЕЙСТВУЮЩИХ КЛАПАНОВ И РЕЖИМА РАБОТЫ ПОРШНЕВЫХ СТУПЕНЕЙ НА ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

4.1 Влияние параметров самодействующего клапана с эластомерными конструктивными элементами на эффективность рабочего процесса поршневых ступеней.

Важным вопросом, который требует рассмотрения является определение скорости запорного органа клапана в момент удара о седло или ограничитель подъёма. Поскольку величина напряжений пропорциональна квадрату скорости, то вопрос об уменьшении скорости пластины будет напрямую влиять на надёжность и долговечность клапана в целом и его ресурс.

Рассмотрим расчётные скорости движения пластин клапанов для тихоходных компрессорных ступеней (см. рисунок 4.1.1, 4.1.2). Полученные результаты качественно подтверждают известные данные по скорости посадки клапана: во- первых, скорость выше при ударе об ограничитель подъёма, чем при посадке на седло; во - вторых, скорость увеличивается при росте числа оборотов (скорости поршня) и при увеличении давления. Как и ожидалось скорости посадки клапана для тихоходных агрегатов значительно, меньше чем для быстроходных ступеней.

Полученные диаграммы движения запорного органа всасывающего и нагнетательного клапанов для каждого из рассмотренных законов, совмещённые с индикаторными диаграммами и графиком изменения текущей массы газа в рабочей камере (ш^ представлены на рисунках 3,4 при следующих условиях работы: Рн=0,5 МПа; время цикла 3 с; диаметр цилиндра 0,05 м; ход поршня 0,5 м (для тихоходной схемы) и 0,05 м (для быстроходной схемы).

а)

б)

Рисунок 4.1.1 -Зависимость скорости удара пластины нагнетательного

клапана

от «частоты вращения коленчатого вала - п*»: а - 1 - об ограничитель подъёма при Рн = 0,3 МПа; 2 - о седло при Рн = 0,3 МПа; 3 - об ограничитель подъёма при Рн = 0,5 МПа; 4 - о седло при Рн = 0,5 МПа; б - 1 - об ограничитель подъёма при Рн = 5 МПа; 2 - о седло при Рн = 5 МПа; ; 3 - об ограничитель подъёма при Рн = 10 МПа; 4 - о седло при

Рн = 10 МПа

в)

Рисунок 4.1.2 - Зависимость скорости удара пластины нагнетательного клапана с эластомерным элементом от «частоты вращения коленчатого вала - п*»: а - 1 -Рн = 10 МПа; 2 -Рн = 7 МПа; 3 -Рн = 3 МПа

Таким образом, проведённые экспериментальные исследования диаграмм движения запорного органа позволили качественно определить отсутствие сколько-нибудь значимых отскоков пластины клапана от седла и ограничителя подъёма, что необходимо учесть при разработке методик расчёта динамики самодействующих клапанов тихоходных поршневых агрегатов. Также были определены скорости посадки пластины клапана на седло и в момент удара об ограничитель подъёма. Данные скорости на порядок меньше, чем для аналогичных режимов работы быстроходных компрессорных ступеней и не превышают 0,05...0,6 м/с, что позволяет ставить задачи по повышению ресурса таких клапанов.

СЗ р

--Гн

р

о

б

Рисунок 4.1.3 - Расчётные диаграммы движения запорного органа клапанов тихоходной ступени: 1 - идеальный закон; 2 - закон при неупругом ограничителе и седле; 3 - с упругим ограничителем и седлом для металлического клапана; 4 - с упругим ограничителем и седлом клапана с

эластомерным элементом

Анализ рисунков 4.1.2, 4.1.3 показал, что наименьшие потери через клапаны получены при идеальном законе движения. Более низкий коэффициент подачи для быстроходных схем связан с большим относительным мёртвым объёмом и более высокими дроссельными потерями в процессе всасывания. Для закона движения пластины с запаздыванием при неупругих материалах ограничителя и седла возникает незначительное изменение давления в процессах всасывания и нагнетания для тихоходной схемы, при этом производительность снижается. В быстроходных схемах

изменение давления в процессах нагнетания и всасывания значительно. Более плотное прилегание пластины в закрытом состоянии, для клапана с эластомерным элементом, как показали эксперименты оказывает положительное влияние на герметичность клапана в целом и позволяет увеличить производительность. Высокие скорости течения газа через клапаны в быстроходных схемах приводят к повышенным гидравлическим потерям по сравнению с тихоходными схемами, а также к большим величинам отскоков при ударах о седло или ограничитель подъёма.

В соответствии методикой расчёта представлены параметры рабочего процесса при различных подходах в моделировании динамики клапана (см. рисунок 4.1.4 - 4.1.6).

а) б)

Рисунок 4.1.4 - Зависимость средней температуры нагнетаемого газа от степени повышения давления Рвс=0,1МПа, Рн=0,5МПа, Б=0,5м, Бц=0,05м: а) тихоходная поршневая ступень, время цикла 2с; б) быстроходная поршневая ступень, время цикла 0,02с:1 - идеальный закон; 2 - закон при неупругом

ограничителе и седле; 3 - с упругим ограничителем и седлом для металлического клапана; 4 - с упругим ограничителем и седлом клапана с

эластомерным элементом

Рисунок 4.1.5 - Зависимость коэффициента подачи от степени повышения

давления Рвс=0,1МПа, Рн=0,5МПа, S=0,5m, Вц=0,05м: а) тихоходная поршневая ступень, время цикла 2с; б) быстроходная поршневая ступень, время цикла 0,02с: 1 - идеальный закон; 2 - закон при неупругом ограничителе и седле; 3 - с упругим ограничителем и седлом для металлического клапана; 4 - с упругим ограничителем и седлом клапана с

эластомерным элементом

То То TÖ То То 2 3 4 5 s

а) б)

Рисунок 4.1.6 - Зависимость изотермического индикаторного КПД от степени повышения давления Рвс=0,1МПа, Рн=0,5МПа, S=0,5m, Вц=0,05м: а) тихоходная поршневая ступень, время цикла 2с; б) быстроходная поршневая ступень, время цикла 0,02с: 1 - идеальный закон; 2 - закон при неупругом

ограничителе и седле; 3 - с упругим ограничителем и седлом для металлического клапана; 4 - с упругим ограничителем и седлом клапана с

эластомерным элементом

Представленные результаты свидетельствуют о существенном различии расчётных показателей эффективности рабочего процесса тихоходной компрессорной ступени при учёте тех или иных факторов, влияющих на динамику действительного самодействующего клапана. При описании динамики клапана в соответствии с идеальным законом движения температура достигает максимальных значений по сравнению с другими законами, поскольку масса газа в рабочей камере при данном подходе максимальна. Для клапана с эластомерным элементом за счёт более плотного прилегания запорного органа к седлу (меньшему зазору) удаётся улучшить показатели рабочего процесса по сравнению с клапанами имеющими металлические запорные органы, применяемые в быстроходных машинах это видно из графиков зависимостей коэффициента подачи и изотермического кпд.

На рисунках 4.1.7-4.1.9 представлены параметры рабочего процесса при различных подходах в моделировании динамики клапана при давлениях характерных для тихоходных поршневых компрессоров.

Рисунок 4.1.7 - Зависимость средней температуры нагнетаемого газа от степени повышения давления Рвс=0,1МПа, Рн=5МПа, Б=0,5м, Бц=0,05м; тихоходная поршневая ступень, время цикла 2с:

Т.К 640

590-

С//7_ ^

10 20 30 40 50 €

1-1 - идеальный закон; 2-1 - закон при неупругом ограничителе и седле; 3-1 - с упругим ограничителем; 4-1 - с упругим ограничителем и седлом клапана

с эластомерным элементом. быстроходная поршневая ступень, время цикла 0,02с: 1 - идеальный закон; 2 - закон при неупругом ограничителе и седле; 3 - с упругим ограничителем

Л

1000,80-0,600,400,2010 20 30 ¿0 50

Рисунок 4.1.8 - Зависимость коэффициента подачи от степени повышения давления Рвс=0,1МПа, Рн=5МПа, Б=0,5м, Бц=0,05м; тихоходная поршневая ступень, время цикла 2с: 1-1 - идеальный закон; 2-1 - закон при неупругом ограничителе и седле; 3-1 - с упругим ограничителем; 4-1 - с упругим ограничителем и седлом клапана с эластомерным элементом. быстроходная поршневая ступень, время цикла 0,02с: 1 - идеальный закон; 2 - закон при неупругом ограничителе и седле; 3 - с упругим

ограничителем

п

7

юо

1-1

0,80-

0,60-

0,40-

0,20-

10 20 30 40 50 8

Рисунок 4.1.9 - Зависимость изотермического индикаторного КПД от степени повышения давления Рвс=0,1МПа, Рн=5МПа, Б=0,5м, Бц=0,05м;тихоходная поршневая ступень, время цикла 2с: 1-1 - идеальный закон; 2-1 - закон при неупругом ограничителе и седле; 3-1 - с упругим ограничителем; 4-1 - с упругим ограничителем и седлом клапана с

эластомерным элементом. быстроходная поршневая ступень, время цикла 0,02с: 1 - идеальный закон; 2 - закон при неупругом ограничителе и седле; 3 - с упругим

ограничителем

Результаты, полученные для режимов работы тихоходной ступени со степенью повышения давления до 50 практически соответствуют аналогичным результатам, полученным для 8=5. Видно, что для степени повышения давления более 10 для быстроходных поршневых ступеней температура выходит за допустимые рамки, а коэффициент подачи и кпд стремятся к нулю, то есть ступени перестают работать. Проведённые исследования показали, чтоупрощение методики расчёта динамики клапана при тихоходной схеме значительно влияют на показатели рабочего роцесса и разброс результатов достигает 20%. Для быстроходных схем разница в

полученных результатх при применении той или иной методики расчёта укладывается в 8%.

4.2 Рекомендации по конструированию самодействующих клапанов, содержащие эластомерные элементы, тихоходных поршневых ступеней

Были рассмотрены следующие сечения эластомерных элементов, представленные на рисунке 4.2.1.

а) б) в)

Рисунок 4.2.1 - Сечения испытуемого эластомерно элемента:

а) тор; б) шайба; в) конус

Полученные результаты по уменьшению герметизируемого периметра для рассматриваемых профилей эластомерных элементов представлены на рисунке 4.2.2.

а)

в)

Рисунок 4.2.2 - Уменьшение герметизируемого периметра а) тор; б)

шайба; в) конус

Для определения оптимального соотношения оснований конуса использовался программный комплекс АКБУБ, по которому было определено, что рекомендуемое отношение оснований конуса составляет 1,5. Схема расчета представлена на рисунке 4.2.3.

Рисунок 4.2.3 - Схема выбора оптимального соотношения оснований конуса

На рисунке 4.2.3 позициями 1...П тонкой линией показаны траектории движения вершины эластомерного элемента, жирной линией показаны среднее положение эластомера. При расчете по позициям 1, 2 верхняя кромка эластомерного элемента, из-за жесткости резины, не обеспечивала плотного прилегания к запорному органу (отношение оснований 1:4.1:2), при решении по позициям 4...П (отношение оснований 1:6.1:10), периметр прилегания запорного органа и эластомерного элемента был меньше при рассмотрении с другими профилями.

Так уменьшение периметра герметизации для рассматриваемых профилей может составить до 40% для профиля в виде конуса при отношении оснований равное 1,5, для круглого и плоского сечения эластомерного элемента уменьшение периметра составляет 10.20%.

На рисунке 4.2.4 представлены графики изменения относительного

о* р

периметра (р -— , где Р - текущий периметр, мм; Р0 - периметр проходного р

* к

сечения в седле) от относительного перемещения пластины клапана (к ,

к0

где к - текущее положение запорного органа; ко - максимальное перемещение запорного органа).

Рисунок 4.2.4 - Зависимость изменения относительного периметра от относительного перемещения пластины клапана: 1- конус; 2 - шайба; 3 - тор

При этом результаты проведённых исследований показали уровень деформаций при работе самодействующих клапанов с эластомерным элементом в виде конуса менее 40 % (рисунок 4.2.5).

Рисунок 4.2.5 - График зависимости изменения относительной деформации эластомерного элемента от относительного перемещения

пластины клапана

Анализируя рисунок 4.2.4 видно, что деформации эластомерного элемента в виде тора, имеет линейный характер, что говорит о том, что радиальные деформации равномерно распределяются по оси. Деформации эластомерного элемента в виде шайбы, имеет менее линейный характер, поскольку при сжатии шайбы до 10 %, деформации эластомерного элемента распределяются равномерно, после 10 %, радиальные деформации в направлении оси происходят более интенсивно, так как противоположная сторона шайбы упирается в борт седла. При деформациях эластомерного элемента в виде конуса, график деформации имеет нелинейный характер за счет геометрии конуса, а именно значительное изменение сечения по высоте.

Представлены результаты (рис. 4.2.6, 4.2.7) сравнительных исследований клапана с эластомерным седлом и изменяемой величиной площади проходного сечения седла (А); клапана с эластомерным седлом и неизменяемой величиной площади проходного сечения седла (В); клапана с металлическим седлом и неизменяемой величиной площади проходного сечения седла (С).

А

1,000.800,600.400.20-

~1д 60 90

Рисунок 4.2.6 - Зависимость коэффициента подачи от степени повышения давления при интенсивном внешнем охлаждении цилиндра для времени цикла 2 с: 1 - клапан А; 2 - клапан В; 3 - клапан С

Рисунок 4.2.7 - Зависимость индикаторного изотермического кпд от степени повышения давления при интенсивном внешнем охлаждении цилиндра для времени цикла 2 с: 1 - клапан А; 2 - клапан В; 3 - клапан С

Сравнительный анализ результатов испытаний нового клапана с эластомерным элементом и результатов, полученных ранее и представленных в работах [43, 76], показал улучшение интегральных характеристик компрессорной ступени, например, для коэффициента подачи увеличение составило до 10 % и 30 %, для изотермического индикаторного КПД - до 5 и 10 % по сравнению с клапаном имеющем седло, выполненное из эластомерного элемента и металлического клапана соответственно.

Таким образом, проведённые исследования позволили уточнить существующую методику расчёта рабочих процессов тихоходных поршневых компрессорных ступеней в части моделирования динамики клапана с деформируемым эластомерным элементом и изменения периметра зазора в контакте между запорным органом и седлом. Несмотря на то, что в данном исследовании был рассмотрен частный случай конструкции клапана с деформируемым элементом, можно предположить, что последующая оптимизация геометрии эластомерного элемента и подбор перспективных материалов в качестве эластомерных элементов позволят обеспечить повышение энергетической эффективности рассматриваемой ступени не менее, чем на 10%.

Рисунок 4.2. 8 - Расчётные зависимости средней температуры нагнетания от степени повышения давления в тихоходной ступени для времени цикла

т = 3 с:

1 - без утечек; 2 - с учётом утечек (клапан с эластомерным конструктивным элементом); 3 - с учётом утечек (клапан с металлическими

конструктивными элементами)

Рисунок 4.2.9 - Расчётные зависимости коэффициента подачи от степени повышения давления в тихоходной ступени для времени цикла т = 3 с: 1 - без утечек; 2 - с учётом утечек (клапан с эластомерным конструктивным элементом); 3 - с учётом утечек (клапан с металлическими

конструктивными элементами)

Рисунок 4.2.10 - Расчётные зависимости изотермического индикаторного КПД от степени повышения давления в тихоходной ступени для времени

цикла т = 3 с:

1 - без утечек; 2 - с учётом утечек (клапан с эластомерным конструктивным элементом); 3 - с учётом утечек (клапан с металлическими конструктивными

элементами)

Из представленных расчётных результатов видно, что наличие зазоров в закрытых клапанах приводит к существенному снижению величины коэффициента подачи и КПД. При этом клапаны с эластомерными конструктивными элементами обеспечивают более высокие интегральные характеристики рассматриваемой ступени, чем клапаны с металлическими конструктивными элементами (в диапазоне давлений нагнетания 3,0 - 6,0 МПа коэффициент подачи выше на 10 - 40%, КПД - на 10 - 20%; при давлении нагнетания 7,0 МПа и выше металлические клапаны применять нецелесообразно из-за отсутствия производительности ступени). Как видно из рисунка 4, при увеличении условного зазора снижается средняя температура нагнетания, что объясняется меньшей массой рабочего газа в камере при сохранении интенсивности отвода теплоты сжатия через стенки рабочей камеры. Таким образом, негерметичность самодействующих клапанов в закрытом состоянии, определяемая величиной условного зазора, оказывает

определяющее влияние на как на величину средней температуры нагнетания, так и на другие интегральные характеристики тихоходной длинноходовой ступени поршневого компрессора.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Теоретические и экспериментальные данные, полученные в результате диссертационного исследования, позволяют повысить энергоэффективность длинноходового поршневого компрессора путём применения самодействующих клапанов с эластомерными элементами.

Основные результаты проведённых в диссертации исследований:

1. Экспериментально верифицирована и усовершенствована модель расчёта рабочего процесса тихоходного длинноходового поршневого компрессора с упруго-деформированным эластомерным элементом клапана, позволяющая выполнять расчёты при изменении давления газа в рабочей камере в диапазоне от 0,1 МПа до 10,0 МПа, времени рабочего цикла т= 2.4 с, величине хода поршня Sп = 0,2.0,8 м; разработано программное обеспечение для её реализации.