Совершенствование рабочих органов винтового однороторного компрессора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат наук Миникаев Артур Фаилевич

• Миникаев Артур Фаилевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Миникаев Артур Фаилевич

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Винтовые компрессоры - перспективные машины для энергетических систем

1. 1 Типы винтовых компрессоров

1.2 Перспективы применения винтовых компрессоров в холодильной технике и тепловых насосах

1.3 Однороторный винтовой компрессор

1.4 Оценка влияния различных факторов на эффективность работы ВКО

ГЛАВА 2. Особенности построения рабочих органов ВКО с окружным профилем зуба

2.1 Особенности построения рабочих органов ВКО с прямоугольной формой зуба

2.2 Особенности изготовления рабочих органов ВКО

2.3 Расчёт геометрических параметров рабочих органов ВКО

2.4 Оценка влияния величины зазоров и их конфигурации на действительную производительность ВКО

2.5 Влияние соотношений числа зубьев в рабочих органах на теоретическую производительность

2.6 Расчет геометрических параметров зуба отсекателя. методика оптимизации геометрических параметров

ГЛАВА 3. Аддитивные технологии изготовления рабочих органов ВКО

3.1 Разработка алгоритма проектирования рабочих органов ВКО для изготовления на 3Д принтере

3.2 Оценка перспектив 3Д печати исходя из требований точности изготовления

3.3 Разработка математических моделей для проектирования рабочих органов

ВКО

3.4 Сравнительный анализ различных технологий изготовления рабочих органов

ВКО

3.4.1 Изготовление центрального винта и зуба отсекателя на 3Д - принтере МаркетБот-2

3.4.2 Изготовление центр ального винта-ротора на токар ном обрабатывающем центре «Biglia» 1200 В

3. 5 Особенности стенда для экспериментальных исследований протечки газа

между зубом отсекателя и винтом BKO

3.6 Точность полученных результатов

3.7 Пути совершенствования винтовых однороторных компрессоров

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Список иллюстративного материала

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Тексты основных публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Актуальность р аботы

В настоящее время, наиболее развивающейся и капиталоемкой отраслью, в нашей стране, является машиностроение, в том числе компрессорная техника. Компрессоростроение как губка впитывает в себя новые и новые достижения техники. Приоритетное развитие Российских отраслей экономики является проектирование технологии по созданию компрессоров нового поколения. Так, начиная вкладывать собственный капитал в развитие новых технологий и техники, Российская Федерация имеет научный и производственный потенциал для занятия лидирующей позиции в мире по компрессоростроению. В свою очередь, работа в этом актуальном и научном направлении приводит к расширению сферы применения продуктов научно -технического прогресса, в частности искусственного холода, и, как следствие, к увеличению спроса на высокоэффективные и надежные холодильные компрессоры. Эффективная реализация этого направления требует не только увеличения количества выпускаемых классических холодильных компрессоров и расширения их ассортимента, но и создания более эффективных компрессоров с лучшими массовыми, энергетическими и объемными характеристиками с высокой эксплуатационной надежностью и сроком службы.

Таким образом, винтовые компрессоры широко используются в холодильной технике. Они отличаются высокой эксплуатационной надежностью и значительным сроком службы. Высокие скорости вращения рабочих органов обеспечивают большую производительность, высокую равномерность подачи и стабильность рабочих характеристик при работе по сравнению с поршневыми компрессорами. Двухроторные маслонаполненные винтовые компрессоры (ВКМ)

широко используются в холодильной технике, но это не исключает возможности разработки и использования других типов машин объемного сжатия для повышения эффективности, например, одновинтового винтового компрессора.

Следует отметить, что винтовой компрессор с одним ротором обладает такими преимуществами, как отсутствие помпажной зоны, незначительное изменение производительности и эффективности машины в широком диапазоне изменения соотношения внешних давлений, возможность сжимать хладагенты с различной молекулярной массой без изменения конструкции компрессора.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование рабочих органов винтового однороторного компрессора»

Цель работы

Целью работы является повышение эффективности винтовых однороторных компрессоров путем совершенствования профилей рабочих органов с использованием компьютерного моделирования и аддитивных технологий при их проектировании и изготовлении.

Задачи работы

1. Провести анализ влияния профилей рабочих органов ВКО, на эффективность работы и рассмотреть пути их совершенствования;

2. Разработать математическую модель профиля рабочих органов с оптимальными зазорами;

3. Верифицировать разработанную математическую модель;

4. Разработать способ применения аддитивных технологий при проектировании и изготовление р абочих органов ВКО.

Научная новизна р аботы

Разработана математическая модель и методика расчета высокоэффективных рабочих профилей органов винтового однороторного компрессора.

Методология и методы исследования

При решении данных поставленных задач были использованы теоретические и экспериментальные методы исследования; математическое моделирование, основанное на фундаментальных исследованиях; проверка теоретических и экспериментальных результатов.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы состоит в разработке алгоритма и математической модели для проектирования рабочих органов ВКО с применением аддитивных технологий с оптимальным зазором между рабочими органами.

Практическая значимость заключается в разработке и изготовлении рабочих органов ВКО с применением аддитивных технологий и печати на 3Д принтере. Получения опыта проектирования и изготовления роторов и отсекателей ВКО с применением новых технологий для подготовки производства данного класса машин в нашей стр ане.

Положения выносимые на защиту

1. Влияние зазоров между рабочими органами ВКО на эффективность его работы;

2. Математические модели профилирования рабочих органов ВКО;

3. Пути совершенствования существующих профилей рабочих органов

ВКО;

4. Обоснованные рекомендации по выбору аддитивных технологий для проектирования ВКО.

Апр о б ация р аботы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на многочисленных международных и всероссийских конференциях:

1. XLVI Научная и учебно -методическая конференция Университета ИТМО;

2. III конференция IIR по криогенным технологиям в области наук о жизни - криотерапии и криоконсервации международный;

3. XXV Всероссийский семинар с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям;

4. International Ural Conference on Green Energy (UralCon 2018);

5. XIV International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE);

6. XLVII научная и учебно -методическая конференция Университета ИТМО;

7. VIII Международная научно -техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке»;

8. XLV Научная и учебно -методическая конференция Университета ИТМО

Достоверность научных достижений

Достоверность полученных результатов подтверждается применением аналитических и численных методов анализа, вычислительных и физических экспериментов на базе опытного образца ВКО, сравнительным анализом полученных результатов с данными, опубликованными в научно-технической литературе.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы внедрены на предприятии ОАО «Компрессор» при проектировании и изготовлении опытных образцов ВКО, а также в учебном процессе образовательной программы магистратуры «Проектирование тепломассообменного оборудования и систем жизнеобеспечения» Университета ИТМО.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ. В том числе: 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; 5 работ в журналах с ненулевым импакт-фактором (входящих в международной базу данных Scopus/Web of Science).

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы из 118 наименований и трех приложений. Основная работа изложена на 125 страницах, включая 71 рисунок и 5 таблиц.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность выбранного направления исследования; отмечаются научная новизна, цель, уровень развития предмета, практическая и теоретическая значимость, формулируются основные положения защиты.

Первая глава посвящена анализу видов винтовых компрессоров, в частности однороторных. Рассмотрены конструктивные особенности рабочих органов ВКО, а также влияние различных факторов на эффективность работы ВКО. Поставлены

задачи исследования. Описана основная история развития ВКО. Определены перспективы развития.

Во второй главе описываются основные особенности построения и изготовления рабочих органов ВКО, в частности главного винта и зуба отсекателя. Приводится методика расчёта геометрических параметров рабочих органов ВКО. Рассматривается оценка влияния величины зазоров на их действительную производительность ВКО. Описывается расчет геометрических параметров зуба отсекателя

В третьей главе описаны алгоритмы проектирования рабочих органов ВКО на 3Д принтерах исходя из точности изготовления. Разработана математическая модель для проектирования рабочих органов ВКО. Проведён сравнительный анализ различных технологий изготовления рабочих органов ВКО. Описан экспериментальный стенд для исследований протечек между зубом отсекателя и винтом. Проведен эксперимент по исследованию протечек. Предложены основные пути совершенствования ВКО.

При изготовлении рабочих органов ВКО с прямоугольной формой зубьев используется специализированное оборудование, ВКО с круглой формой зубьев были изготовлены на универсальных обрабатывающих станках. Технологическая схема изготовления центр ального винта показ ана на рисунках (Рисунок. 1 -2).

При расчете геометрических параметров окружного профиля канавок центрального винта-ротора винтового однороторного компрессора использовалась методика, предусматривающая изготовление рабочих органов однороторного компрессора фрезерным способом с применением резца окружного профиля при условии, что рабочая кромка режущего инструмента расположена в плоскости, которая проходит через ось вращения заготовки винта.

На рисунке 3 показаны взаимные расположения рабочих органов однороторного компрессора в горизонтальной и вертикальной плоскостях. На контуре зуба режущего устройства размещается произвольная точка М (Рисунок 3), положение которой определяется углом а. Положительное направление угла задается против часовой стрелки. При повороте отсекающего устройства по

отношению к его оси вращения на некоторый угол ф2 (Рисунок 3) винт-ротор повернется на угол т1 (Рисунок 3) Связь между этими углами можно представить в виде:

^ =ф2

(1)

где Zl и Z2 —число канавок зубьев и ротора нарезающего устройства однако, при условии, что система координат х' 1у' 1 и х'2у' 2 имеют прямую связь с отсекающим устройством и ротором.

Рисунок 1 - Принципиальная схема нарезания винта ВКО с прямоугольным профилем винтовых полостей: 1 - винтовая заготовка; 2 - пластина (режущий

инструмент); 3 - стол станка

Рисунок 2 - Принципиальная схема нарезания винта c прямоугольным профилем зуба отсекателя режущим инструментом, который может вращаться вокруг

продольной оси

Положение точки М на контуре зуба отсекающего устройства в главной системе координат х' 2у' ¿г'2 определяется с использованием систем уравнений:

У2

В

н 2

+ г соб а;

(2)

^2 = г бш а,

<

Рисунок 3 - Расположение рабочих органов однороторного винтового компрессора с профилем окружного вида

Расположение точки М в системе координат x'2y'2z'2 при повороте отсекающего устройства на угол ф2 выражается с помощью уравнения:

У 2 = - *2sin Ф2 + У2cos Ф2;

(3)

x2 = x'2 cos Ф2 + y'2 sin Ф2, v '

При подстановки уравнения (2) в уравнение (3) получим:

D

y - -r0 sin ф sin a + ~^ cos Ф2 + r cos a cos %;

D

x2 = r cos ф cos a + ~^ sin ф2 + r0 cos a sin ф.

Разберем связи между подвижными координатами ротора и координатами отсекающего устройства, которые неподвижны (Рисунок 3):

^Х2 %2 ;

.У1 = aw - У2 '

После подстановки системы уравнений (4) в (5), получаем:

(5)

D

H 2

Х = r sin a cos ф2 +

У1 = aw + r sin a cos Ф2 -

+ r cos a

sin ф2;

D

H2

+ r cos a

(6)

cos ф2.

Переходим от координат винта подвижных x' 1y' 1z' 1 к координатам неподвижным x' 1y' 1z' 1:

- ;

У1 - У1 cos Ti - Zi sin Ti; ^ - у1 sin t - z1 cos t .

(7)

Переходим к рассмотрению бесконечно тонкого отсекателя при толщине 5 =0, при этом z'1 = 0, тогда система уравнений (7) принимает следующий вид:

- Х"1 ;

y = y1 cos Ti; (8)

Zi - yi sin Ti.

После подстановки системы уравнений (7) в (8), получаем следующую систему ур авнений:

Х - r sin a cos ф2 +

D

H 2

+ r cos a

sin ф;

yi -

Z,

aw + r sin a sin ф2

aw + r sin a sin ф2 -

D

H2

+ r cos a

cos ф2

cos

í \ Z2 Фг~ V Zi У

; (9)

D

H2

\ - f \

Z2

cos a cos ф sin

V Zi У

<

<

Представленная система уравнений (9) позволяет определить координаты любой точки зуба отсекателя бесконечно малой величины и профиля окружной формы1 центрального винта -ротора. Стоит отметить, что использование данной методики расчета для 3Д- моделирования рабочих органов винтового однороторного компрессора целесообразно только в случае возможности импортирования массива данных, полученного в результате расчета, в рабочую среду современной системы автоматизированного проектирования (CAD -система). В противном случае полученные результаты расчета не смогут быть использованы при построении твердотельных моделей без дополнительных преобразований и операций.

В то же время следует отметить, что на сегодняшний день проблема протечек сжатой среды в рабочих частях однороторного винтового компрессора с круглой формой зуба является вполне актуальной и востребованной. Для решения проблемы необходимо учитывать особенности конструкции круглой формы зубьев отсекателя, которые входят в зацепление с центральным винтом. Поэтому необходимо рассмотреть исходную систему дифференциальных уравнений гидрогазодинамики с относительным движением во вращающейся системе цилиндрических координат, связанной с зубом отсекателя.

Предполагаем, что система цилиндрических координат r, р, z вращается вместе с рассматриваемым зубом отсекателя, в то время как, ось OZ -параллельна оси отсекателя O'Z' и проходит через центр окружности, которой описан контур зуба в осевой плоскости (Рисунок 4). Промежуток между центром контура зуба и осью вращения отсекателя OO равно т\.

В случае нестационарного движения сжимаемой среды уравнение неразрывности в цилиндрической системе координат имеет вид:

ф | d(pwT) | 1 d(pwp) | ôjpwz) | pwr = Q (10)

ôt ôr r ôp ôz r

где p - плотность рабочей среды; t - время; wr, wp, wz - радиальная, окружная и осевая компоненты относительной скорости потока по отношению к зубу отсекателя.

Дифференциальные уравнения движений сплошных сред для данной рассматриваемой системы координат должны содержать объемные силы инерции, которые описываются уравнением:

I — —

= согт -гс3 • w

(11)

где г' - радиус-вектор, проведенный от оси вращения отсекаетеля в рассматриваемую точку; С3 - вектор угловой скорости винта относительно

отсекателя; W - относительная скорость сплошной среды. Тогда составляющие объёмных сил инерции с учетом уравнения (11) можно записать в виде системы ур авнений:

¥ « (г + Г соз—)+ 2с

з w—

¥— ~ -с32г1 зт—- 2с3

(12)

¥ = 0

При этом дифференциальные уравнения ламинарного движения можно

представить в виде уравнений:

2

dwг w — 1 Ср 2 / ч о ,

—— =---—+ сз(г + Г1 созФ) + 2сз w—+фr;

dt г р Сг

dw- ¡ WrW- 1 Ср 2 • ~ ^ ,

1 -с3г зт—-2с^г + ф;

- + -

dt г рг С— 1 Ср

dt р Сх

+ фг;

(13)

(14)

(15)

здесь р - давление; фТ , ф , ф - члены уравнений, характеризующие влияние

вязкости среды и связанные с касательными напряжениями в потоке Тп, хг— тк, т——, х—2 и х22 соотношениями:

Фг =

Ф- = ф2 =

1 р

1 р

1 р

Схгг + + Тгг - Т-

2 С

Сг Сх

гС— Сх

Сг Сх

- +Сх- + Ст

г

Т

3 гСг 2 С

— 2 — гС— Сг г 3 гС—

(^ • divW) (^ • divW)

(16) (17)

2 С

Сг гС— Сг г 3 Сг

(^ • divW)

(18)

Рисунок 4 - Зацепление рабочих органов винтового однороторного компрессора в

осевой плоскости

В которых / - вязкость динамическая, а ёШ - дивергенция относительной скорости потока, которую можно определить из уравнения:

= 1 • — (гыг ) + 1--ф + (19)

г дг г дф &

Касательные напряжения связаны с компонентами тензора скоростей деформации: £гг, 5гф,5гг, ¡5фф, ,!5гг следующими зависимостями:

Ггг = 2/гг, = 2/„, V = (20)

^ = 2 Аф, ф = 2/5„, ^ = 2/в (21)

При этом следует отметить, что для компонент тензора скоростей деформации спр аведливы следующие выр ажения:

Я. =

дч

дг

0 =1 (дчФ дмг Л

гф

2

ф___ф +.

дг г гдф

л 1 (дч

Я, = -1 —- + -

2 V дг дг дчф ч

о __ф , г

5ФФ= ~ +

гдф г

о _ 1 (дч с^Л = 9

2 V =■*"

___ф

гдф дг

дг

Уравнение энергетического баланса запишем в виде:

Рё = ¿р + Мдис + ¿Мл •

(23)

В приведенном уравнении \ - энтальпия удельная движущейся сплошной среды; Т- температура; Л - коэффициент теплопроводности; Мдис - мощность сил трения диссипируемая в теплоту и связанная с компонентами тензора скоростей деформации уравнением:

N дис =

+ К + 52)+ 2фгг -5фф)2 +(5фф-)2 + (*„ -4)2

(24)

Последний член уравнения, характеризующий теплопроводность, можно представить в виде:

Шу(Л • gгadT) =

д_ дг

(„дТ Л 1 д („ дТ Л д („ дТ Л Л дТ

Л

дг

+ ■

V дг у

Л

г дф V гдф

+ ■

дг

Л

дг

+ ■

V д у

г дг

(25)

При этом в уравнениях (22)^(24) и (25) оператор — можно записать в виде:

ё д д ч д д

— =--+ чг--ь —---+ —

¿г дг дг г дф дг

(26)

Если воспользоваться уравнением неразрывности (26) и уравнениями движения (22)^(25), то можно уравнение энергетического баланса записать как:

д Р * - р ) + 1 ~ (гфЧг1 *)+ 1 • (Р^ф1 *)+ *) = РМгФГ + рМффф +

г дг " "

дг

г дф

дг

+ рмгфг + р(0ъ(г + г еоБф)-чфгБ1иф]+ Ыдис + gгadT);

где ^ = i +1 + w2в + wг2).

При рассмотрении задачи необходимо, добавить к системе дифференциальных уравнений гидрогазодинамики необходимо присоединить калорические и термические уравнения состояния сплошной среды, зависимости, характеризующие её вязкость и теплопроводность, а также граничные и начальные условия. Упрощение полученных зависимостей возможно при оценке порядка расположения всех их элементов, с учетом особенностей течений рабочих сред в узких зазорах, возникающих при зацеплении рабочих органов винтового однороторного компрессора. Расчеты показывают, что если использовать уравнение неразрывности и уравнения движения, то можно получить уравнение энергетического баланса.

Конструктора и исследователи ВКО обнаружили, что идеальное, выравнивание зацепления между рабочим органом и зубом отсекателя получается при бесконечно малой толщине второго. С увеличением толщины зуба отсекателя возникают проблемы, связанные с изготовлением наиболее совершенной формы зуба, которая позволяет получить минимальный зазор с винтом при всех положениях отсекателя. Наиболее близкой к идеальной форме является зуб, выполненный в виде винтового столба. Но даже он не обеспечивает оптимального зазора, что приводит к понижению энергетических характеристик компрессора.

Поскольку невозможно изготовить зуб с толщиной бесконечно малой, в связи с этим возникла проблема разработки метода расчета параметров винтового столба, который бы оптимизировал зазор между винтом и зубом отсекателя ВКО с окружным профилем. Здесь оптимизация зазора между рабочими органами ВКО, означает определение геометрических параметров зуба максимально приближенного к поверхности канавки винта, и в то же время не врезающегося в винт. Подход к данной проблеме, описанный ниже, заключается в определении расстояний от линий центров зубов отсекателя до поверхностей канавки винта в разных плоскостях (перпендикулярно оси отсекателя), в разные моменты времени, отсчитываемого с момента начала зацепления зуба отсекателя до

полного его выхода, и подбору формы зуба отсекателя ВКО по полученными многомерными матрицами.

Главный вид расположения отсекателя и винта ВКО с окружным профилем зуба приведен на рисунке 5. Использованные системы координат показаны на рисунок 6.

Рисунок 5 - Общий вид зацепления винта и отсекателя

Таким образом можно считать, что в базовой плоскости (проходящей через начало оси ОХ), О ¡А зависит только от г, т. е. теоретически можно обеспечить, чтоб в базовой плоскости зазор между поверхностью канавки винта и отсекателя был равен нулю. Но это частный случай, описывающий ситуацию с бесконечно малой толщиной зуба отсекателя, лежащего в базовой плоскости. Для общего случая, проведем плоскость, удаленную от базовой плоскости на АХ и параллельную ей. Рассмотрим расстояние 0]ХАх в этой плоскости. В новой плоскости системы координат ХОЯ смещаются на угол Ах (что объясняется спиральной формой канавки) и на Ах вдоль оси ОХ в системе координат ХОАх.

(28)

«х „ Фх

г,

Причем фх зависит от значения х. По значениям (рх и л* можно определить угол наклона винтового столба, в виде которого изготавливаются зубья отсекателей.

Рисунок 6 - Принципиальная схема расположения системы координат

В связи с тем, что для заданного л* возникают трудности с определением Ах, задача решается путем подбора Ах. Более того, подбираем Ах так чтобы значения X попадали в диапазон от О до ХАх. Через точки X проводим плоскости параллельные базовой плоскости и в этих плоскостях производим расчеты для определения формы зуба максимально прилегающего к поверхности канавки при всех положениях отсекателя, необходимо выбрать минимальные значения 01хАх(а) при различных у, полученные значения 01хАх(у,х) будут описывать искомую форму зуба , а по значениям ах и X можно определить угол наклона винтового столба зуба отсекателя. Методика предложенная выше позволяет рассчитать профиль зуба отсекателя более точно сопряженный с канавками винта при любых геометрических размерах рабочих органов ВКО и их взаимном расположении.

В третьей главе описаны алгоритмы проектирования рабочих органов ВКО для изготовления на ЗД-принтере и на станках ЧПУ. Однако, для решения проблемы профилирования ротора ВКО, на базе уравнений Главы 2 с помощью специальных программ была разработана математическая модель. При решении проблем с профилированием рабочих органов окружной формы ВКО нами были

смоделировать

использованы программы для математического моделирования и построения профилей деталей. Воспользовавшись данными системами, было решено техническое задание, заключавшееся в необходимости (Приложение Б):

- Винт (Рисунок 7) диаметром 160 мм и длиной 160 мм;

- Зуб отсекателя высотой 10 мм и диаметром 60 мм. Для решения проблемы оптимизации зазоров между ними.

Рисунок 7 - Модель винтового ротора

На базе моделирования ротора был смоделирован зуб отсекателя (Рисунок 8).

Более подробно процесс и создание разработки алгоритма моделирования рабочих органов ВКО для решения проблемы оптимизации зазоров между ними с помощью CAD/CAM-систем проектирования описаны в работе. Для реализации модели ротора и зуба отсекателя ВКО в объемной виде, были применены аддитивные технологии. На основе модели, разработанной с применением автоматизированных систем проектирования (CAD/CAM), винт и зуб отсекателя ВКО были напечатаны на ЗД-принтере (Рисунок 9), был использован 3Д- принтер МаркетБот-2 на базе лаборатории ФабЛаб ИТМО. Приблизительное время формирование модели в 100 % объеме около 20 часов.

Рисунок 8 - Итоговый результат винтового ротора и зуба отсекателя

Рисунок 9 - Винт и зуб отсекателя ВКО

По результатам моделирования центрального винта -ротора и разработки управляющей программы для изготовления ротора на токарном обрабатывающем центре «BigHa» 1200 В на базе производственного предприятия АО «НПО «Компрессор» был изготовлен опытный образец винта ротора. Далее представлены основные этапы изготовления опытного образца центрального винта р отора на ЧПУ-станке:

1. Черновая обработка канавок ротора на ЧПУ-станке (Рисунок 10);

2. Чистовая обработка с использованием концевой сферической фрезы (Рисунок 11);

3. Изготовленный образец центрального винта -ротора перед сборкой винтового однороторного компрессора (Рисунок 12).

Рисунок 10 - Черновая обработка центрального винта-ротора на «BigHa» 1200 В

С целью корректности произведенных предположений, также подтверждения математической модели, описанной в том же параграфе, была проведена серия экспериментов на специально смонтированном стенде. На стенде моделировались протечки газомаслянной смеси через узкую плоскую щель. Результаты, полученные в ходе проведения эксперимента, сравнивались с р езультатами численного эксперимента.

Рисунок 11 - Ротор в процессе чистовой обработки на «Biglia» 1200 В

На рисунках 13 -14 представлены центральный винт-ротор в зацеплении с зубьями отсекателя в процессе сборки опытного образца винтового однороторного компрессора.

При проведении опыта на газомасляной смеси следует распылять масло в непосредственной близи от зазора, в ином случае масло будет оседать на стенках и собираться во впадинах, со временем заполняя канавку винта, тем самым перекрывая доступ газу. Из резервуара для масла масляный насос подает масло через маслопровод на форсунку, которая распыляет его в полости перед щелью.

Рисунок 12 - Готовый образец центрального винта-ротора

Рисунок 13 - Центральный винт-ротор в зацеплении с зубьями отсекателя однороторного винтового компрессора

Рисунок 14 - Центральный винт-ротор в зацеплении с зубьями отсекателя однороторного винтового компрессора в сравнении с 3Д моделью

Маслопровод представляет собой металлическую трубку, обмотанную около ресивера с целью выравнивания температур воздуха и впрыскиваемого масла. Затем масло подается на форсунку. Расход масла регулируется вентилем также масляным расходомером. После прохождения газомасляной смеси через зазор, она поступает в маслоотделитель, где происходит отделение масла. Затем масло поступает в резервуар. Термометры и манометры измеряют температуру и давление в нагнетающей магистрали. Газовый счетчик измеряет объем протечки через зазор между винтом и зубом отсекателя.

Главная цель численного эксперимента состояла в оценке протечек между зубом отсекателя и винтом холодильного ВКО с окружным профилем зуба при условии изменяющегося начального давления, т.е. при условиях близких к условиям в рабочей полости ВКО. В большей степени, интересно рассмотрение вопросов протечек газомасляной смеси и зазоров между винтом и обтекателем в совокупности. Следует подобрать зазоры таким способом, чтобы гарантировать наименьшие зазоры и протечки одновременно.

Рассмотрим три варианта протечек:

Первый, протечки между винтом и зубом отсекателя, выполненным в виде винтового столба, без смещения относительно базовой плоскости.

Второй вариант, протечки между винтом и зубом отсекателя выполненных по расчетам формы зуба, со смещением относительно базовой плоскости (т.е. базовая плоскость проходит через середину зуба)

Третий вариант, протечки между винтом и зубом отсекателя выполнен в виде зуба с изогнутой боковой поверхностью, то есть боковая поверхность зуба, контактирующая с винтом, имеет вид в двух сопел направленных друг относительно друга в 180 град идущие друг за другом. Предположение о данном виде поверхности описывалось авторами в работе [87].

Для этого в нашем стенде испытаем различные типы зубьев и сравним их протечки на масловоздушной смеси.

На рисунке 18 изображены зависимости протечек в щели между винтом и зубом отсекателя в зависимости от угла поворота последнего и в зависимости от варианта исполнения зуба отсекателя, где кривые (1-3) соответствуют экспериментальным данным по протечкам на масловоздушной смеси, а кривые (1.1, 2.2, 3.3) соответствуют теоретическим данным по протечкам на масловоздушной смеси при различном угле поворота отсекателя. 1 - зуб с формой наклонного столба (Пронин В.А.), 2 - наклонный столб со смещенным центром (Кузнецов Ю.Л.), 3 - форма зуба изогнутой боковой поверхностью (Миникаев А.Ф.)

Как видно из графиков, наиболее приемлемая форма для зуба отсекателя, с точки зрения уменьшения протечек в рабочих органах, это форма, выполненная в данной работе. Концентрация масла в воздушной смеси 1,5 % масла на м3 объёма. Что соответствует количеству масла в маслозаполненном компрессоре.

Настоящая работа включает целый ряд объективных фактов, подтверждающих необходимость последующего развития ВКО с окружным профилем зуба и организацию их серийного производства в нашей стране. Наличие теоретических решений по профилированию также изготовлению рабочих органов ВКО, обладающих абсолютной мировой новизной, гарантирует патентоспособность и конкурентоспособность машин, имеющих окружной профиль зубьев, на мировом рынке с ВКО классическим профилем.

>

— 1

-2

-3

А 1.1 ♦ 2.2 + 3.3

-40 -20 0 20

Угол повороте зуба отсекателя,

60

о

Рисунок 18 - Зависимости протечек в щели между винтом и зубом отсекателя в зависимости от угла поворота последнего и в зависимости от варианта

исполнения зуба отсекателя

Последующие пути развития данной машины возможны за счет применения имеющихся резервов:

- уменьшения цены производства BKO путем улучшения технологий изготовления рабочих органов, уменьшения материалоемкости, а также унификации подшипниковых узлов и уплотнений;

- упрощение конструкции BKO и совершенствования технологии изготовления и сборки элементов конструкции машины;

- экспериментальной ревизией и доводкой абсолютно всех новых элементов путем моделирования и поэтапных испытаний;

- уменьшения величины зазоров в рабочей части машины (между зубьями винта и отсекателя) до 0,04 - 0,05 мм, а между корпусом (со стороны полостей сжатия и нагнетания) также зубьями обтекателей до 0,02 мм;

- решение оптимизационной проблемы по выбору характеристик рабочих органов BKO (количества заходов центрального винта, углов подъема, ключевых диаметров и числа зубьев обтекателей);

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Миникаев Артур Фаилевич, 2021 год

Литература

1. Пронин В. А. Винтовые однороторные компрессоры для холодильной техники и пневматики: дис... докт. техн. наук. — СПб., 1998, 226 с.

2. Пронин В. А., Желябов В. Л., Коваленко В. В. К вопросу определения геометрических параметров щелей в рабочей части однороторного винтового компрессора // Интенсификация производства и применения искусственного холода: Тезисы докладов Всесоюзной научно технической конференции — Л.: ЛТИХП, 1986, с. 15.

3. Пронин В. А., Носков А. Н. Особенности проектирования рабочих органов винтовых однороторных компрессоров с окружным профилем зуба. // Компрессорная техника и пневматика. 1996. № 1-2 (10-11). с. 60-63.

4. А. С. 1813924 СССР. Однороторная винтовая машина / В. А. Пронин, Г. Н. Ден, И. И. Новиков; опубл. в Б. И., 1992, № 23.

5. А. С. 1479692 СССР. Отсекатель однороторный винтовой машины / В. А. Пронин, В. В. Коваленко, Ю. А. Исаев; опубл. в Б. И., 1989, № 18.

6. Vimmr J., Ondrey F. Numerical simulation of leakage flow between moving rotor and housing of screw compressor // Proceedings of the Conference Modelowanyie Inzynierskie, Gliwice, 2006. No 32, p. 461-468.

7. Chanukya Reddy G. CFD studies on flow through screw compressor. Institute of Technology, Rourkela, 2007, 85 p.

8. Ден Г. Н., Пронин В. А., Воеводский А. А. К расчету протечек через зазоры между полукруглыми зубом отсекате-ля и винтом однороторного маслозаполненного винтового компрессора. Сборник науч. трудов «Исследование и совершенствование конструкций холодильных машин». — Л.: ЛТИХП, 1990. с. 52-59.

9. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. — М.: Наука, 1987. 840 с.

10. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. — М: Наука, 1976. 888 с.

11. Амосов П. Е. Влияние физических свойств газов на скорости вращения винтовых компрессорных машин. // Компрессорное и холодильное машиностроение. 1966. № 4.

12. Гинсбург И. П. Истечение вязкого газа из подвижной щели. // Вестник ЛГУ 1953. № 11. с. 78-87.

13. Гильшфельдер Д. Ж. Молекулярная теория газов и жидкостей. — М.: Иностранная литература, 1961. 929 с.

14. Пронин В. А., Верболоз А. Л. Оценка влияния подвижности стенок щелей на протечки компримируемой среды в винтовом однороторном компрессоре (ВКО) // Вестник Международной академии холода. 2012. № 1.

15. Chen N. Aerothermodynamics of Turbomachinery — Analysis and Design. Singapore, John Wiley & Sons, 2011. p. 448.

16. Пронин В. А., Прилуцкий А. А., Долговская О. В., Подбо-лотова Т. Е. Исследование эффективности работы скруббера при поглощении углекислого газа // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств». 2015. № 4. С. 132-140.

References

1. Pronin V. A. Screw one-rotor compressors for refrigerating equipment and pneumatics: dis... dokt. tekhn. nauk. SPb., 1998, 226 p. (in Russian)

2. Pronin V. A., Zhelyabov V. L., Kovalenko V. V. To a question of determination of geometrical parameters of cracks in working part of the one-rotor screw compressor. Intensification of production and application of artificial cold: Theses of reports

46

ВЕСТНИК МАХ № 3, 2016

of All-Union scientifically technical conference. Leningrad. LTIKhP, 1986, p. 15. (in Russian)

3. Pronin V. A., Noskov A. N. Features of design of working bodies of screw one-rotor compressors with a district profile of tooth. Kompressornaya tekhnika i pnevmatika. 1996. No 1-2 (10-11). p. 60-63. (in Russian)

4. A. S. 1813924 SSSR One-rotor screw car. / V. A. Pronin, G. N. Den, I. I. Novikov; opubl. v B. I., 1992, No 23. (in Russian)

5. A. S. 1479692 SSSR Otsekatel one-rotor screw car / V. A. Pronin, V. V. Kovalenko, Yu. A. Isaev; opubl. v B. I., 1989, No 18. (in Russian)

6. Vimmr J., Ondrey F. Numerical simulation of leakage flow between moving rotor and housing of screw compressor. Proceedings of the Conference Modelowanyie Inzynierskie, Gliwice, 2006. No 32, p. 461-468.

7. Chanukya Reddy G. CFD studies on flow through screw compressor. Institute of Technology, Rourkela, 2007, 85 p.

8. Den G. N., Pronin V. A., Voevodskii A. A. To calculation of leakages through gaps between semicircular tooth of an otsekatel and the screw of the one-rotor maslozapolnenny screw compressor. Collection of scientific works «Research and Improvement of Designs of Refrigerators». — Leningrad, LTIKhP, 1990. p. 52-59. (in Russian)

9. Loitsyanskii L. G. Mechanics of liquid and gas. Moscow, Nauka, 1987. 840 p. (in Russian)

10. Abramovich G. N. Application-oriented gas dynamics. Moscow, Nauka, 1976. 888 p. (in Russian)

11. Amosov P. E. Influence of physical properties of gases on rotational speeds of screw compressor machines. Kompressornoe i kholodil'noe mashinostroenie. 1966. No 4. (in Russian)

12. Ginsburg I. P. The expiration of viscous gas from a mobile crack. Vestnik LGU. 1953. No 11. p. 78-87. (in Russian)

13. Gil'shfel'der D. Zh. Molecular theory of gases and liquids. Moscow. Inostrannaya literatura, 1961. 929 p. (in Russian)

14. Pronin V. A., Verboloz A. L. Assessment of influence of mobility of walls of cracks on leakages of the compressed environment in the screw one-rotor compressor. Vestnik Mezhdunarodnoi akademii kholoda. 2012. No 1. (in Russian)

15. Chen N. Aerothermodynamics of Turbomachinery — Analysis and Design. Singapore, John Wiley & Sons, 2011. p. 448.

16. Pronin V. A., Priluzkii A. A., Dolgovskaya O. V., Podbolotova T. E. Carbon dioxide scrubbing efficiency.

Nauchnyi zhurnal NIUITMO. Seriya «Protsessy i apparaty pishchevykh proizvodstv». 2015. No 4. p.132-140.

Требования к рукописям, представляемым в журнал «Вестник МАХ»

• В начале статьи, слева - УДК;

• После названия статьи - авторы с указанием места работы и контактной информации (e-mail];

• Одновременно со статьей представляется аннотация и ключевые слова на русском и английском языках. Аннотация должна содержать от 200 до 250 слов (приблизительно 1500 печатных знаков). Аннотация должна быть полноценной и информативной, не содержать общих слов, отражать содержание статьи и результаты исследований, строго следовать структуре статьи.

• статьи представляются набранными на компьютере в текстовом редакторе Word 97-2007 на одной стороне листа через 1,5 интервала, размер шрифта 14.

• объем статьи не более 15 страниц (формат A4, вертикальный, 210x297 мм; поля: левое - 2 см, правое - 2 см, верхнее - 2 см, нижнее - 2 см;

• иллюстрации представляются на магнитном носителе в следующем формате: растровые - TIFF-CMYK-300 dpi, TIFF-BM-800 dpi, векторные - EPS-CMYK4

• формулы и отдельные символы набираются с использованием редактора формул MathType (Microsoft Equation), не вставлять формулы из пакетов MathCad и MathLab.

• в статьях необходимо использовать Международную систему единиц (СИ);

• Список литературных источников должен быть оформлен по ГОСТу и содержать ссылки только на опубликованные работы. Номера ссылок в тексте должны идти строго по порядку их цитирования и заключаться в квадратные скобки. Количество пристатейных ссылок не менее 15-20.

Статьи, оформленные с нарушением правил, редакцией не принимаются и возвращаются авторам без рассмотрения по существу. Автор гарантирует отсутствие плагиата и иных форм неправомерного заимствования результатов других произведений.

Данные об аффилировании авторов (author affiliation).

На отдельной странице и отдельным файлом: - сведения об авторах на русском и английском языках: фамилия, имя, отчество полностью, ученая степень, звания (звания в негосударственных академиях наук и почетные звания не указывать), должности основного места работы (учебы); наименование и почтовые адреса учреждений, в которых работают авторы, е-mail.

Статьи принимаются на магнитном носителе и в печатном экземпляре или высылаются на электронный

адрес редакции [e-mail]

Плата за публикации не взимается Дополнительная информация для авторов на сайте http://vestnikmax.com