Совершенствование рабочих процессов и методики расчета поршневых компрессоров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат наук Маковеева Анна Сергеевна

• Маковеева Анна Сергеевна
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Маковеева Анна Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ

1 ПОРШНЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Надёжная и эффективная эксплуатация компрессорного оборудования на современном этапе. Задачи, подходы, решения

1.2 Современные подходы к эксплуатации и ремонту компрессорного оборудования, контролю состояния и методам диагностики

1.3 Конструкции основных узлов современных поршневых Компрессоров в разработках отечественных и

зарубежных специализированных организаций

1.4 Обобщение результатов литературного обзора. Обоснование актуальности темы диссертационной работы

2 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СТУПЕНИ

КОМПРЕССОРА

2.1 Обоснование необходимости совершенствования методики расчета, математической модели ступени поршневого компрессора и программы КОМДЕТ-М

2.2 Алгоритм моделирования новых веществ в программе КОМДЕТ-М версии

2.3 Работа с модернизированной программой КОМДЕТ-М

3 НАТУРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ. ОБОСНОВАНИЕ КОРРЕКТНОСТИ РАБОТЫ МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

4 ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ

4.1 Увеличение надежности работы поршневых компрессоров при содержании в рабочем веществе коррозионно-активных составляющих

4.2 Анализ влияния неплотностей в основных узлах цилиндропоршневой группы поршневых компрессоров на эффективность и безопасность их работы для рабочих веществ

с различными свойствами для штатных и нештатных режимов

4.3 Использование методов математического моделирования для прогнозирования параметров работы малорасходых поршневых компрессоров

4.4 Расширение возможностей программы КОМДЕТ-М при комплектации поршневых компрессоров многокольцевыми клапанами

ЗАКЛЮЧНИЕ

Список условных обозначений

Список литературы

Приложение А (обязательное). Акт внедрения модернизированной

программы КОМДЕТ-М

Приложение Б (обязательное). База данных рабочих веществ

Приложение В (справочное). Характеристические параметры

веществ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование рабочих процессов и методики расчета поршневых компрессоров»

ВВЕДЕНИЕ

Широкое использование сжатых газов, газожидкостных и паровоздушных смесей с различным химическим составом и техническими параметрами в различных отраслях промышленности возможно благодаря применению компрессоров.

При этом следует отметить, что на современном этапе значительно снижается их унификация за счет все более широкого приобретения оборудования предприятиями у зарубежных изготовителей. Ввиду этого значительно увеличивается диапазон параметров работы компрессорных и машин, а также рабочих веществ, используемых при работе оборудования. Также следует отметить, что специфика работы оборудования, работающего в криогенной, нефтеперерабатывающей, газодобывающей, металлургической и прочих отраслях предполагает регулярное изменение химического состава рабочего вещества, что может непредсказуемо отразиться на работе машины. Как правило, изготовитель по согласованию с Заказчиком прорабатывает возможность работы оборудования с рядом фиксированных рабочих веществ, не гарантируя при этом удовлетворительную его работу при незначительном их изменении.

Кроме того, даже на крупных предприятиях, занимающихся эксплуатацией компрессорного оборудования и при наличии собственного конструкторского бюро, в большинстве случаев отсутствует возможность прогнозирования, хотя бы в первом приближении, работы машины при изменении ее режимных параметров, рабочего вещества и оценки вероятности перехода оборудования на близкие к аварийным или аварийные режимы работы.

Отсутствие в РФ специализированного предприятия по разработке, производству и изучению особенностей находящихся в эксплуатации различных типов клапанов поршневых компрессоров (ПК) требует постоянного совершенствования научными организациями методик расчета и

прогнозирования их работы при комплектации ими ПК с различными режимными параметрами и рабочими веществами.

В связи с тенденцией увеличения габаритных размеров цилиндров ПК, важным направлением исследований является изучение возможности работы разработанной в Университете ИТМО математической модели (ММ) и прикладной программы расчета КОМДЕТ-М с органами газораспределения ПК, имеющими в своем составе до десяти независимо функционирующих запорных органов и научного подтверждения необходимости такой модернизации.

В настоящий момент, для повышения эффективности и надежности работы, а также снижения удельной металлоемкости ПК все больше внимания уделяется вопросам оптимизации конструкции полостей примыкающих к цилиндру, а также геометрическим параметрам подводящих и отводящих патрубком.

Изучение конструкций указанных узлов позволяет говорить об имеющихся различиях в подходах между советской и российской научными школами и зарубежными производителями ПК. Дополнительные исследования в данном направлении могут помочь увеличить эффективность и надежность работы отечественных и импортных ПК.

Предотвращение снижения эффективности и надежности работы ПК вследствие износа по различным причинам ряда ее узлов и деталей является важнейшей научной и технической задачей.

В качестве основных направлений исследований следует рассматривать естественные (рекомендуемые разработчиком) сроки замены узлов и деталей, влияющих на эффективность работы ПК и их прогнозирование в условиях реальной эксплуатации с учетом фактических режимных параметров, рабочего вещества, материального исполнения при наличии в составе рабочего вещества коррозионно-активных примесей.

Прогнозирование износа узлов и деталей ПК путем изучения изменения интенсивности утечек и протечек через уплотнительные элементы

и неплотности ступени может помочь в предупреждении ее выхода на нештатные и аварийные режимы.

Недостаточно изученной, по мнению автора, является корректность работы известных ММ при расчете параметров работы ПК с низкой средней скоростью поршня, что актуально, например, для разработок в оборонной промышленности.

Требуются дополнительные исследования в расчете параметров такого оборудования, изучения возможностей программы расчета для оптимизации конструкций его узлов и деталей, подтверждения корректности получаемых результатов путем их сравнения с результатами испытаний натурных образцов.

Исходя из изложенного, автором был выполнен комплекс НИиОКР, направленный на:

- исследование процессов, проходящих в ступенях ПК с учётом степени точности задания химического состава рабочего вещества;

- подтверждение корректности работы математической модели МОД при расчёте тихоходных (до 50 об/мин) ПК;

- изучение влияния на эффективность и надёжность работы ПК неплотностей в поршневых кольцах, сальниковых уплотнениях и самодействующих клапанах для прогнозирования степени изношенности элементов цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) без разборки оборудования;

- обоснование корректности анализа работы ПК в случае замены при исследовании реально используемого многоэлементного клапана на его модель с меньшим числом запорных органов. Решение данного вопроса актуально для множества небольших предприятий, конструкторские бюро которых не имеют в наличии современных программ расчёта ПК;

- исследование ряда других вспомогательных вопросов.

Так, актуальность темы диссертации определяется такими факторами, как

- недостаток у отечественных специализированных предприятий апробированных методик расчёта поршневых компрессоров и оценки технического уровня проектов отечественных и зарубежных организаций;

- недостаточно высокое качество отечественных и импортных поршневых компрессоров, поставляемых на российские предприятия при недостатке экспертов в области комплексной оценки уровня поставляемого оборудования;

- решение задачи по импортозамещению в данной области.

Степень разработанности темы диссертации.

Широкий комплекс исследований в области совершенствования методов расчета и проектирования ПК проводили основоположники данного направления - Н.А. Доллежаль, К.И. Страхович, М.И. Френкель, Т.Ф. Кондратьева, A.M. Архаров, И.К. Прилуцкий, П.И. Пластинин, M.Costagliola, Джиберти, и другие.

В настоящее время, в исследованиях упоминается о наработках, касающихся возможности прогнозирования надежной и эффективной работы поршневых компрессоров на стадии проектирования с целью оптимизации рабочих процессов, принятия оптимальных конструктивных решений, а также оценки вероятности возникновения нештатных ситуаций при эксплуатации, однако результаты исследований по данным направлениям не практически представлены. Кроме того, отсутствуют методики прогнозирования технического состояния оборудования в любой момент времени как при работе в штатном режиме, так и при изменении режимных параметров либо химического состава рабочего вещества, в том числе и при появлении в процессе эксплуатации в его составе коррозионно-активных составляющих. Практически отсутствует информация об исследованиях касающихся оценки влияния неплотностей в основных узлах ЦПГ поршневых компрессоров на эффективность и безопасность их эксплуатации, с возможностью прогнозирования выходов из строя элементов находящегося в эксплуатации оборудования без его разборки.

Основные цели и задачи.

Основной целью работы ставилось совершенствование рабочих процессов и методики расчета поршневых компрессоров.

Для достижения цели был определен комплекс основных задач:

- модернизация существующей ММ ступени ПК;

- совершенствование существующей методики расчета ступени ПК и модернизация соответствующей ей программы КОМДЕТ-М 14.0.0.1 до версии 15.0.0.1, с целью дополнения её возможностей моделированием рабочих веществ произвольного химического состава непосредственно в процессе исследований либо проектирования;

- возможность учета фактической конструкции самодействующих клапанов с числом пластин различного диаметра до 10 единиц при выполнении расчетов ступеней ПК с помощью усовершенствованной математической модели;

- разработка в составе модернизированной программы расчета КОМДЕТ-М версии 15.0.0.1 базы данных основных рабочих веществ, используемых в различных отраслях промышленности;

- экспериментальная проверка корректности результатов, получаемых с помощью усовершенствованной методики расчета и программы расчета КОМДЕТ-М версии 15.0.0.1:

• для газовых и воздушных ПК, находящихся в условиях реальной

эксплуатации;

• для ПК с низким значением средней скорости поршня;

- исследование и оптимизация процессов, проходящих в ступенях ПК, с учётом точного задания химического состава рабочего вещества;

- исследование возможности применения методов математического моделирования для прогнозирования возможности перехода ПК на нерасчётные режимы и предотвращения аварийных ситуаций;

- выполнение расчётно-теоретического исследования, направленного на выявление специфических особенностей протекающих рабочих процессов

и на получение рекомендаций по повышению технического уровня проектируемых или модернизируемых ПК.

Научная новизна.

Научная новизна диссертационной работы заключается в:

- разработке, экспериментальном подтверждении адекватности и внедрении в практику специализированных предприятий усовершенствованной методики расчета поршневых компрессоров;

- разработке в составе программы КОМДЕТ-М базы данных основных рабочих веществ для различных отраслей промышленности, для оптимального проектирования новых и реконструкции находящихся в эксплуатации поршневых компрессоров.

Теоретическая значимость комплекса проведенных исследований заключается во внедрении усовершенствованной методики расчёта для:

- возможности корректного расчета процессов, проходящих во всех полостях рассматриваемой ступени поршневого компрессора с возможностью создания её оптимальной конструкции на стадии проектирования;

- возможности проектирования поршневых компрессоров с обоснованием лучшего из ряда рассматриваемых варианта исполнения ступеней;

- возможности их модернизации, при изменении конструктивных решений исполнения машины в целом, либо ряда её узлов и деталей;

- прогнозирования эффективной и надежной работы узлов и деталей ЦПГ без разборки последней для различных, в том числе и коррозионно-активных рабочих веществ, в широком диапазоне геометрических и режимных параметров для создания новых и модернизации находящихся в реальной эксплуатации поршневых компрессоров.

Практическая значимость:

- возможность создания поршневых компрессоров с оптимальными конструктивными параметрами на стадии проектирования;

- внедрение усовершенствованной методики расчёта в практику специализированных предприятий и в учебный процесс;

- повышение эффективности и надежности работы ПК, находящихся в условиях реальной эксплуатации;

- прогнозирование безаварийной работы ПК без разборки ЦПГ в условиях действующего производства;

- подтверждение адекватности полученных результатов для компрессоров с низкой частотой вращения коленчатого вала;

- возможность оценки эффективности и надежности работы самодействующих клапанов поршневых компрессоров для различных математических моделей и программ расчета;

- возможность расчёта ступеней ПК, укомплектованных самодействующими клапанами с числом пластин различного диаметра до 10 единиц.

Методология и методы исследований.

Для решения цели и задач исследования применены эмпирическо-теоретический и экспериментальный методы. Проведен комплекс работ, включающий в себя натурный и численный эксперименты с использованием методов математического моделирования, с последующим анализом полученных параметров работы ряда поршневых компрессоров.

На защиту выносятся следующие положения:

- усовершенствованная методика расчёта ПК с целью повышения корректности получаемых результатов для принятия оптимальных технических решений, повышающих эффективность и надежность работы поршневых компрессоров, и оперативности работы исследователей;

- база основных рабочих веществ в составе программы КОМДЕТ-М 15.0.0.1;

- адекватность усовершенствованной математической модели ПК при исследовании работы низкооборотных поршневых компрессоров;

- прогнозирование возможности перехода работы оборудования на нештатный режим работы путём исследований влияния на эффективность и надежность работы ПК неплотностей в поршневых кольцах, сальниковых уплотнениях и самодействующих клапанах.

Степень достоверности и апробация результатов.

В качестве модернизируемого объекта используется математическая модель, в основе которой лежат фундаментальные уравнения и эмпирические зависимости, корректность которых неоднократно обосновывалась исследователями, работающими в данном направлении, и подтверждалась организациями, в чей производственный процесс внедрен данный математический аппарат. Также достоверность результатов проведенных исследований, полученных с помощью модернизированной математической модели, подтверждается совпадением результатов натурного и численного экспериментов.

Основные результаты по теме диссертационного исследования опубликованы в 10 научных статьях, в том числе, 3 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 2 статьи в базах цитирования Scopus. Наиболее значимые материалы исследований доложены в 2015-2019 годах на следующих конференциях:

- XLV Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО - 2016. Университет ИТМО, 02.02 - 06.02.2016;

- XLVI Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО -2017. Университет ИТМО, 31.01 - 03.02.2017;

- VIII Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке». Университет ИТМО, 15.11-17.11.2017;

- XLVII научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО. Университет ИТМО, 30.01-02.02.2018;

- XLVIII научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО. Университет ИТМО, 29.01-01.02.2019.

Разработано и издано учебное пособие «Алгоритм создания в программе КОМДЕТ-М рабочих веществ произвольного состава».

Внедрение результатов работы. Результаты работ внедрены на предприятии ООО «ПО «Киришинефтеоргсинтез» для улучшения параметров надежности и эффективности находящихся в эксплуатации компрессоров.

Личный вклад соискателя.

Автором выполнен комплекс научно-исследовательских работ, включающий в себя усовершенствование методики и программы расчета ПК с целью обеспечения возможности учёта фактического химического состава рабочего вещества и подтверждена корректность её работы. Проведены натурный эксперимент и расчетно-теоретические исследования прикладного характера, по результатам которых были предложены технологические и конструкторские решения, получены рекомендации, направленные на повышение эффективности и надежности работы ПК. В составе программы КОМДЕТ-М разработана база основных рабочих веществ.

Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения, перечня условных обозначений, списка литературы (63 наименования) и трех приложений. Работа изложена на 128 станицах машинописного текста, содержит 43 таблицы и 51 рисунок.

1 ПОРШНЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Надежная и эффективная эксплуатация поршневых компрессоров на современном этапе. Задачи, подходы, решения

Интенсивное развитие криогенной, пищевой, нефтехимической и нефтегазовой отраслей, возрастающие требования к эффективности, надежности и безопасности используемого оборудования тесно связаны с возможностью оперативного и достоверного прогнозирования работоспособности и контроля его технического состояния.

По статистике [1] 47% аварий на производстве вызвано, в первую очередь, неудовлетворительным состоянием оборудования. В частности, по данным [2], от потребителей и производителей ПК ряда стран (США, Канада, Великобритания, Франция, Бельгия, Норвегия, Кувейт, Сингапур, Китай, ОАЭ и др.) были получены анкеты, содержащие информацию об отказах систем и составных частей ПК, а также осредненные процентные доли отказов, которые приводят к незапланированным ремонтам, данные о которых представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Отказы по типам узлов, механизмов, деталей ПК

Узлы, механизмы, детали Процент отказов

Клапаны 36

Сальники (уплотнения) под давлением 17,8

Технологический процесс 8,8

Уплотнительные поршневые кольца 7Д

Опорно-направляющие кольца 6,8

Система разгрузки 6,8

Система смазки ЦПГ 5Д

Приборное оснащение (КИПиА) 5Д

Прочие составные части компрессора 3,4

Трубопроводы 1,3

Рамы и ходовая часть 0,7

Таким образом, согласно анализу табличных данных, наиболее уязвимыми и ответственными узлами ПК являются клапаны, сальниковые уплотнения, уплотнительные поршневые кольца и опорно-направляющие кольца. По другим данным, также приведенным в работе [2], 70-90 % выходов из строя компрессорных установок на производствах случаются главным образом из-за поломок клапанов.

В таблице 1.2 [2] представлена информация о стоимости ремонта некоторых компонентов ПК.

Таблица 1.2- Стоимость замены компонентов поршневого компрессора

Узлы, механизмы, детали Относительная стоимость, %

Клапаны <50

Сальники (уплотнения) под давлением <20

Уплотнительные поршневые кольца <20

Опорно-направляющие кольца <7

Шток поршня <2

Гильза цилиндра <0,5

Подшипники <0,5

Проектирование, изготовление и эксплуатация указанных узлов должны проводиться в соответствии с современными, апробированными и достоверными методами, разработке которых в значительной мере и посвящена настоящая диссертационная работа.

Анализ приведенных табличных данных показывает, что при прогнозировании надежной и эффективной работы компрессора значительное внимание следует уделять позициям 1-4 (см. таблицу 1.2), работа которых даже в штатных режимах в настоящее время изучена недостаточно. Особенно ярко это выражено у ПК, сжимающих газовые смеси в широком диапазоне режимных параметров.

Из вышесказанного следует, что особое значение имеет возможность прогнозирования работоспособности оборудования, при его работе в различных

технологических режимах для предотвращения незапланированных ремонтов и внезапных выходов его из строя.

При этом следует уделять внимание вопросам оптимизации технического обслуживания и ремонта оборудования в совокупности с достоверным прогнозированием возможности надежной и эффективной его работы. В настоящее время существуют три основные формы технического обслуживания (ТО) оборудования [1]:

1) реактивное - обслуживание до выхода оборудования из строя;

2) планово-предупредительное (ППР) - ремонты оборудования с четкой периодичностью вне зависимости от состояния оборудования;

3) по фактическому состоянию или планово-диагностический ремонт (ПДР) - ремонт оборудования по мере фактического ухудшения его состояния.

Каждой форме ТО присущи свои достоинства и недостатки. Так, при реактивном обслуживании не требуется высококвалифицированный обслуживающий персонал, а межремонтный интервал может быть довольно длительным. Из недостатков можно отметить невозможность планирования сроков ремонтных работ, прогнозирования времени выхода оборудования из строя, кроме того, велика вероятность серьезных поломок, требующих длительного и дорогостоящего ремонта. Планово-предупредительное обслуживание лишено вышеперечисленных недостатков, однако, как правило, происходит либо раньше, либо позже требуемого срока. К достоинствам ТО по фактическому состоянию можно отнести рост производительности за счет исключения аварийных ситуаций и простоя оборудования, а также своевременное планирование ремонтных работ, что позволяет снизить эксплуатационные затраты. Однако переход на обслуживание по фактическому состоянию требует высокой квалификации персонала, согласованного взаимодействия подразделений как внутри предприятия, так и с внешними контрагентами.

Оптимальным решением, в соответствии с работой [1], является комбинация различных видов ТО для оборудования разной функциональности и степени важности. Поиск наилучшего сочетания различных форм ТО возможен лишь с использованием современного математического аппарата для получения оптимальных характеристик проектируемого и эксплуатируемого оборудования с возможностью прогнозирования сроков выхода из строя отдельных его узлов и деталей.

В работе [26] А. Н. Актуганов, Б.Н. Махонькин, С.В. Мухин и др. отмечают положительный опыт ряда отечественных предприятий, работающих по системе ПДР, заключающийся в уменьшении числа внезапных остановок оборудования, наличие постоянной информации о техническом состоянии оборудования, увеличение межремонтного пробега оборудования, повышение эффективности основного производства от 2 до 10 %. Данная система введена на таком предприятии, как ОАО «ИркутскНИИхиммаш», которым разработана «Информационно-диагностическая система управления эксплуатацией и ремонтом» (ИДСУЭР) в соответствии с принципами системы ПДР [26].

В настоящее время существует много организаций, специализирующихся на обслуживании различного вида оборудования, в частности, поршневых компрессоров. Так, например фирмой NEAC Compressor Service GmbH & Co.KG осуществляются различные виды обслуживания компрессорной техники при монтаже, эксплуатации, ремонте и т.д. Особое внимание в работе [20] А.Н. Рябцев уделяет возможности предсказуемости состояния оборудования в эксплуатации как часть графика обслуживания оборудования, что позволяет спланировать, если это необходимо, остановки для проверки и ремонта, а также уменьшить время простоев оборудования.

Таким образом, в рассмотренных работах, в частности в работе [1], подробно описываются современные подходы к формированию системы оптимального технического обслуживания компрессорного оборудования, однако можно отметить и существенный недостаток: авторами нигде не упоминается о

том, что возможность надежной и эффективной работы оборудования необходимо прогнозировать на стадии его разработки, задолго до покупки, что позволит заранее оценить сроки безотказной работы и вероятность возникновения нештатных ситуаций.

1.2 Современные подходы к эксплуатации и ремонту компрессорного оборудования, контролю состояния и методам диагностики

Проведенный анализ литературы позволил установить, что ряд предприятий и организаций [3, 4, 17], основываясь на собственном опыте эксплуатации оборудования, дают свои рекомендации к ремонту отдельных видов оборудования.

Так, в работе Ю.Л. Смертяка и А. В. Белоуса [3] поднимается вопрос зависимости долговечности основных узлов компрессорного и насосного оборудования от изменений размеров, форм и свойств сопрягаемых деталей в процессе эксплуатации в результате изнашивания. Решение проблемы авторы усматривают в возможности восстановительного ремонта сложных крупногабаритных и ответственных деталей компрессорного и насосного оборудования в результате нанесения толстослойного твердого износостойкого хромированного покрытия и композиционного электрохимического покрытия (КЭП) № + 81С. Подобный ремонт позволяет повысить износостойкость и одновременно снизить производственные затраты. Данная технология освоена на предприятии ОАО «НПАО ВНИИКомпрессормаш» (Украина, г. Сумы), в том числе для ремонта поршневых компрессорных машин различного типа, и применяется для восстановления штоков, а также коренных шатунных шеек коленчатых валов диаметром до 200 мм. Кроме того, предприятием был разработан и внедрен в производство ряд высококачественных масел, которые в настоящее время применяются для смазки компрессоров различных типов.

В этом же направлении работал ряд авторов различных предприятий, таких как ВолгГТУ - ООО «Агромаш», ОАО «Каустик», ООО «Астраханьгазпром», ООО «Лукойл-Волгограднефтепереработка». Авторы работы [4, 17] (Е.И. Тескер, В. А. Гурьев, С. Е. Тескер, М. Н. Сырмолотов и др.) наиболее эффективный способ для борьбы с изнашиванием и выходом из строя рабочих поверхностей видят в новых прогрессивных лазерных технологиях и специальных покрытиях. Так, для повышения износостойкости штоков, пальцев крейцкопфов и других ответственных деталей разработана технология лазерной закалки взамен традиционной закалки ТВЧ. Наиболее перспективным методом для ремонтных производств авторы статьи считают технологии лазерной наплавки. Эффективной технологией формирования поверхностных слоев также является лазерная модификация рабочих поверхностей тонкопленочными фторполимерными твердосмазочными защитными покрытиями.

Несмотря на то, что в рассмотренных статьях отмечены безусловные достоинства разработанных методов для повышения долговечности узлов и деталей различного вида оборудования, авторами нигде не приводится перечень материалов, для которых актуальны данные технологии, состав рабочих газов, наличие или отсутствие капельной влаги и механических включений, условия, при которых проводились испытания, а также насколько широко эти методы применяются в оборудовании отечественных и зарубежных предприятий.

В качестве положительного примера можно привести работу А.П. Сученинова и П.А. Сученинова [11], в которой рассматриваются случаи преждевременного изнашивания деталей уплотнений штоков. Причину авторы видят в водородном изнашивании вледствие протекания трибохимических реакций в зоне фрикционного взаимодействия. Предложен метод снижения влияния водорода, заключающийся в создании на поверхности трения металлоплакирующих пленок, что позволило уменьшить износ деталей примерно в 5 раз. В работе приведены результаты испытаний при использовании данного метода для штоков поршневых водородных компрессоров.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Маковеева Анна Сергеевна, 2019 год

* /

,14' 1 1« V

-

460 Т, К 420

2 к 3

i3' г s

\ /

\ /

\ Р J f

\

1 Г

4 4'

460 Г, К 420

300

О 60 120 180 240 ф.град 360 0 60 120 180 240 ф.град 360 о 0,04

0,08 S, кДж/К 0,16

и

|2

-Г

р

р <

Г С С

Г 1

4 4'

к

л

0,08 S, кДж/К 0,16

м

■воздух

ВСГ-1

Рисунок 4.20а-м - Текущие параметры работы I (а-в), II (г-е), III (ж-и) и IV (к-м) ступеней компрессора при сжатии ВОЗДУХа и ВСГ-1: а, г, ж, к - изменение давления в рабочей камере в зависимости от угла поворота коленчатого вала; б, д, з, л - изменение средней температуры газа в цилиндре в зависимости от угла поворота коленчатого вала; в, е, и, м - тепловая T-S диаграмма Таким образом, положительных результатов испытаний компрессора на рабочем веществе «ВОЗДУХ» недостаточно для гарантии получения комплекса удовлетворительных параметров работы компрессора на другом рабочем веществе.

Характер изменения параметров работы компрессора при сжатии ВСГ-1 принципиально не отличается от случая, когда в качестве рабочего вещества используется ВОЗДУХ, однако вследствие разницы в свойствах газовых смесях, интенсивность изменения вышеупомянутых параметров различна.

Диаграмма T-S, представленная на рисунках 4.20в, е, и, м, позволяет говорить о том, что процессы сжатия (Г-2) и расширения (3'-4) для всех ступеней можно считать близкими к адиабатными.

Поскольку основным рабочим веществом компрессора ПК-15-1-75 является газовая смесь ВСГ-1, а одним из основных требований задания на проектирование является обеспечение объемной производительности Vc.y = 15±1,5 схм /ч, которое не достигается при сжатии компрессором указанной смеси, на следующем этапе ставилась задача исследования возможности увеличения производительности компрессора для случая, когда рабочим веществом является ВСГ-1. Нужно отметить, что компрессоры рассматриваемого типа и назначения должны отвечать необходимым требованиям по виброшумовым характеристикам [49, 63].

Далее рассмотрены способы увеличения производительности компрессора при сжатии ВСГ-1, такие как увеличение объема цилиндра (|D, |Sn), частоты рабочих циклов п при соблюдении условия сп < 0,5 м/с.

Оптимизация конструкции ступеней в случае сжатия рассматриваемым компрессором воздуха не является актуальной, поскольку требуемая производительность обеспечивается при заданных параметрах работы с некоторым запасом, однако, приведенные результаты расчетного исследования могут использоваться при модернизации указанного компрессора или создания аналогичных конструкций с другими параметрами и рабочими веществами.

4.3.2 Влияние частоты рабочих циклов на параметры работы компрессора

Еще одним направлением исследования являлось определение влияния частоты рабочих циклов п при сжатии газовой смеси ВСГ-1 на параметры работы рассматриваемого компрессора.

Нужно отметить, что диапазон изменения частоты рабочих циклов п выбирается исходя из условия, что средняя скорость поршня сп=/(^, п) < 0.5 м/с, и при этом максимальная допустимая частота рабочих циклов п не должна превышать величины 75 цикл/мин.

В таблице 4.14 и на рисунках 4.21-4.22 представлены интегральные и текущие параметры работы IV ступени компрессора ПК-15-1-75 с линейным приводом при изменении частоты рабочих циклов п для случая, когда рабочим веществом является ВСГ-1.

Таблица 4.14 - Интегральные параметры работы IV ступени компрессора при

сжатии ВСГ-1 и переменной частоте рабочих циклов

Параметр Размер мерность Частота эабочих циклов п, цикл/мин

40 45 50 55 60 65

Сп м/с 0,267 0,3 0,333 0,367 0,4 0,433

Рв с МПа 2,686

Рш 7,666

Результаты контрольного расчета

1пд кг/ч 2,022 2,398 2,7677 3,1299 3,4977 3,865

Лтв.у 0,43 0,429 0,428 0,427 0,425 0,424

Ус.у (ном —>■ 15±1,5) 3/ Стм /ч 11,088 13,152 15,18 17,166 19,182 21,198

^^ИНД.А кВт 0,65 0,731 0,811 0,891 0,971 1,052

^ном.А 0,646 0,727 0,807 0,886 0,966 1,046

%вс / %нг % 0,3/0,3 0,2/0,3 0,2/0,3 0,2/0,3 0,2/0,3 0,3/0,3

Лиз.ИНД - 0,578 0,61 0,634 0,653 0,669 0,683

Тъ к 419,9 423,0 422,4 422,7 423,6 424,9

т4 314,0 316,1 315,0 314,7 314,9 315,4

338,9 337,7 336,5 335,8 335,3 335,0

т2 452,3 451,5 450,1 449,3 448,8 448,5

т 1 нг.ц.ср. 433,92 437,1 437,52 438,62 439,52 440,43

т 1 стн 421,81 425,32 423,71 422,66 421,8 421,38

Р\ МПа 2,687 2,687 2,688 2,686 2,687 2,688

Ръ 7,639 7,6 7,607 7,608 7,619 7,622

X - 0,6290 0,6631 0,6888 0,7081 0,7254 0,7399

хд 1,0003 1,0005 1,0009 1,0000 1,0003 1,0008

X т 0,9825 0,9862 0,9895 0,9917 0,9932 0,994

X о 0,8998 0,9026 0,9029 0,9032 0,9036 0,9043

ДА. о.ВС -0,0013 -0,001 -0,0008 -0,001 -0,0007 -0,0005

ДА, о.НГ -0,0002 0,0011 0,001 0,0009 0,0008 0,0007

^пр 0,1231 0,1087 0,0987 0,0912 0,0840 0,0783

^в.у 0,1337 0,1186 0,1065 0,0965 0,0882 0,0812

Qcp.ii в ступени Дж -1581,2 -1353,5 -1126,7 -954,64 -820,77 -717,3

Qcp.ii в пол.ВС -181,47 -136,78 -109,76 -90,382 -75,574 -65,058

Qcp.ii в пол.НГ -1249,9 -1079,3 -887,78 -74,258 -628,4 -539,33

Qcp. в цил-ре -150,62 -137,39 -129,11 -121,68 -116,79 -112,92

Уплотнительный узел поршня

ДАж1 МПа 0,537 0,46 0,468 0,475 0,482 0,488

ДРпк 2 0,641 0,571 0,578 0,584 0,591 0,597

ДАЖЗ 0,753 0,743 0,745 0,747 0,748 0,75

ДРпк 4 2,315 2,46 2,444 2,429 2,415 2,401

^хр ПК 1 Вт 12,649 11,155 12,617 14,157 15,737 17,379

^хр пк 2 13,482 13,6 15,27 16,977 18,708 20,47

^хр пк 3 15,671 17,412 19,403 21,382 23,374 25,37

^хр пк 4 46,474 55,504 61,295 66,994 72,671 78,284

Х^хр.пК 88,275 97,671 108,58 119,51 130,49 141,50

42,565 47,77 53,084 58,373 63,686 68,993

Ихр.З 130,84 145,44 161,67 177,88 194,18 210,49

^хр.со 52,336 58,176 64,667 71,153 77,67 84,198

Л мех - 0,780 0,782 0,782 0,781 0,781 0,781

а б в

Рисунок 4.21 - Изменение параметров работы IV ступени компрессора: а - массового расхода; б - внешних утечек рабочего вещества; в - относительных протечек и внешних утечек рабочего вещества в зависимости от частоты рабочих циклов п при сжатии ВСГ

7.5 р, МПа 5.5 4.5 3.5 2.5

2

\ / 2 3

\

\

\

\

\

\

1 Р

1 /1' 1 1' с

4

450 Г, К 410 390 370 350 330 310

0

60

120

180 240 Ф-град 360

60

120 180 240 ф. град 360

5

<З.Дж -35 -55 -75 -95 -115 -135 -155

3' РГ4 2

в щш 199 11 71 ж

5

(¿Дж -35 -55 -75 -95 -115 -135 -155

91 4_ -С- [г 1 1 1 ■ 2

дер в цил- 1 )2 Д/ к

_! _ _ _ _ _

О

60

120

180 д

240 ф. град 360

О

60

120 180 240 ф. град 360

п = 40 цикл/мин

п = 50 цикл/мин

п = 65 цикл/мин

Рисунок 4.22 - Текущие параметры работы IV ступени компрессора при сжатии

ВСГ-1 и изменении частоты рабочих циклов п: а - изменение давления в рабочей камере в зависимости от угла поворота коленчатого вала; б - изменение средней температуры газа в цилиндре в зависимости от угла поворота коленчатого вала; в - тепловая Т-Б диаграмма; интенсивность теплообмена в ступени компрессора в различных процессах рабочего цикла при: г - п = 40 цикл/мин; д - п = 50 цикл/мин;

е - п = 65 цикл/мин

Полученные результаты расчетов позволяют говорить о следующем:

1. при увеличении частоты рабочих циклов до п = 50 цикл/мин объёмная производительность Усу возрастает до 15,18 стм /ч, что удовлетворяет требованиям технического задания, при этом средняя скорость поршня не превышает допустимую величину и составляет сп= 0,333 м/с при сохранении существующего хода поршня Б = 200 мм. Нужно отметить, что имеется существенный резерв по увеличению производительности за счет увеличения п при соблюдении условия сп < 0,5 м/с: при п = 65 цикл/мин Усу = 21,198 стм /ч, сп = 0,433 м/с. При необходимости достижения большей производительности, п может быть увеличена до 75 цикл/мин, при этом сп = 0,5 м/с;

2. индикаторная мощность ступени Ыинд в рассматриваемом диапазоне увеличения п возрастает с 0,65 до 1,052 кВт (на 38%), потери энергии на всасывании %вс и нагнетании %нг практически не зависят от частоты рабочих циклов п. При это удельная мощность Муд при этом снижается на 17% - с 0,059 (при п = 200 цикл/мин) до 0,05 (кВт-час)/стм (при п = 65 цикл/мин);

3. изотермический индикаторный КПД ступени компрессора г|изинд при увеличении частоты рабочих циклов п с 40 до 65 цикл/мин возрастает на 18%:

Т/из.инд. = ^ (4.6)

где ТУиз - мощность, затрачиваемая на сжатие и перемещение газа при изотермическом процессе, кВт;

Ык - мощность на валу компрессора, кВт.

^из Рве/ ' Кзс

■ МРнгг/Рвс/Х (4.7)

где /?вс1 - давление всасывания на первой ступени компрессора, Па; Увс - объемная производительность компрессора при условиях всасывания, Ръсъ ~ давление нагнетания на последней ступени сжатия, Па.

А^к = лид/77мех, (4.8)

где т|мех - механический КПД компрессора; ]Чинд индикаторная мощность компрессора, кВт.

На основании (4.6), (4.7), (4.8), рост изотермического индикаторного КПД Лиз.инд объясняется более интенсивным ростом Ус у относительно Ыинд ;

4. температура газа в стандартной точке нагнетания ступени 7'стн, средняя температура нагнетания газа в цилиндре, Гнг.цхр находятся в пределах допустимых значений ( 7'стн < 453 К) и по мере увеличения частоты рабочих циклов п меняются незначительно;

5. при увеличении частоты рабочих циклов п с 40 до 65 цикл/мин имеет место снижение относительных внешних утечек ув.у (на 39%) и относительных протечек газа через закрытые клапаны уир (на 37%), в результате чего наблюдается рост коэффициента подачи X на 15%;

6. средний за цикл перепад давления на последнем кольце 1Уступени Др 4 кольцо меняется весьма незначительно по мере возрастания п;

7. по мере роста п наблюдается увеличение затрат мощности на преодоление трения в поршневых кольцах (Х^тр.пк), в узле поршень-цилиндр (Х^тр.п-ц), при возвратно-поступательном движении (К^) и при вращательном движении элементов ступени;

8. механический КПД г|мех [50] при увеличении частоты рабочих циклов п практически не меняется, что объясняется одинаковой интенсивностью роста индикаторной мощности 1"ТиндИ производительности по условию всасывания

_ ^инд'^из.инд..

'/мех Лг 5

"из

9. диаграммы р =/(ср), а также температурные диаграммы Т /(ср) для различных частот рабочих циклов п практически совпадают;

10. процессы сжатия и расширения близки к адиабатным, что показывает Т-Б диаграмма на рисунке 4.22в;

11. диаграммы, представленные на рисунке 4.22г-е демонстрируют интенсивность теплопередачи для различных процессов цикла при изменении частоты рабочих циклов п с 40 до 65 цикл/мин. Из рисунка 4.22г-е видно, что независимо от величины средней скорости поршня, наиболее интенсивный теплообмен имеет место в процессах сжатия (Г-2) и нагнетания (4'-1). Следует отметить, что для

всех рассматриваемых случаев характер протекания процессов теплообмена имеет аналогичный характер.

Исходя из полученных в ходе проведенного исследования результатов, требуемая производительность IV ступени может быть достигнута при п = 50 цикл/мин.

Интегральные параметры работы всех ступеней компрессора при сжатии ВСГ-1, частоте рабочих циклов п = 50 цикл/мин и неизменных прочих параметрах представлены в таблице 4.15.

Таблица 4.15 - Интегральные параметры работы компрессора при сжатии

ВСГ-1 и частоте рабочих циклов п = 50 цикл/мин

Параметр Размерность Номер и диаметр ступени сжатия, мм

1-280 II-145 III-80 IV-45

Сп м/с 0,333

п цикл/мин 50

Рв с МПа 0,081 0,274 0,9 2,8

Рш 0,366 0,95 2,86 7,666

Результаты контрольного расчета

М кг/ч 3,7945 3,6324 3,3752 2,936

AMB.V 0,058 0,162 0,254 0,437

Vc.y (ном —>■ 15±1.5) 3/ СтМ /ч 20,814 19,92 18,51 16,104

^инд кВт 1,38 1,038 0,94 0,81

NH0M 1,318 1,01 0,922 0,806

%вс / %нг % 3,1/1,6 1,8/1,1 1,2/0,8 0,2 / 0,3

Лиз.ИНД - 0,706 0,764 0,73 0,647

Тъ к 360,4 393,9 424,3 419,0

т4 247,8 273,9 301,5 315,9

323,9 329,8 332,6 336,1

т2 459,5 454,4 454,5 444,6

т 1 нг.ц.ср. 425,84 437,03 445,51 433,17

т 1 стн 383,85 394,94 407,69 420,32

Р\ МПа 0,081 0,273 0,9 2,8

Ръ 0,365 0,947 2,854 7,608

Pl кг/м 0,131 0,437 1,423 4,347

Рз 0,534 1,265 3,511 9,304

X - 0,7767 0,8468 0,7876 0,7013

К 0,9964 0,9994 1,0003 1,0001

Хр - 0,9973 1,0096 1,0013 0,9907

Х0 0,8086 0,8863 0,8826 0,9088

вс -0,0005 -0,0004 -0,0001 -0,0008

пг -0,0 0,0002 0,0002 0,0008

^пр 0,0155 0,01 0,0371 0,0947

^в.у 0,0118 0,0377 0,0592 0,1044

Qcp.ii в ступени Дж -1128,9 -733,25 -600,9 -1069,4

Qcp.ii в пол.ВС -40,284 -58,6 -52,81 -110,56

Qcp.ii в пол.НГ -365,53 -358,47 -381,39 -829,6

Qcp. в цил-ре -723,13 -316,18 -166,7 -129,29

Уплотнительный узел поршня

ДАж1 МПа 0,025 0,079 0,193 0,477

\Рпк2 0,029 0,108 0,235 0,589

\Рпк 3 - 0,186 0,26 0,762

А^ПК4 - - 0,72 2,511

^хр ПК 1 Вт 35,013 20,94 16,957 12,838

^хр пк 2 32,56 23,306 16,859 15,543

^хр пк 3 - 35,03 18,309 19,811

^хр.пк4 - - 46,593 62,927

Х^хр.пК 67,574 79,275 98,717 111,118

^хр.п-Ц 34,707 47,795 55,297 54,476

102,281 127,07 154,014 165,594

Х^хр.со 40,912 50,828 61,606 66,238

Лмех.г - 0,906 0,854 0,813 0,778

Л мех. к = 1 / |1 + Г(ШХо.8+ ^хр.ю) / Жшд11 =0,844

Таким образом увеличение частоты рабочих циклов п позволяет достичь улучшения основных параметров работы компрессора, в частности, при п = 50 цикл/мин для случая, когда рабочим веществом является ВСГ-1 (см. таблицу 4.15), при заданных геометрических параметрах ступеней, принятых промежуточных давлениях, средней скорости поршня сп< 0,5 м/с, объёмная производительность компрессора, приведенная к стандартным условиям всасывания Ус у= т/рвс.1, удовлетворяет требованиям технического задания на проектирование и на выходе из IV ступени компрессора составляет Усу = 16,104 стм /ч. Максимальный перепад давления наблюдается на последнем кольце IV ступени \рикл = 2,511 МПа и не превышает допустимой величины \рикл = 3,0 МПа; темпе-

ратуры газа на выходе из ступени не превышают допустимые величины: Гстн < 453 К; максимум утечек через уплотнения поршня и протечек закрытые клапаны достигает на 4-й ступени.

Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод о целесообразности применения данного метода для достижения требуемых параметров работы компрессора. При этом следует иметь в виду возможное изменение уровня шума в компрессоре, что не исследовалось в данной работе.

4.3.3 Влияние величины хода поршня на параметры работы компрессора

Рассмотрено влияние величины хода поршня Sn при сжатии рабочего вещества ВСГ-1 на параметры работы рассматриваемого компрессора.

Диапазон изменения хода поршня Sn для проведения численного эксперимента был выбран исходя из условия, что средняя скорость поршня cn = /(1S, п) < 0,5 м/с при постоянной величине частоты рабочих циклов n = const. Максимальный допустимый ход поршня при этом составляет Sn = 375 мм.

В таблице 4.16 и на рисунках 4.23-4.30 представлены интегральные и текущие параметры работы четвертой ступени компрессора ПК-15-1-75 с линейным приводом при изменении частоты хода поршня Sn для случая, когда рабочим веществом является ВСГ-1.

Таблица 4.16 - Интегральные параметры работы IV ступени компрессора при сжатии ВСГ и переменном ходе поршня

Параметр Размер-мерность Ход поршня Sn, мм

200 220 250 280 330 360

Сп м/с 0,267 0,293 0,333 0,37 0,44 0,48

Рв с МПа 2,686

Рш 7,666

Результаты контрольного расчета

m кг/ч 2,022 2,3251 2,7592 3,187 3,9065 4,3378

Лтв.у кг/ч 0,43 0,43 0,431 0,431 0,431 0,431

Ус.у(ном-> 15±1,5) 3/ СТМ /Ч 11,088 12,75 15,132 17,478 21,426 23,79

^инд кВт 0,65 0,715 0,811 0,906 1,066 1,163

^ном 0,646 0,711 0,807 0,902 1,061 1,156

Хвс / %НГ % 0,3/0,3 0,2/0,3 0,2/0,3 0,2/0,3 0,3/0,3 0,3/0,3

Лиз.ИНД - 0,578 0,604 0,632 0,654 0,681 0,693

Тъ К 419,9 429,3 429,4 429,5 429,4 428,6

Т4 314,0 320,6 320,3 319,8 319,1 318,4

Тх 338,9 339,0 338,7 338,5 338,4 338,2

Т2 452,3 453,0 452,1 451,6 450,7 449,9

т 1 нг.ц.ср. 433,92 439,87 440,49 441,27 441,17 440,94

т 1 стн 421,81 431,99 432,47 433,0 433,61 433,96

Р\ МПа 2,687 2,688 2,689 2,686 2,688 2,688

Ръ 7,639 7,618 7,617 7,618 7,631 7,687

X - 0,6290 0,6576 0,6867 0,7082 0,7365 0,7497

хд 1,0003 1,0006 1,0010 1,0001 1,0007 1,0008

X т 0,9825 0,9822 0,9832 0,9836 0,9841 0,9845

X 0 0,8998 0,9041 0,9043 0,9043 0,9041 0,9041

^Х о.вс -0,0013 -0,0009 -0,0007 -0,0009 -0,0004 -0,0006

^Х о.нг -0,0002 0,0006 0,0005 0,0007 0,0003 0,0006

^пр 0,1231 0,1095 0,0963 0,0858 0,0726 0,0666

Vв.y 0,1337 0,1217 0,1072 0,0957 0,0813 0,0745

Qcp.ii в ступени Дж -1581,2 -1449,4 -1156,5 -959,61 -758,00 -685,7

Qcp.ii в пол.ВС -181,47 -136,73 -101,05 -76,937 -51,778 -43,32

Qcp.ii в пол.НГ -1249,9 -1152,0 -870,19 -673,65 -454,8 -363,63

Qcp. в цил-ре -150,62 -160,66 -185,27 -209,02 -251,42 -278,75

Уплотнительный узел поршня

ДР I кольцо МПа 0,537 0,45 0,448 0,446 0,443 0,442

Др 2 кольцо 0,641 0,565 0,566 0,566 0,568 0,568

Др 3 кольцо 0,753 0,742 0,743 0,743 0,744 0,745

Др 4 кольцо 2,315 2,477 2,477 2,476 2,476 2,475

^хр пк1 Вт 12,649 10,668 12,068 13,474 15,774 17,173

^хр пк2 13,482 13,166 14,974 16,793 19,835 21,64

^хр.пкЗ 15,671 17,003 19,346 21,677 25,58 27,934

^хр.пк4 46,474 56,643 62,092 69,515 81,928 89,349

Х^хр.пК 88,275 95,481 108,48 121,459 143,117 156,095

Х-^тр.П-Ц 42,565 46,707 53,058 59,388 69,966 76,299

Ихр.З 130,84 142,188 161,538 180,847 213,083 232,394

^хр.со 52,336 56,875 64,615 72,339 85,233 92,958

Л мех - 0,780 0,782 0,782 0,782 0,781 0,781

7,5 р, МПа

2,5 -г Г ----- 310 -I-1—---------- 310

0 60 120 180 240 ф.грвд 360 0 60 120 180 240 ф.грВД 360 1 3 5 7 9 11 13 3,Дж/К 19

а б в

- Бд = 200 мм -Бд = 250 мм

-Бд = 360 мм

Рисунок 4.24 - Текущие параметры работы IV ступени компрессора при

сжатии ВСГ-1 и изменении величины хода поршня Бд: а - изменение давления в рабочей камере в зависимости от угла поворота коленчатого вала; б - изменение средней температуры газа в цилиндре в зависимости от угла поворота коленчатого вала; в - тепловая Т-Б диаграмма

Рисунок 4.23 - Изменение параметров работы IV ступени компрессора: а - массового расхода; б - внешних утечек рабочего вещества; в - относительных протечек и внешних утечек рабочего вещества в зависимости от величины ходя поршня Бд при сжатии ВСГ-1

320 Э,

320 Я

, мм 360

4,5 П1, кг/ч 4

320 8, мм 360

0,44 Аш кг / ч

0,42

мм 360 200

Полученные результаты расчетов позволяют сделать следующие выводы: 1. при увеличении хода поршня до Бд = 250 мм объёмная производительность у возрастает до 15,132 стм /ч, что удовлетворяет требованиям технического задания, при этом средняя скорость поршня не превышает допустимую величину и составляет сп= 0,333 м/с при сохранении существующей частоты рабочих

циклов п = 40 цикл/мин. Имеется существенный резерв по увеличению производительности за счет возможности увеличения Бд при соблюдении условия сп < 0,5 м/с - при Бд = 360 мм, Ус у = 23,79 стм /ч, сп = 0,48 м/с. При необходимости достижения большей производительности, Бд может быть увеличен до 375 мм, при сп = 0,5 м/с;

2. индикаторная мощность ступени 1"Тинд. при увеличении хода поршня Бд с 200 до 360 мм возрастает с 0,65 до 1,163 кВт (на 44%), потери энергии на всасывании Хвс и нагнетании %нг меняются незначительно по мере изменения Бд. Удельная мощность Мудпри этом снижается на 17% - с 0,059 (при Бд = 200 мм) до 0,049 кВт-час/стм (при Бд = 360 мм);

3. изотермический индикаторный КПД 1Уступени компрессора г(ИЗИНд в результате увеличения хода поршня с 200 до 360 мм возрастает на 16,6%, за счет более высокой интенсивности роста Ус у относительно 1Чинд.

4. температуры газа на выходе из ступени находятся в пределах допустимых значений и не превышают 453 К;

5. при увеличении хода поршня с 200 до 360 мм имеет место снижение относительных протечек газа через неплотности в закрытых клапанах уир на 46% и относительных внешних утечек газа через уплотнения поршня на ув.у на 44%, в результате чего коэффициент подачи X возрастает на 16% (с 0,629 до 0,7497);

6. средний за цикл перепад давления на последнем кольце IV ступени Др 4 кольцо меняется весьма незначительно по мере увеличения Бд и находится в рекомендуемом диапазоне;

7. затраты мощности на преодоление трения в поршневых кольцах (Х^тр.пк), в узле поршень-цилиндр (Х^гр.п-ц), при возвратно-поступательном движении (^тр в) и при вращательном движении элементов ступени (Н,,) возрастают вместе с увеличением хода и средней скорости поршня;

8. механический КПД г|мех, практически не меняется.

Таким образом, на основании представленных выше результатов расчетов, выбрана оптимальная для рассматриваемого случая величина хода поршня Бд = 250 мм.

Результаты, полученные в ходе выполнения настоящего исследования при Бд = 250 мм, имеют значительное сходство с данными, представленными в таблице 4.14, где требуемая производительность достигалась за счет увеличения частоты рабочих циклов до п = 50 цикл/мин.

В таблице 4.17 приведены параметры работы компрессора при величине хода поршня Бд = 250 мм для случая, когда рабочим веществом является ВСГ-1.

Таблица 4.17 - Интегральные параметры работы компрессора при сжатии ВСГ-1

и величине хода поршня Sn = 250 мм

Параметр Размерность Номер и диаметр ступени сжатия, мм

1-280 II-145 III-80 IV-45

Sn мм 250

Сп м/с 0,333

Результаты численного эксперимента

Рв с МПа 0,081 0,274 0,902 2,8

Риг 0,362 0,95 2,85 7,666

а/Ъш % / мм 6,25 / 2,0 6,0/1,0 8,0 / 0,3 8,0 / 0,3

т кг/ч 3,7883 3,6236 3,3621 2,9268

Лтв.у 0,058 0,165 0,258 0,44

Vc.y (HOM-> 15±1,5) 3/ СтМ /ч 20,778 19,872 18,438 16,05

^инд кВт 1,368 1,036 0,936 0,81

NH0M 1,306 1,007 0,918 0,806

%вс / %нг % 3,2/1,6 1,8/1,1 1,2/0,8 0,2/0,2

Лиз.ИНД - 0,706 0,762 0,727 0,645

Тз к 363,1 394,9 424,5 425,0

Т4 249,8 275,5 302,7 320,7

Тх 325,8 332,0 335,0 338,1

Т2 459,4 455,3 455,7 446,9

т 1 нг.ц.ср. 426,51 437,16 445,88 435,72

т 1 стн 390,72 402,92 416,59 428,26

Р\ МПа 0,081 0,275 0,902 2,8

Ръ 0,361 0,946 2,842 7,608

X - 0,775 0,841 0,783 0,699

хд 0,996 0,999 1,000 1,0002

X т 0,991 1,003 0,994 0,985

X О 0,812 0,886 0,882 0,91

^Х о.ВС -0,0004 0,0 -0,0 -0,0008

^Х о.НГ 0,0 0,0003 0,0005 0,0007

Vnp 0,0149 0,0084 0,0338 0,0923

^в.у 0,0119 0,0384 0,06 0,105

Qcp.ii в ступени Дж -1317,6 -839,34 -658,31 -1092,0

Qcp.ii в пол.ВС -41,035 -57,599 -50,769 -101,28

Qcp.ii в пол.НГ -384,92 -371,62 -381,77 -806,65

Qcp. в цил-ре -891,68 -410,13 -225,77 -184,05

Уплотнительный узел поршня

ДАж1 МПа 0,022 0,075 0,184 0,458

\Рпк2 0,031 0,101 0,213 0,577

ДАжЗ 0,193 0,266 0,759

ДАЖ4 0,799 2,542

^хр пк1 Вт 32,915 19,473 15,293 12,316

^хр пк2 33,664 22,967 16,377 15,258

^хр пкЗ 36,109 18,488 19,748

^хр пк4 47,382 63,701

Х^хр.пк 66,579 78,549 97,54 111,023

^хр.п-Ц 34,399 47,873 55,263 54,452

100,978 126,423 152,803 165,475

Х-^хр.ю 40,391 50,569 61,121 66,19

Лмех.г - 0,906 0,854 0,814 0,778

Л мех. к = 1 / {1 + Г(ПКхр.8+ INxp.ro) / Ж^Ц = 0,844

Повышение средней скорости поршня сп путем увеличения его хода 8П позволяет достичь улучшения основных параметров работы компрессора, в частности, при Бд = 250 мм (сп < 0,5 м/с), объёмная производительность компрессора, приведенная к стандартным условиям всасывания Усу = т/рВС1, удовлетворяет требованиям технического задания на проектирование и на выходе из IV ступени компрессора составляет Усу = 16,05 стм /ч. Максимальный перепад давления на последнем кольце IV ступени достигает \рик.4 = 2,542 МПа и не превышает допустимой величины 3,0 МПа; температуры газа на выходе из ступени не превышают допустимые величины: Гстн < 453 К; максимум относительных утечек через уплотнения поршня и относительных протечек закрытые клапаны достигает на IV ступени.

Таким образом, исходя из того, что компрессор обеспечивает требуемую объемную производительность Ус.у, и прочие параметры его работы вполне удо-

влетворительны, можно говорить о целесообразности проведения рассмотренной модернизации для низкооборотных компрессоров.

Поскольку при увеличении хода поршня Бд может повышается металлоемкость, вопрос о применении рассматриваемого метода увеличения эффективности работы компрессора следует решать с учетом данного фактора.

4.3.4 Влияние диаметра цилиндра ступени на параметры работы

компрессора

На следующем этапе исследования была выполнена оценка влияния диаметра цилиндра IV ступени на параметры работы низкооборотного компрессора ПК-15-1-75.

Необходимо отметить, что исходя из условия недопущения превышения усилия базы [31, 52] с учетом коэффициента перегрузки (Кп) должно соблюдаться:

Ргаз - " Пб —» Ргаз < 1, 25 ' 1, бтс = 2 ТС,

где

Ргаз - действующие в ступени газовые силы, тс; Пб - усилие базы, тс.

Учитывая вышесказанное, максимальный диаметр цилиндра IV ступени, при котором данное условие не нарушается, составляет Э^у = 58 мм, при этом Ргаз = 1,99 тс < 2тс.

По результатам выполнения предварительных расчетов, для исследования был выбран диаметр цилиндра IV ступени Э^у = 50 мм.

В таблице 4.18 и на рисунках 4.25а-л приведены интегральные и текущие параметры работы рассматриваемого компрессора в результате увеличения диаметра цилиндра IV ступени до 50 мм для случая, когда рабочим веществом является ВСГ.

Таблица 4.18 - Интегральные параметры работы компрессора при сжатии ВСГ

при Dyiv = 50 мм

Параметр Размерность Номер и диаметр ступени сжатия, мм

1-280 II-145 III-80 IV-50

Рв с МПа 0,083 0,312 0,994 2,65

Рш 0,315 1,0 2,68 7,666

а/Ъ.и % / мм 6,0 / 2,0 6,0/1,0 8,0 / 0,3 8,0 / 0,3

Результаты численного эксперимента

ш кг/ч 3,5078 3,3262 3,0579 2,6084

Ашв у 0,05 0,182 0,265 0,458

Vc.y (ном —15=ь1.5) 3/ СтМ /ч 19,236 18,24 16,77 14,304

^инд кВт 1,039 0,878 0,708 0,798

NH0M 0,998 0,86 0,697 0,794

Хвс / Хнг % 2,6/1,5 1,2/0,8 0,9/0,7 0,2/0,3