Совершенствование способов регулирования объемной производительности винтового однороторного компрессора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Цветков Вадим Александрович

• Цветков Вадим Александрович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Цветков Вадим Александрович

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Описание предметной области и современное состояние проблематики исследования

1.1 Винтовые компрессоры двухроторного и однороторного типа

1.1.1 Общие сведения. Области рационального применения винтовых компрессоров

1.1.2 Преимущества винтовых компрессоров в холодильной технике и инженерных системах зданий

1.1.3 Достоинства винтовых однороторных компрессоров

1.1.4 Особенности построения рабочих органов ВКО

1.2 Регулирование объемной производительности винтовых компрессоров

1.2.1 Понятие объемной производительности винтового компрессора. Теоретическая объемная производительность ВКО с окружным профилем зуба отсекателя

1.2.2 Способы регулирования объемной производительности винтовых компрессоров

1.2.3 Обзор конструкций внутренних регуляторов объемной производительности винтового однороторного компрессора

1.3 Предлагаемая конструкция регулятора объемной производительности винтового однороторного компрессора

1.4 Постановка цели и задач исследования

ГЛАВА 2. Анализ основных процессов в рабочей зоне ВКО при регулировании производительности

2.1 Краткое описание основных процессов в рабочей зоне ВКО

2.2 Влияние основных факторов на эффективность работы ВКО

2.3 Зависимость энергетических характеристик винтовых компрессоров от способов регулирования производительности

2.4 Методика расчета рабочего процесса в ВКО при регулировании производительности встроенными устройствами

2.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3. Разработка математической модели регулирования производительности ВКО с помощью поворотного регулировочного

кольца

3.1 Конструкция встроенного регулировочного кольца. Обоснование

геометрических параметров конструктивных элементов регулировочного

кольца в рабочей зоне

3.2Расчетная модель процесса регулирования ВКО при помощи регулировочного кольца

3.2.1 Определение изменения площадей проходного сечения окон нагнетания и перепускных окон

3.2.2 Математическое описание рабочих процессов при регулировании объемной производительности

3.3 Выбор варианта исполнения регулировочного кольца

3.4 Разработка конструкции привода нового типа для регулировочного кольца

3.4.1 Существующие и предлагаемая конструкции привода внутренних регуляторов ВКО

3.4.2 Математическое описание работы системы привода нового типа

3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 4. Расчетно-экспериментальные исследования рабочих характеристик ВКО для различных сред при регулировании производительности

4.1 Численные эксперименты с математической моделью. САЕ-моделирование

4.2 Сравнительный анализ способов регулирования производительности ВКО

4.2.1 Влияние объемных и газодинамических потерь на коэффициент подачи

4.2.2 Изменение удельной потребляемой ВКО мощности в зависимости от способа регулирования объемной производительности

4.3 Выводы по главе

Заключение

Список условных обозначений и сокращений

Список литературы

Список иллюстративного материала

Список таблиц

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Реферат

Общая характеристика диссертационной работы

Актуальность темы

Инженерные системы, включающие в свой состав компрессоры объемного сжатия являются распространенными в комплексе различных отраслей промышленности, транспорта, строительства и эксплуатации зданий и сооружений, холодильной индустрии, а также других направлений, играющих ключевую роль в техническом и социальном развитии общества. Винтовые однороторные компрессоры (ВКО) относятся к типу винтовых объемных машин и являются конкурентоспособной продукцией в своем сегменте. ВКО зарекомендовал себя как компактное, долговечное и эффективное устройство с рядом положительных энергетических и эксплуатационных характеристик.

Вызовы современности ведут к необходимости энергоресурсосбережения и повышения экологической эффективности как в мировой проблематике устойчивого развития, так и в повестке развития Российской Федерации. Данный вопрос является всесторонне актуальным и для холодильной отрасли во всех направлениях, ввиду ее стратегической роли. В настоящее время различные мировые социальные преобразования обуславливают необходимость импортозамещения в Российской Федерации, направленного на повышение качества производимой продукции и расширения ее арсенала. Так, например, продукция энергетического машиностроения, компрессорное и холодильное оборудование внесены в список продукции, которая подлежит импортозамещению в Санкт-Петербурге, что отражено в соответствующем постановлении Правительства от 2023 г.

Одним из способов повышения эффективности работы холодильных машин, в данном ключе, является развитие способов регулирования холодопроизводительности, т.к. большинство из них функционирует на переменных режимах работы. Положительный эффект в данном направлении

может быть достигнут за счет регулирования объемной производительности компрессора, в свою очередь, являющимся основным потребителем энергии холодильных и инженерных систем. Регулирование может быть осуществлено различными способами, отличающимися по своей конструкции и эффективности. Выбор, исследование и разработка новых способов регулирования объемной производительности винтовых компрессоров играют важную роль в достижении необходимых энергоресурсосбережения и повышения экологической эффективности холодильных систем.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование способов регулирования объемной производительности винтового однороторного компрессора»

Цель работы

Разработка и исследование энергоэффективной системы регулирования объемной производительности ВКО.

Задачи работы

1) Анализ различных способов регулирования производительности винтовых компрессоров и сравнительная оценка возможности их применения для ВКО;

2) Разработка математической модели и развитие методики расчета ВКО при регулировании производительности;

3) Проведение численного моделирования на базе современных САЕ-систем при оборудовании ВКО регулятором производительности нового типа;

4) Разработка и исследование конструкции встроенного регулятора производительности ВКО и выработка рекомендаций по проектированию;

5) Проведение расчетно-экспериментальных исследований.

Научная новизна работы

Разработка математической модели и методики расчета энергоэффективной системы регулирования объемной производительности нового типа для ВКО.

Методология и методы исследования

Работа над решением поставленных в исследовании задач проводилась при помощи теоретических, а также расчетно-экспериментальных методов. Для разработки модели процесса регулирования производительности применялись методы математического и САЕ-моделирования.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы заключается в разработке математической модели регулирования производительности ВКО с помощью внутреннего регулятора нового типа - поворотного регулировочного кольца.

Практическая значимость работы заключается в разработке и исследовании конструкции и работы поворотного регулировочного кольца для ВКО.

Положения, выносимые на защиту

1) Результаты анализа и сравнительной оценки возможности применения различных способов регулирования производительности винтовых компрессоров для ВКО;

2) Математическая модель процесса регулирования ВКО при помощи регулировочного кольца, методика расчета;

3) Разработанная конструкция встроенного регулятора нового типа для ВКО - поворотное регулировочное кольцо;

4) Оригинальная система привода встроенного регулятора;

5) Результаты расчетно-экспериментальных исследований рабочих характеристик ВКО для различных сред при регулировании производительности.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на следующих всероссийских и международных конференциях:

1) 50-я научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург, 01.02-04.02.2021 г.);

2) 11-я международная научно-техническая конференция «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства» (ОмГТУ, г. Омск, 24.02-27.02.2021 г.);

3) 2-я Межвузовская ежегодная научно-практическая конференция «Экономика и управление: тенденции и перспективы» (СПбГАСУ, г. Санкт-Петербург, 01.03.2021 г.);

4) 10-й Конгресс молодых ученых ИТМО (Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург, 14.04-17.04.2021 г.);

5) 4-я Международная научно-практическая конференция «Инновации в технике и технологиях» (НовГУ, г. Великий Новгород, 28.06-29.06.2021 г.);

6) Юбилейная 10-я Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург, 27.10-29.10.2021 г.);

7) 51-я научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург, 02.02-04.02.2022 г.);

8) 12-я международная научно-техническая конференция «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства» (ОмГТУ, г. Омск, 16.02-19.02.2022 г.);

9) 11-й Конгресс молодых ученых ИТМО (Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург, 04.04-08.04.2022 г.);

10) 52-я научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург, 31.01-03.02.2023 г.);

11) 12-й конгресс молодых ученых ИТМО (Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург, 03.04-06.04.2023 г.);

12) 11-я Международная научно-техническая конференция «Искусственный холод в XXI веке» (Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург, 15.11-17.11.2023 г.);

13) 53-я научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург, 29.01-02.02.2024 г.);

14) 13-й Конгресс молодых ученых ИТМО (Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург, 08.04-11.04.2024 г.);

15) Международная научно-техническая конференция «Пром-Инжиниринг» 2024 (International Conference on Industrial Engineering ICIE-2024) (Московский политехнический университет, OOO «ИнтерКон», г. Москва, место проведения - г. Сочи, 19.05-25.05.2024 г.).

Достоверность научных достижений

Достоверность результатов диссертационной работы заключается в следующем: применены известные и зарекомендованные подходы, использованные для создания математической модели, обоснованны выполненные теоретические допущения; применены передовое программное обеспечение (Ansys) и высокоуровневый язык программирования (Python); отмечена высокая степень корреляции результатов расчетно-экспериментальных исследований.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационного исследования были внедрены: в процесс проектирования и изготовления опытных образцов на предприятии АО «Компрессор»; при выполнении работ над проектами № 621285 «Развитие компрессорной техники в концепции smart- и green-технологий» и №623120 «Совершенствование компрессорных технологий объемного сжатия» Университета ИТМО; в образовательный процесс направления 16.04.03 -программы подготовки магистратуры «Энергоэффективные инженерные системы и технологии СПГ» для дисциплин «Теория компрессорных систем» и «CAE-анализ элементов компрессорной техники» университета ИТМО.

Публикации

По теме диссертационного исследования опубликовано 18 печатных работ, в том числе: 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК, 4 - в изданиях, входящих в международную базу Scopus.

Структура и объем диссертации

Основной текст диссертации состоит из реферата, введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 170 наименований и 4 приложений. Основная работа изложена на 141 странице, включая 72 рисунка и 11 таблиц.

Содержание работы

Введение

В объёме введения даётся обоснование актуальности темы исследования и предметной области, приводятся предпосылки для разработки выбранной темы; приводятся цель, задачи, научная новизна, теоретическая и практическая значимость; формулируются основные положения, выносимые на защиту;

приводятся данные по апробации работы, достоверности научных достижений, внедрению результатов и публикаций.

Глава 1

Глава 1 посвящена описанию предметной области и современному состоянию проблематики исследования. Даны общие сведения, выделены области рационального применения винтовых компрессоров и преимущества винтовых компрессоров в холодильной технике и инженерных системах зданий. Обозначены достоинства винтовых однороторных компрессоров (ВКО) и особенности построения рабочих органов. Рассмотрены понятия теоретической объемной производительности и регулирования объемной производительности в т.ч. применительно к ВКО с окружным профилем зуба отсекателя. Выполнен подробный аналитический обзор способов регулирования производительности винтовых компрессоров и конструкций внутренних регуляторов, предложена конструкция регулятора объемной производительности нового типа. Поставлена цель и задачи исследования.

По конструкции выделяют винтовые двухроторные и винтовые однороторные компрессоры. Винтовые компрессоры однороторного типа, благодаря своим конструктивным особенностям, энергетическим и эксплуатационным характеристикам составляют успешную конкуренцию на рынке винтовых машин двухроторным аналогам [6-13]. Данный тип компрессоров нашел широкое применение в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей отраслях [8, 32-36], для обеспечения пневматической энергией на предприятиях различного назначения [6, 37-39], в передвижных воздушных компрессорных станциях (с практически полным вытеснением поршневых компрессоров в данном сегменте) [6], а также заняли свою нишу в холодильной технике и инженерных системах жизнеобеспечения зданий и сооружений. Процесс урбанизации, рост населения, технологическое развитие различных отраслей, возрастание энергопотребления и т.д., ведут и к увеличению потребности в производстве

искусственного холода. Ввиду данных обстоятельств возникает необходимость в устройстве следующих инженерных систем:

- вентиляция и кондиционирование воздуха в помещениях имеющейся и возводимой инфраструктуры городской среды;

- технологические системы охлаждения на предприятиях промышленного назначения различного профиля;

- системы охлаждения, предназначенные для производства и хранения продуктов питания в специализированных складских помещениях, предприятиях сетевых ритейлеров и т.д.

Конструктивно ВКО обладает некоторыми конкурентными преимуществами в эксплуатационном и энергетическом аспектах в сравнении с конструкцией двухроторных винтовых компрессоров [6, 8, 9, 75 - 77]:

- Меньшая температура нагнетания;

- Более низкий уровень шума и вибрации;

- Меньшая металлоемкость;

- Лучшие объемные характеристики;

- Сбалансированность осевых и радиальных усилий обеспечивает низкие нагрузки на подшипниковые опоры;

- Увеличение расхода рабочей среды и снижение сопротивления на нагнетании ввиду наличия двойных выпускных окон;

- Надежность и более длительный срок службы;

- Более высокий холодильный коэффициент при частичных нагрузках;

- Возможность применения эффективных систем регулирования производительности.

ВКО с окружным профилем зуба отсекателя [125] представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Винтовой однороторный компрессор с указанными областями

всасывания и нагнетания

Значение объемной теоретической производительности ВКО базируется на определении объема одной винтовой канавки винта, который можно определить по теореме Гульдина [130], рассчитав по формуле [6]:

Ут = кг1 п Б1(а1) г(а1) йа1, (1)

где к - число зубчатых отсекателей, шт; 2\ - число заходов винта, шт; п - частота вращения винта, с-1; а1 - угол поворота винта, град;

Sl(al) - площадь плоской фигуры, зависящей от угла поворота винта, мм2; г(а1) - кратчайшее расстояние от центра тяжести плоской фигуры до оси вращения винта, зависящее от угла поворота винта, мм.

По разным оценкам порядка 70%-75% от суммарного периода работы компрессора составляет его эксплуатация в режиме частичной нагрузки [80, 86]. По некоторым данным относительно холодильных винтовых компрессоров, имеются сведения о работе чиллеров на их базе с полной нагрузкой - 10 % в среднем в течение года [101], также 1% - 3 % [65]. Данные сведения означают то,

что энергоэффективность работы винтовых компрессоров напрямую зависит от способов регулирования производительности.

Результаты литературного и патентного обзоров по теме [6, 51, 65, 67, 76, 80 - 100] стали основой для составления подробной классификации способов регулирования производительности винтовых компрессоров, представленной в виде схемы (рисунок 2).

Рисунок 2 - Классификация способов регулирования винтовых компрессоров [47]

Представленные способы регулирования производительности винтовых компрессоров могут быть применены в ВКО [125]. Однако ряд из них имеет существенные конструктивные и эксплуатационные недостатки.

Данная диссертационная работа направлена на разработку и исследование встроенного регулятора объемной производительности нового типа для ВКО. Автором предложена альтернативная конструкция - поворотное регулировочное

кольцо (рисунок 3). Регулятор устанавливается в расточке корпуса в области окон нагнетания ВКО. Конструктивно регулятор устроен так, что при его повороте в корпусе компрессора открывается перепускное окно, которое соединяет полость, образованную впадиной винта и зубом отсекателя, с областью всасывания. Также происходит изменение площадей окон нагнетания, тем самым поддерживается заданная геометрическая степень сжатия ВКО в условиях переменной объемной производительности. Внешний привод обеспечивает управление встроенным регулятором, которое зависит от режима работы компрессора [169].

Регулировочное кольцо

Рисунок 3 - Система регулирования производительности винтового однороторного компрессора - поворотное регулировочное кольцо

Глава 2

Глава 2 посвящена анализу основных процессов в рабочей зоне ВКО при регулировании производительности. Дается краткое описание основных процессов в рабочей зоне ВКО и влияния основных факторов на эффективность его работы. Приводятся зависимости энергетических характеристик винтовых компрессоров от способов регулирования производительности, а также методика расчета рабочего процесса в ВКО при регулировании производительности встроенными устройствами.

Среди особенностей протекания основных рабочих процессов ВКО можно выделить:

- протекание рабочих процессов в ВКО происходит при переменных термодинамических параметрах и является нестационарными;

- все процессы происходят при переменной массе компримируемой среды;

- на параметры вещества в рабочей части ВКО оказывают существенное влияние протечки компримируемой среды через зазоры между рабочими органами ВКО;

- рабочие процессы в компрессоре периодически повторяются и длятся тысячные доли секунды;

- при значительных окружных скоростях рабочих органов ВКО параметры компримируемой среды могут иметь различные значения в пределах одной полости, а на характер течения рабочего вещества через щели может оказывать влияние подвижность их стенок.

Среди факторов, влияющих на работу ВКО, выделяются геометрические и кинематические, а также силовые [6] (таблица 1).

Таблица 1 - Факторы, оказывающие влияние на работу ВКО

Группа факторов Фактор Влияние

Геометрические и кинематические Характеристики зазоров в рабочей области -Величина зазоров оказывает существенное влияние на коэффициент подачи, который практически линейно зависит от суммарной площади сечения щелей; - С увеличением степени повышения давления, влияние зазоров на коэффициент подачи растет, так как возрастает относительное влияние протечек; - При малых зазорах более существенно сказывается влияние несоответствия внешней и внутренней степени повышения давления; - Уменьшение зазоров вызывает понижение температуры

нагнетания компрессора и работы сжатия; - При постоянной величине параметров щелей коэффициент подачи будет возрастать: при увеличении объема рабочих полостей, при увеличении гидравлического диаметра центрального винта, при уменьшении степени повышения давления; - Характер влияния зазоров на индикаторный КПД также как и на коэффициент подачи - линейный. С увеличением степени повышения давления, увеличение сечения щелей сильнее влияет на энергетические потери, причем это влияние сказывается в большей мере при более низкой частоте вращения рабочих органов.

Частота вращения рабочих органов - Влияние частоты вращения на коэффициент подачи снижается с уменьшением величины зазоров, а при увеличении зазоров роль частоты вращения будет возрастать; - С увеличением окружной скорости уменьшается относительная величина протечек, однако, при этом растут газодинамические потери в рабочей части компрессора. Поэтому, для винтовых машин существует такое понятие, как оптимальная окружная скорость вращения рабочих органов.

Передаточное число и число заходов винта С уменьшением передаточного числа и числа заходов винта, относительная теоретическая объемная производительность повышается.

Размеры окон всасывания и нагнетания С увеличением размеров окон, уменьшаются газодинамические и гидравлические потери в них, повышается давление в камере всасывания, что в свою очередь уменьшает работу сжатия.

Силовые Силы и моменты, действующие на рабочие органы -Деформация рабочих органов, как следствие - необходимость в корректном задании зазоров между рабочими органами

Данные таблицы 1 указывают на то, что эффективность работы ВКО можно повысить за счет совершенствования геометрических характеристик машины, делая оптимальными величины зазоров между рабочими органами, обеспечивая тем самым минимальное количество протечек. Также, с точки зрения геометрии, возможно уменьшение работы сжатия за счет уменьшения газодинамических потерь ввиду корректного выбора размеров и положения окон всасывания и нагнетания. Особое внимание следует обратить на объемные и энергетические показатели ВКО, связывая их с режимом работы компрессора. Оптимальная окружная скорость рабочих органов иопт может принимать различные значения в зависимости от режима работы компрессора, размеров рабочих органов и зазоров, а также рабочего вещества. иопт является большей при более легких рабочих веществах и более высоких степенях повышения давления в случае рассмотрения одного и того же винтового компрессора. иопт назначается меньшей для крупных машин и, наоборот, большей для машин с большими зазорами. Дальнейшее развитие в данном направлении можно представить с оборудованием ВКО внутренним регулятором производительности, что в свою очередь, также будет связано с оценкой энергетической эффективности компрессора [169].

Среди базовых характеристик винтовых компрессоров следует выделить: давление всасывания, давление нагнетания, объемная производительность, степень повышения давления, к.п.д., коэффициент подачи. Характеристики винтового компрессора являются свойственными для компрессоров объемного типа. Режим работы винтовых компрессоров определяется независимыми параметрами:

степенью повышения давления п и частотой вращения п. Основными характерными зависимостями являются: зависимости объемной производительности V и мощности N от давления нагнетания рн и частоты вращения ротора п. По осям откладывают V, рн и Н, пи назначают исходные: рабочая среда, давление и температура на всасывании.

Теоретические аспекты исследований в области различных схем регулирования винтовых компрессоров, в отечественной практике, рассматриваются в некоторых профильных работах [97, 130, 131]. Термодинамическое состояние рабочих веществ при регулировании производительности внутренними регуляторами, как и в случае работы при полной производительности, описывается с помощью дифференциальных уравнений. Смысл этапа регулирования заключается в необходимости учета перепуска "лишнего" количества рабочего вещества из рабочей области компримирования в область всасывания. Данный эффект может достигаться различными способами.

В материалах [97] были выведены уравнения, описывающие внутренние процессы применительно к компрессорам объемного действия. Ими являются следующие дифференциальные уравнения: изменение давления (2) и температуры (3) сжимаемого рабочего вещества в контрольном объеме в зависимости от времени:

йр гЯ

М сРШ

М у гЯ^ М ^ вх1 М ^ дХ Ч' к }

где

2 - коэффициент сжимаемости рабочего вещества; Я - газовая постоянная Дж/(кг К); су - удельная объемная теплоемкость, Дж/(кг К); Ш - объем рабочей полости винтового компрессора, м3; dQ - элементарное количество теплоты, подведенной к газу от окружающей среды и отведенной от газа к окружающей среде, Дж; р - давление, Па;

йШ - элементарное изменение контрольного объема, м3;

йтвх1 и 1вх1 - присоединяемые масса (кг) и ее удельная энтальпия (кДж/кг); йт-ъъщ и I - отсоединяемые масса (кг) и удельная энтальпия рабочего вещества в контрольном объеме (кДж/кг);

йТ 1

М сут

где

т - масса рабочего вещества, кг; и - удельный рабочего вещества, м3/кг.

Применительно к винтовым компрессорам, для удобства воспользуемся зависимостями изменения параметров рабочего вещества от угла поворота вала, а не от времени. Таким образом, уравнения (2) и (3) примут вид:

йр гЯ

йф СрШш

%-(1+ Ъ + 2 - 2 (4)

ат 1

+ 2(1™ - 1)Свх1 + ру(£вш - Свх])] , (5)

йф сутш

где

Ф - угол поворота винта, рад;

ш - угловая скорость вращения винта, рад/с;

- массовый расход присоединяемого рабочего вещества, кг/с;

- массовый расход отсоединяемого рабочего вещества, кг/с

В таком случае, уравнение массового баланса рабочего вещества для рабочей камеры примет вид:

т = т + 2 - 2 . (6)

В случае регулирования производительности встроенными устройствами, термодинамическое состояние рабочего вещества в рабочей полости компрессора может быть описано аналогичными дифференциальными уравнениями (4), (5). Однако, появляется необходимость в описании дополнительного процесса - фазы регулирования. Таким образом, выражения (4), (5) преобразуются следующим образом:

йр гЯ

йср СрШм

ат 1

1^-(1+ + 1 1вх1Свх1 - 1 ^вх] - №рег)], (7)

й<р сутш

+ 1(1вх1 - 0Свх1 + РУ(Свх1 - Свх] - брег)] , (8) где Срег - массовый расход перепускаемого на всасывание рабочего вещества в процессе регулирования производительности, кг/с.

Тогда уравнение массового баланса рабочего вещества для рабочей камеры примет вид:

т = т + 1 dmвхi — 1 dmвхj — йтрег, (9)

йтрег - масса «лишнего» рабочего вещества, которое при регулировании объемной производительности перепускается из объема рабочей камеры в область всасывания, кг.

Рассмотрим способ моделирования массовых потоков, который заключается в следующем. Введем следующие допущения: - течение рабочего вещества одномерное изоэнтропное, установившееся. В таком случае массовый расход перепускаемого в область всасывания рабочего вещества запишем в виде:

врег = аСрГрег^Щ—^, (10)

где а - коэффициент расхода; £р - коэффициент расширения;

^ег - площадь проходного сечения перепускного окна, м2; р - плотность рабочего вещества в парной полости, кг/м2; р - давление в парной полости , Па; рвс - давление в камере всасывания, Па.

Уравнение (7) решается относительно величины расхода перепускаемого рабочего вещества:

с м ^-11С )

"рег -1-. (11)

Глава 3

Глава 3 посвящена разработке математической модели регулирования производительности ВКО при помощи встроенного регулятора нового типа -

поворотного регулировочного кольца. Дается описание предлагаемой конструкции регулятора, обосновываются геометрические параметры конструктивных элементов регулировочного кольца в рабочей зоне. Разрабатывается математическое описание при регулировании объемной производительности ВКО при помощи регулировочного кольца. В контексте разработки конструкции привода нового типа для регулировочного кольца рассматриваются существующие и предлагаемая оригинальная конструкции привода внутренних регуляторов ВКО, производится математическое описание работы системы привода нового типа.

Эскиз положения поворотного регулировочного кольца изображен на рисунке 4. Указаны окна с прорезью на нагнетании и перепускное окно в случае работы ВКО в режиме 100% производительности. В качестве изображения выполнена развертка винта ВКО, поворотного регулировочного кольца и части корпуса в прямоугольной системе координат.

Рисунок 4 - Развертка винта ВКО с изображением двух винтовых канавок, поворотного регулировочного кольца и части корпуса в прямоугольной системе

координат

На рисунке 4 представлены: а) винт ВКО; б) винтовая канавка; в) окно всасывания; г) поворотное регулировочное кольцо; д) окно нагнетания; е) окно на поворотном кольце, совпадающее с окном нагнетания; ж) перепускное окно; з) направление вращения винта ВКО и поворотного регулировочного кольца; I -

первая винтовая канавка; II - вторая винтовая канавка; ЛГК - левая грань винтовой канавки; ПГК - правая грань винтовой канавки; х - перемещение поворотного регулировочного кольца; dx - расстояние между начальным положением перепускного окна и точкой N на проекции профиля винтовой канавки II; И -высота перепускного окна; Ах - длина развертки перепускного окна. Геометрические характеристики поворотного кольца связаны с углом поворота отсекателя в и Ах.

В процессе работы винтового однороторного компрессора работы, проекция ЛГК пересекается с проекцией контура перепускного окна, после чего аналогичное действие совершает ПГК. Момент, в котором в процессе движения грань винтовой канавки I подходит к окну нагнетания представлен на рисунке 4. В таком случае винтовая канавка I находится вне проекции контура перепускного окна, а также отсутствует сообщение с винтовой канавкой II, объем которой в данный момент еще не изолирован зубом отсекателя от области всасывания. При такой конфигурации положения поворотного регулировочного кольца, объемы винтовых канавок I и II не сообщаются друг с другом и с областью всасывания. Таким образом, при данном расположении поворотного регулировочного кольца объемная производительность ВКО будет равна 100%.

При повороте поворотного регулировочного кольца его профилированные окна в области нагнетания и перепуска частично перекрывают соответствующие окна в корпусе ВКО. В таком случае возникает необходимость в расчете площадей этих окон при их частичном перекрытии для дальнейшей оценки изменения объемной производительности ВКО.

При пересечении проекции ЛГК винтовой канавки II с точкой 2, перепускное отверстие для данной винтовой канавки открывается, и в таком случае компримируемая среда частично перепускается в область всасывания из объема винтовой канавки I через полость винтовой канавки II, так как имеет место их сообщение (возможен вариант перепуска через перепускной трубопровод). При пересечении проекции ПГК винтовой канавки I с точкой 4 и одновременном подходе ЛГК той же винтовой канавки к точке 5 происходит начало сравнивания

контуров винтовой канавки и окна нагнетания. Образуется изолированный объем винтовой канавки I, образованный ее поверхностью и внутренней поверхностью корпуса ВКО, не сообщающийся с перепускным отверстием и объемом винтовой канавки II. Рабочее тело компримируется.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Цветков Вадим Александрович, 2024 год

Источник

1.

Л = Л1 • Л2 • Л3 • Л4 • Л5 • Л6, где Л1 - утечки рабочего вещества; Л2 - подогрев рабочего вещества в зоне всасывания; Л3 - поступление масла в зону всасывания из подшипниковых узлов и уплотнений; Л4 -газодинамическое сопротивление в тракте компрессора; Л5 - учет центробежных сил на рабочее вещество; Л6 - иные воздействия.

[6, 138]

2.

Л = 1 - АЛ1 - АЛу - АЛу - АЛ„ - АЛМ , где АЛб, - наличие

балластного рабочего вещества, выделяющегося из масляного раствора во всасывающей полости; АЛу - утечки рабочего вещества; АЛМ - влияние балластного масляного раствора и утечек самого масляного раствора; АЛУ -изменение объема масляного раствора во всасывающей полости; АЛМ - влияние балластного масляного раствора и утечек самого масляного раствора._

[6, 131, 139]

Л = 1 - АЛа; - Ху АЛв! + АЛВд - АЛу, где ААу- вследствие

наличия градиента давления по высоте зуба; потери давления на 1-ом участке всасывающего тракта;

АЛУу'д - вследствие газодинамического наддува; АЛу - утечки пара на всасывание._

[131]

Л = 1-с• —

м,.

N

к-1 £ к -1

<к-1

где

коэффициент, отражающий конструктивные особенности компрессора; £ - степень сжатия; Ми - условное число Маха; ^ - газовая функция; к - показатель адиабаты._

[131, 140]

5.

Л = щт • • цт, где щт - коэффициент утечек; коэффициент давления; цт - коэффициент подогрева.

[97, 140, 141]

Л = Лс • Лт , где Лс - коэффициент подачи компрессора сухого сжатия; Лт - подогрева в результате смешения с маслом, поступающим в камеру всасывания из подшипников и уплотнений._

2

с

7. ЛУпр ЛУт.д АУц ЛУпр а = 1---------, где —- - доля потерь вследствие [82]

протечек; - газодинамические потери; - действие

центробежных сил на газ, находящийся в полости

всасывания.

В общем случае можно сказать, что под X понимают отношение объема газа, действительно поданного рабочими органами компрессора за единицу времени и отнесенного к параметрам всасывания, к теоретической подаче при аналогичных условиях. Основными факторами, влияющими на X являются [4]:

1. Протечки рабочей среды через щели;

2. Гидравлические сопротивления;

3. Центробежные силы, действующие на массу рабочего вещества;

4. Подогрев всасываемого рабочего вещества;

5. Влияние защемленных объемов и др.

Отметим фактор балластных потерь при определении X. Исследования [131] показывают, что учет данного фактора требует достаточно сложных изысканий, а по влиянию на X не превышает влияния фактора утечек. В работе [6] отмечено, что сумма потерь вследствие влияния балластного масляного раствора и утечек самого масляного раствора, а также изменения объема масляного раствора во всасывающей полости составляет относительно малую величину (0,01-0,06) и существенного влияния на не оказывает. В данном случае фактор балластных потерь не учитывался. В работах [136, 137] говорится о том, что составная часть X, являющаяся коэффициентом подогрева, не оказывает на него существенного влияния и приближается к значению 1, также не учитывался в данной работе. В большинстве отмечается, что потери в результате утечек рабочего вещества, а также наличие гидравлических сопротивления могут составлять относительно большую величину порядка 0,1-0,2 и более. В данной работе автор делает акцент на данных факторах, как на оказывающих существенное влияние на величину X.

Существует несколько методов определения расхода газа через щели, в разное время разрабатываемые такими исследователями, как С. Е. Захаренко, И. П. Гинзбург, О. Н. Секуновой и др. Ниже представлен один из базовых способов вычисления расхода рабочего вещества через щели различной формы, разработанный в результате обобщения имеющихся исследований в данной области [4]:

ч

1 [Л

ЛКТ2 VР2

Р1 *

^•М-Р!, (4.1)

где р2, Т2, р1 - параметры газа до (индекс 2) и после (индекс 1) щели; X -коэффициент трения (сопротивления) газового потока в щели; Ь - характерный линейный размер в направлении потока газа; Бг - гидравлический диаметр щели; д - ускорение силы тяжести; Я - газовая постоянная.

Для определения количественной составляющей утечек в зависимости от частоты вращения винта ВКО, воспользуемся таким показателем, как "время-

сечение" щели: /щ = -0 • 1п • 8, мм2 сек (1п - приведенная дина щели, 8 - высота

щели)[4], тогда получим:

Ч

ХтЬ ~, . (4.2)

Ог Р1

Методика расчета протечек в ВКО с окружным профилем зуба отсекателя подробно рассмотрена в работе [6]. В результате, составляющая X, соответствующая этим протечкам, определятся согласно выражению [6]:

*п = 1 - ^ Ч(Ф> (4.1)

где фтах = отссоб г1 гз - изменение параметров зацепления (рисунок 4.10).

1

/г у / / А II Гл \ <

Г гз 0 ---.5 мМ

о,

Рисунок 4.10 - Изменение параметров зацепления рабочих органов ВКО

в осевой плоскости

Беря во внимания вышеизложенное, можно представить изменение значений величин д и в зависимости от п в графическом виде (рисунки 4.114.12):

П м/г Г) 1

1- и. 1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 3( 1_

Ю 1000 1700 2400 3100 3800 4500 Воздух Аммиак п 0б/мин

Рисунок 4.11 - Расчетные значения протечек д, м/с в зависимости от

частоты вращения п, об/мин

Рисунок 4.12 - Составляющая коэффициента подачи ВКО, соответствующая протечкам Хп в зависимости от частоты вращения п, об/мин

В тракте ВКО имеют место потери давления. Таким образом, появляется необходимость в определении газодинамических потерь в отдельных его элементах с целью определения уменьшения X ВКО в результате данных потерь. Обозначим следующие участки:

1. В области всасывания при движении потока рабочей среды между всасывающим патрубком до плоскости, прилегающей к торцу окна всасывания - Ар1;

2. При ударном входе потока рабочей среды из области всасывания непосредственно в каналы впадин винтов - Ар2;

3. При движении потока рабочей среды во впадинах винта от вскрытия зубом полости впадины, до торца окна нагнетания - Ар3.

Таким образом, можно записать:

Ар{ = ЛР1 + ЛР2 + Лр3 = (Р1 - Ро) + (Р2 - Р1) + (Рз - Р2Х (4.2)

где ро, рь р2, р3 - величины статических давлений в соответствующих сечениях рассматриваемых участков.

Уравнение Бернулли для потока рабочей среды, движущейся на первом участке (также как и на других участках) имеет вид:

Ро + ^о£72 = Р1+^1£72 + ^Я1, (4.3)

где N и N - коэффициенты кинетических энергий для соответствующих участков; ^^ и ^^ - среднерасходные скорости в соответствующих участках; АН1 - потери давления в области всасывания на преодоления сопротивлений. Зависимость величины потери давления в области всасывания на преодоление сопротивлений АН1 от частоты вращения винта представлены на рисунке 4.13:

ПГ|

ДНЬ Па 80 70 60 50 40 30 20 10 0 3(

)0 1000 1700 2400 3100 3800 4500 Воздух Аммиак п, об/мин

Рисунок 4.13 - Зависимость потерь давления в области всасывания на преодоление сопротивлений АН1 от частоты вращения винта п

Потери давления на преодоление сопротивлений при ударном входе в каналы винта, т.е. на втором рассматриваемом участке, определяются по формуле:

= (4.4)

где %1 = 1 — — - коэффициент сопротивления (^ - площадь окна всасывания, ¥2 - эффективная площадь впадин винта)

Зависимость величины потери давления на втором участке АН1 от частоты вращения винта представлены на рисунке 4.14:

ДН2, Па 1000 800 600 400 200 0 ЗС

0 1000 1700 2400 3100 3800 4500 Воздух Аммиак п, об/мин

Рисунок 4.14 - Зависимость потерь давления при ударном входе в каналы впадин винтов АН2 от частоты вращения винта п

Для оценки потерь при движении потока компримируемого вещества по винтовым впадинам, т.е. на третьем участке, обозначим:

ЛН3=Р2-Р3. (4.5)

Статическое давление р2:

Р2=Р1 + и1Р-^ — ЩР-^ — АН2, (4.6)

Величина р3 - среднее по углу поворота давление во впадине. Для обобщения данных использовалась формула Дарси-Вейсбаха:

АН3=ЛС^^, (4.7)

где Xс - коэффициент сопротивления единицы относительной длины каналов винта; Ьв.пр. - приведенная длина винта; Эг - гидравлический диаметр впадин винта.

Так как сопротивление движению газа на всасывании оказывают также струйки рабочей среды, вытекающие из щелей, коэффициент сопротивления Хс зависит не только от числа Re, но и от величины коэффициента утечек:

п

= ^ , (4.8)

где ОУ - масса утечек рабочего вещества в течение процесса всасывания; Овс -масса рабочего вещества во впадине по условиям всасывания [131]. В работах [4, 131] было установлено, что коэффициент сопротивления Хс обратно пропорционален комплексу Ке%2. На рисунке 4.15 приведена зависимость коэффициента сопротивления Хс от комплекса Re•%2. Расчетно-экспериментальные данные [4] показывают, что кривая Хс=:Т(КепУ2) хорошо аппроксимируется уравнением:

2,5-105

Я,

Ке-^2

(4.9)

Рисунок 4.15 - Зависимость коэффициента сопротивления Хс от комплекса Re•ny2: а - воздух; б - аммиак

На рисунке 4.16 представлена зависимость потерь давления ДН3 от частоты вращения винта п:

ДН3-103, 2 Па

1.5 1

0.5 0

300 1000 1700 2400 3100 3800 4500

Воздух -Аммиак п> °б/мин

Рисунок 4.16 - Зависимость потерь давления при движении потока рабочей среды во впадинах винта ДН2 от частоты вращения винта п

Таким образом, беря во внимание выражение (4.2), обозначим, что суммарное падение давления на различных участках тракта ВКО можно выразить как ДХг=ДХ1ДХ2 ДХ3 (где: ДХ1=Др1/рвс, ДХ2=Др2/рвс и ДХ3=Др3/рвс -падение давления на первом, втором и третьем рассматриваемых участках соответственно). Тогда, зависимость коэффициента подачи X, включающая в себя составляющие, соответствующие протечкам и газодинамическим потерям Хг примет вид (рисунок 4.17):

х 1

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5

-1500

0.4

300 1200 2100 3000 3900

-Вомух (частотное регулирование)

-Аммиак (частотное регулирование)

---Воздух (регулировочное кольцо)

--Аммиак (регулировочное кольцо)

Рисунок 4.17 - Зависимость изменения коэффициента подачи при Х=ХпХг от частоты вращения винта п и в случае регулирования поворотным

4800 п. об/мин

регулировочным кольцом

На рисунке 4.17 зеленым цветом выделена область предпочтительно диапазона работы ВКО при наиболее высоких значениях X, примерно соответствующая режиму работы при 1500-3000 об/мин. Данный диапазон можно считать оптимальным. Регулирование объемной производительности, путем ее уменьшения при помощи частотного регулирования за пределами выделенной области будет являться менее эффективным.

4.2.2 Изменение удельной потребляемой ВКО мощности в зависимости от способа регулирования объемной производительности

Одной из характеристик, удобной для сравнения машин с одинаковыми параметрами является удельная мощность Муд, т.е. мощность, потребляемая компрессором на сжатие 1 м3/мин рабочей среды. Таким образом можно оценить эффективность работы любого компрессора, оценка Куд производится при одинаковой степени повышения давления, равных температурах всасывания и определенном рабочем веществе [4, 6]. Куд определяется выражением [4]:

Луд=£ (4Л°)

где - полная мощность на муфте, потребляемая компрессором; 1Д -действительная объемная производительность компрессора ( 1Д = • Я). Полная мощность, потребляемая винтовым компрессором Мк [4]:

Мк = ^+^мех, (4.11)

где ^ - индикаторная мощность винтового компрессора; Ммех - мощность механических потерь в компрессоре.

Индикаторная мощность винтового компрессора, расходуемая на сжатие ^ [4, 165]:

^ _ УдРвс 1 6120

, , ч Ш1-1 ш2-1 , , ч

(к Шт \ —1— , ш2 —2— (к т, , ш2 \

I---— ) £ ™1 +--— £ ™2 - (---^ +--)

\к—1 ш1—1/ ш2—1 \к—1 ш1—1 ш2—1/

(4.12)

где: тг - средний показатель политропы; т2 - средний показатель политропного процесса при условии сжатия рабочей среды до давления и

✓ 1П£ ч

температуры нагнетания (т2 =-—).

Ins-ln^-

' вс

Мощность механических потерь в компрессоре Ымех [165]:

^мех = Nt - l),

мех '

(4.13)

где: ^мех - кпд механических потерь (^мех = 0,965).

Результаты расчета Ыуд для варианта частотного регулирования ВКО и в случае регулирования поворотным регулировочным кольцом приведены на рисунке 4.18.

(кВт*мин)/м3 20

17

14

11

чЧ

\ \ ^ \ \ -Ч \-

"О;

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-Воздух (частотное регулирование) ^ л'

-Аммиак (частотное регулирование)

— —Воздух (регулировочное кольцо) ---Аммиак (регулировочное кольцо)

Рисунок 4.18 - Зависимость удельной потребляемой компрессором мощности от величины действительной объемной производительности Vд для варианта частотного регулирования и в случае регулирования поворотным

регулировочным кольцом

Расчет показывает, что в диапазоне регулирования Vд ~ 10%-40%, имеет место увеличение значений однако для способа регулирования при помощи регулировочного кольца данный показатель на рассматриваемом диапазоне

имеет меньшие значения, что показывает его большую эффективность. В диапазоне Уд ~ 40%-100% наблюдается совпадение значений Куд для обоих рассматриваемых способов регулирования. Результаты проведенных расчетов приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Результаты расчета Куд для воздуха и аммиака при различных способах регулирования объемной производительности

Уд, % 40 35 30 25 20 15 10

К, об/мин (для частоты. регул.) 1200 1050 900 750 600 450 300

а, ° (для регул. кольца) 10 11 12 13 15 16 18

Рабоч. в-во Воздух

Куд (для частотн. регул.) 5.46 5.98 6.80 7.85 9.90 12.98 17.73

Куд (для регул. кольца) 5.44 5.80 6.20 6.84 8.02 10.11 13.53

Разница в % 0.4 3.0 8.8 12.9 19.0 22.5 23.7

Рабоч. в-во Аммиак

Куд (для частотн. регул.) 9.0 9.62 10.13 10.61 12.70 15.45 19.45

Куд (для регул. кольца) 9.07 9.41 9.87 11.09 11.90 13.66 16.82

Разница в % 0.8 2.2 2.6 4.3 6.3 11.6 13.6

Таким образом, в диапазоне регулирования объемной производительности 10%-40%, регулирование при помощи регулировочного кольца, с точки зрения удельной потребляемой мощности, является до 23.7% эффективнее при работе на воздухе и до 13.6% эффективнее при работе на аммиаке, в сравнении со способом частотного регулирования.

4.3 Выводы по главе 4

Завершающим этапом являлось проведение расчетно-экспериментальных исследований. В модуле Fluent ANSYS проведены исследования рабочих процессов в ВКО при различных углах поворота регулировочного кольца, т.е.

при переменной объемной производительности ВКО. Выполнено сравнение результатов математического моделирования и САЕ-моделирования.

Для оценки объемной и энергетической эффективности был выполнен сравнительный анализ двух способов регулирования производительности ВКО: частотное регулирование и регулирование встроенным регулятором нового типа. Сравнение происходило по значениям коэффициента подачи X и удельной потребляемой мощности Муд для обоих случаев. Рассмотрены варианты расчетных формул для определения X для винтовых компрессоров. Сделан вывод о необходимости учета фактора протечек и гидравлических потерь при определении X. Для определения уменьшения X ВКО в результате потерь давления в тракте компрессора, были определены газодинамические потери в отдельных его элементах. Также была определена составляющая X, соответствующая протечкам. В результате расчетов ыделена область предпочтительно диапазона работы ВКО при наиболее высоких значениях X, примерно соответствующая режиму работы при 1500-3000 об/мин. Данный диапазон можно считать оптимальным. Регулирование объемной производительности, путем ее уменьшения при помощи частотного регулирования за пределами выделенной области будет являться малоэффективным.

В диапазоне регулирования действительной объемной производительности Уд ~ 10%-40%, имеет место увеличение значений Куд, однако для способа регулирования при помощи регулировочного кольца данный показатель на рассматриваемом диапазоне имеет меньшие значения, в сравнении с частотным регулированием (до 23.7% эффективнее при работе на воздухе и до 13.6% эффективнее при работе на аммиаке в случае применения регулировочного кольца).

В продолжение развития тематики повышения энергоэффективности работы винтовых компрессоров можно выделить перспективы применения различных способов регулирования производительности, комбинируя их на различных режимах работы машины, в зависимости от текущей нагрузки [134,

149-151]. Также следует выделить некоторые явные направления развития винтового компрессоростроения, сложившиеся в последнее время:

- Применение технологий цифровых двойников [152];

- Применение методов анализа данных, машинного обучения и нейросетей в рамках мониторинга работы винтовых компрессоров, прогнозирования корректного технического обслуживания и обнаружения неисправностей, а также подбора компрессов [153-157 и др.];

- Применение технологий дополненной реальности (augmented reality/AR) при проектировании, производстве, маркетинге и обслуживании винтовых компрессоров [158, 159];

- Применение новых материалов и аддитивных технологий производства [122, 160, 161 и др.]

Актуальными остаются вопросы профилирования винтов и зубьев отсекателей; выбора формы и расположения окон всасывания и нагнетания; упрощения конструкции, изготовления и сборки; снижение материалоемкости и стоимости изготовления; проведение испытаний и др.

Важным аспектом являются вопросы развития образования и подготовки кадров в сфере компрессорной и холодильной техники [167].

Заключение

В процессе работы над диссертационным исследованием достигнуты следующие положительные результаты:

1) Приведена полная классификация способов регулирования производительности винтовых компрессоров на основании литературного и патентного обзоров. Отмечены преимущества, недостатки и конструктивность применения представленных способов для конструкции ВКО. Предложена концепция встроенного регулятора производительности нового типа;

2) Выполнен анализ основных процессов в рабочей зоне ВКО при регулировании производительности. Представлена методика расчета рабочего процесса в ВКО при регулировании производительности встроенными устройствами;

3) Разработана математическая модель регулирования объемной производительности ВКО с помощью встроенного регулятора нового типа -поворотного регулировочного кольца (патент RU212922U1) [146];

4) Разработана и исследована конструкция регулятора в виде поворотного регулировочного кольца, а также оригинальная конструкция привода с элементом в виде клиновых канавок (патент Яи221032Ш) [147];

5) Выполнена верификация математической модели регулирования производительности методами САЕ-анализа;

6) Обосновано влияние объемных и газодинамических потерь на коэффициент подачи ВКО. Приведена зависимость изменения коэффициента подачи от частоты вращения винта и в случае регулирования поворотным регулировочным кольцом, а также определена эффективность его работы на основании изменения удельной потребляемой энергии.

Список условных обозначений и сокращений

a3 - половина центрального угла сегмента отсекателя, град;

aw - центральное расстояние между отсекателем и винтом-ротором, мм;

b - характерный линейный размер в направлении потока газа;

cv - удельная объемная теплоемкость, Дж/(кгК);

D2h - начальный диаметр зубчатого отсекателя, мм;

Dei - наружный диаметр центрального винта, мм;

Dr - гидравлический диаметр щели;

F - сила трения, Н;

fper - площадь проходного сечения перепускного окна, м2; fm - "время-сечение" щели, мм2 сек; д - ускорение силы тяжести;

GBxi - массовый расход присоединяемого рабочего вещества, кг/с;

GBXj - массовый расход отделяемого рабочего вещества, кг/с;

Gper - массовый расход перепускаемого на всасывание рабочего вещества в

процессе регулирования производительности, кг/с;

Gy - расход рабочего вещества через щели различной формы, кг/с;

i - удельная энтальпия рабочего вещества, кДж/кг;

iBxi - удельная энтальпия присоединяемой массы рабочего вещества, кДж/кг;

к - число зубчатых отсекателей, шт;

т - масса рабочего вещества, кг;

mBxi - присоединяемая масса рабочего вещества, кг;

тлъщ - отсоединяемая масса рабочего вещества, кг;

тперепуск - массовый расход газа, проходящего через перепускное отверстие, кг/с; M- момент сил трения, Н м; n - частота вращения винта, с-1, об/мин;

Nyd - удельная потребляемая компрессором мощность, (кВтмин)/м3; NK - полная мощность на муфте, потребляемая компрессором, кВт; Ымех - мощность механических потерь в компрессоре, кВт;

N - коэффициент кинетических энергий; Ыы - число Нуссельта;

г(а1) - кратчайшее расстояние от центра тяжести плоской фигуры до оси вращения винта, зависящее от угла поворота винта, мм; г0 - радиус зуба отсекателя, мм; р - давление, Па;

рвс - давление в камере всасывания, Па; Q - количество теплоты, Дж; Я - газовая постоянная Дж/(кгК); Я - наружный радиус винта-ротора, мм; Я2 - радиус отсекателя, мм; Яв - число Рейнольдса;

Sl(al) - площадь плоской фигуры, зависящей от угла поворота винта, мм2;

£перепуск - эффективная площадь перепускного окна, м3;

SПОЛН - полная площадь окна нагнетания, м3;

Т - температура рабочей среды, К;

Тст - температура стенки, К;

ы - скорость течения рабочей среды, м/с;

и - передаточное отношение числа заходов винта к числу зубьев отсекателя; иопт - оптимальная окружная скорость рабочих органов, об/мин; ^ - объем винтовой канавки ВКО, м3;

- теоретическая объемная производительность ВКО, м3/мин; ^регул - теоретическая объемная производительность ВКО в процессе ее регулирования поворотным кольцом, м3/мин;

УА - действительная объемная производительность компрессора, м3/мин;

Ш - объем рабочей полости винтового компрессора, м3; работа, Дж;

w - среднерасходные скорости, м/с;

хл(Д) - абсцисса левой грани канавки винта-ротора;

хп(Ю - абсцисса правой грани канавки винта-ротора;

Ул(Ю - ордината левой грани канавки винта-ротора; Уп(Ю - ордината правой грани канавки винта-ротора;

2 - коэффициент сжимаемости рабочего вещества, число зубьев отсекателя, шт.;

21 - число заходов винта, шт;

а - угол поворота регулировочного кольца, град;

а1 - угол поворота винта, град;

а2- коэффициент расхода;

ат - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2*К;

в - угол поворота зубчатого отсекателя, град;

вт - угол конца нагнетания, град;

внс - угол начала нагнетания, град;

П - индикаторный КПД компрессора;

- коэффициента утечек; ^мех - кпд механических потерь;

X - коэффициент подачи компрессора; коэффициент теплопроводности, Вт/(м2*К); коэффициент трения (сопротивления) газового потока в щели; в, п - степень повышения давления; £р - коэффициент расширения;

р - плотность рабочего вещества в парной полости, кг/м2; и - удельный объем рабочего вещества, м3/кг; ^ - коэффициент сопротивления; ^ - угол поворота ротора, рад; ш - угловая скорость вращения ротора, рад/с;

ВКО - винтовой однороторный компрессор; КПД - коэффициент полезного действия; ЛГК - левая грань канавки винта; МИХ - Международный институт холода; ПГК - правая грань канавки винта;

ПГП - потенциал глобального потепления; РЕГУЛ. - регулирование, регулировочный; СПК - спиральный компрессор; ФЗ - федеральный закон;

САЕ (Computer-Aided Engineering) - системы инженерного анализа, компьютерный инжиниринг.

Список литературы

1. ГОСТ 28567-90 Компрессоры. Термины и определения

2. Щерба В. Е. Теория, расчёт и конструирование поршневых компрессоров объёмного действия: учебное пособие для вузов / В. Е. Щерба. — 2-е изд., доп. — М.: Издательство Юрайт, 2022. — 323 с. — (Высшее образование). — ISBN 978-5-534-09232-5

3. Пронин В. А. Тенденции развития компрессорной техники // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование». — 2014. — № 1.

4. Сакун И. А. Винтовые компрессоры: Основы теории, расчёт, конструкция / И. А. Сакун, д-р техн. наук проф. — 2-е изд., перераб. и доп. — Ленинград: Машиностроение. [Ленингр. отд-ние], 1970. — 400 с.: ил.

5. Национальная платформа «Открытое образование». Курс «Теплотехника УрФУ», раздел: Энергетическое оборудование — Компрессоры — Поршневые компрессоры, Винтовые компрессоры. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://openedu.ru/course/urfu/TEPL/?session=fall_2018 (дата обращения: 17.08.2022).

6. Пронин В. А. Винтовые однороторные компрессоры для холодильной техники и пневматики: диссертация ... доктора технических наук: 05.04.03. — Санкт-Петербург, 1998. — 226 с.

7. Кузнецов Ю. Л. Совершенствование рабочей части однороторного винтового холодильного компрессора: диссертация ... кандидата технических наук: 05.04.03, 05.04.06. — Санкт-Петербург, 2002. — 173 с.

8. Wu W., Zhang Z. Development of single screw compressor technologies and their tendency // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering. — 2022. — Т. 236. — №. 2. — С. 738751.

9. Wang C. A Review of Recent Research and Application Progress in Screw Machines // Machines. — 2022. — Т. 10. — №. 1. — С. 62.

10. Meng X. et al. Study of the thermo-mechanical couple deformation of the meshing pairs of a single-screw compressor // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering. - 2021. -Т. 235. - №. 4. - С. 1175-1187.

11. Jensen D. A New Single Screw Compressor Design that Enables a New Manufacturing Process (1998). International Compressor Engineering Conference. Paper 1306.

12. Haselden G. G. Potential of the single-screw compressor // International journal of refrigeration. - 1985. - Т. 8. - № 4. - С. 215-220.

13. Ефимов А. О. Новые модели одновинтовых компрессоров Vilter // Холодильная техника. - 2014. - № 1. - С. 22-35.

14. Носков А. Н. Тепловой и конструктивный расчёт холодильного винтового компрессора: Учеб.-метод. пособие. — СПб.: Университет ИТМО, 2015. — 31 с.

15. Giampaolo A. Compressor handbook: principles and practice. — CRC Press, 2020.

16. Zimmern, B., Patel, G. C. Design and Operating Characteristics of the Zimmern Single Screw Compressor. — International Compressor Engineering Conference, 1972.

17. Патент США № 5018952A МПК F01C3/08, публикация 1989 г.

18. Патент США №3133695 МПК F04C 18/52, публикация 1964 г.

19. Патент США №8992195B2 МПК F04C18/52, публикация 2008 г.

20. Патент Китай №105114305B МПК F04C 18/52, публикация 2015 г.

21. Патент США №3632239 МПК F04C 18/16, публикация 1972 г.

22. А.С. 101569 (СССР) Однороторная винтовая машина. / С. И. Щибря — опубл. в 1953г.

23. А.С. 1224448 СССР, МПК F 04 C 18/16 Однороторная винтовая машина. В.А. Пронин, В.Л. Желябов, В.В. Коваленко 1986

24. А.С. 1359485 СССР, МПК F 04 C 18/16 Однороторная винтовая машина. В.А. Пронин, В.Л. Желябов, В.В. Коваленко 1987

25. А.С. 1432270 СССР, МПК F 04 C 18/16 Однороторная винтовая машина. В.А. Пронин, В.В. Коваленко, С.В. Зайцева, 1988

26. А.С. 1479692 СССР, МПК F 04 C 18/16 Отсекатель однороторной винтовой машины. В.А. Пронин, В.В. Коваленко, Ю.А. Исаев, 1989

27. А.С. 1590663 СССР, МПК F 04 C 18/16 Однороторная винтовая машина. В.В. Коваленко, В.А. Пронин, Ю.А. Исаев, 1990

28. А.С. 1681055 СССР, МПК F 04 C 18/16 Однороторная винтовая машина. В.А. Пронин, В.В. Коваленко, Ю.А. Исаев, С.В. Зайцева, 1991.

29. А.С. 1813924 СССР, МПК F 04 C 18/16 Однороторная винтовая машина. В.В. Коваленко, В.А. Пронин, Г.Н. Ден, С.В., И.И. Новиков, 1993

30. Smith, I., Kovacevic, A., Stosic, N. Screw compressors: mathematical modelling and performance calculation. — Германия: Springer, 2005.

31. Stosic, N., Smith, I., Kovacevic, A. Screw Compressors: Three Dimensional Computational Fluid Dynamics and Solid Fluid Interaction. — Германия: Physica-Verlag, 2007

32. Буренин В. Конструкции винтовых компрессоров для химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств // Деловой журнал Neftegaz. RU. - 2014. - №. 6. - С. 18-22.

33. Миронов В. Н. Разработка и исследование винтового маслонаполненного компрессора с раздельной системой смазки для сжатия попутного нефтяного газа: автореферат дис. ... кандидата технических наук: 05.04.06. — Казань, 2000. — 17 c.:

34. Пронин В. А., Кузнецов Ю. Л., Жигновская Д. В. Особенности проектирования винтовых компрессоров для нефтегазовой отрасли // Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства. — 2018. — С. 155156.

35. Moore J. Compressors and expanders // Machinery and Energy Systems for the Hydrogen Economy. — Elsevier, 2022. — С. 333-424.

36. Yang Q. Experimental investigation of the water-injected process-gas screw compressor //Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering. - 2018. - Т. 232. - №. 1. - С. 3-11.

37. Степанов С. И., Митрофанова И. В. Повышение энергетической эффективности систем снабжения промышленных предприятий сжатым воздухом // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2019. -Т. 16. - №. 3. - С. 515-522.

38. Abdan S. Development and Design of Energy Efficient Oil-Flooded Screw Compressors // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. — IOP Publishing, 2019. — Т. 604. — №. 1. — С. 012015.

39. Van Rensselar J. Lubricating pneumatics: Air compressors // Tribology & Lubrication Technology. — 2018. — Т. 74. — №. 5. — С. 24-30.

40. Статья «Мировой рынок компрессоров по состоянию на 2021 год» [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://mir-klimata.info/mirovoj-rynok-kompressorov-po-sostoyaniju-na-2021-god/ (дата обращения: 19.08.2022).

41. Терехов М. Под знаком платинового LEEDа // Высотные здания: журнал высотных технологий. — 2011. — № 5. — С. 110-113.

42. Д. Коломб, Ж. Дюпон, О. Пичард Роль искусственного охлаждения в мировой экономике // Холодильная техника. - 2016. - № 1. - С. 4-11.

43. Федеральный закон от 23.11.2009 № 261-ФЗ (ред. от 11.06.2021) «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации»

44. Указ Президента Российской Федерации от 13.05.2019 № 216 «Об утверждении Доктрины энергетической безопасности Российской Федерации»

45. Указ Президента РФ от 01.12.2016 № 642 (ред. от 15.03.2021) «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации»

46. Резолюция, принятая Генеральной Ассамблеей ООН 25 сентября 2015 года: «Преобразование нашего мира: Повестка дня в области устойчивого развития на период до 2030 года»

47. Pronin V. A., Tsvetkov V. A., Kovanov A. V., Zhignovskaia D. V. Methods for regulating the performance of screw compressors and features applications for single rotor machines // AIP Conference Proceedings. — 2021. — Vol. 2442. — P. 030040.

48. Patel H. H., Lakhera V. J. A critical review of the experimental studies related to twin screw compressors // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering. — 2020. — vol. 234.

— No 1. — p. 157-170.

49. Liu J. A new model of screw compressor for refrigeration system simulation // International journal of refrigeration. — 2012. — vol. 35. — No 4. — p. 861-870.

50. Danfoss. Справочное пособие: Стандартные холодильные машины. Решения для коммерческих и полупромышленных холодильных систем Версия 2.1 [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.danfoss.com/ru-ru/about-danfoss/news/dcs/scm-catalogue-edition-2-1/ (дата обращения: 25.08.2022).

51. Спасский А. А., Спасский И. А., Сушенцева А. В. Винтовые компрессоры Fusheng в России // Холодильная техника. 2017. №. 4. С. 18-23

52. Гроссе-Крахт Р. Высокоэффективное регулирование производительности компактных винтовых компрессоров «Битцер» серии CSW // Холодильная техника. 2010. №. 10. С. 14-18 (часть 1)

53. Спасский А. А., Сушенцева А. В. Винтовые компрессоры fusheng-высокоэффективное решение для систем холодоснабжения //Холодильная техника. - 2019. - №. 2. - С. 15-23.

54. Спасский А. А., Сушенцева А. В. Низкотемпературные двухступенчатые винтовые компрессоры Fusheng //Холодильная техника. - 2017.

- №. 9. - С. 46-48.

55. Спасский А. А., Сушенцева А. В. Преимущества применения полугерметичных двухступенчатых винтовых компрессоров FUSHENG в процессах заморозки //Холодильная техника. - 2018. - №. 5. - С. 22-25.

56. Новиков И. В. Новое поколение компрессоров GEA Grasso //Холодильная техника. - 2010. - №. 10. - С. 24-25.

57. Ваш успешный бизнес вместе с GEA на Chillventa 2016 //Холодильная техника. - 2016. - №. 9. - С. 40-41.

58. Хомутова М. Е. Акцент на энергоэффективность холодильных систем //Переработка молока. - 2015. - №. 3. - С. 16-17.

59. Герасимов С. Новая серия винтовых агрегатов GRASSO SSP1 //Холодильная техника. - 2011. - №. 7. - С. 6-7.

60. Загретдинов Р. Ш. Передовые решения «ГЕА Рефрижерейшн РУС» для нефтегазовой промышленности //Территория Нефтегаз. - 2014. - №. 10. - С. 48-49.

61. Heat G. E. A. Наше оборудование проверено временем. Территория Нефтегаз. - 2014. - №. 3. - С. 46-47.

62. Мустафин А.Р. Опыт компании ГЕА в России по производству и реализации модульных компрессорных установок для распределенного компримирования. Территория Нефтегаз. - 2016. № 10. - С. 60-62.

63. ECOLINE N. E. W. Инновации в области компрессоростроения //Холодильная техника. - 2012. - №. 9. - С. 46.

64. Шишов В. В. Размышления о выставке Chillventa 2012, Нюрнберг (Германия) //Холодильная техника. - 2012. - №. 11. - С. 39-41.

65. Гроссе-Крахт Р. Высокоэффективное регулирование производительности компактных винтовых компрессоров «Битцер» серии CSW //Холодильная техника. - 2010. - №. 10. - С. 14-18.

66. Спасский А. А., Спасский И. А. Системы холодоснабжения искусственных ледовых катков //Холодильная техника. - 2012. - №. 5. - С. 3133.

67. Ефремов Д. Холодоснабжение ледовых арен на стадионе «Химик» в Кемерово //Холодильная техника. - 2013. - №. 7. - С. 40-43.

68. Gree H. Компрессоры для систем кондиционирования воздуха и холодоснабжения//Холодильная техника. - 2010. - №. 6. - С. 49-51.

69. Петросян А. Л. Влияние типа компрессора на энергоэффективность теплонасосных установок в климатических условиях Республики Армения //Холодильная техника. - 2013. - №. 7. - С. 37-39.

70. Шабалин Е. Роль холодильной обработки для обеспечения качества продукции //Мясные технологии. - 2010. - №. 5. - С. 54-55.

71. Селин А. В. Холодильная цепь современного птицеперерабатывающего предприятия-опыт компании" ТЕРМОКУЛ" //Мясная индустрия. - 2009. - №. 8. - С. 28-30.

72. Велюханов В., Давтян А. Энергосбережение в системах хладоснабжения предприятий мясной промышленности //Все о мясе. - 2013. -№. 1. - С. 26-29.

73. Прудовская О. А., Семенчук С. М. Современные решения в системах охлаждения молока //Молочная промышленность. - 2010. - №. 8. - С. 8-9.

74. Бычков Е. Г., Колесников А. С., Ковалев А. А. Комплексная система термостатирования судовых радиоэлектронных устройств //Проблемы развития корабельного вооружения и судового радиоэлектронного оборудования. - 2017. - №. 4. - С. 28-35.

75. Lu Y. Performance improvement of single screw compressor by meshing clearance adjustment used in refrigeration system //Journal of Thermal Science. -2021. - Т. 30. - №. 1. - С. 149-164.

76. Производство снега с помощью одновинтовых компрессоров //Холодильная техника. - 2012. - №. 3. - С. 22-24.

77. Ефимов А. О. Новый лед в Сокольниках на базе компрессорных агрегатов Vilter //Холодильная техника. - 2013. - №. 9. - С. 21-26

78. Gree H. Компрессоры для систем кондиционирования воздуха и холодоснабжения // Холодильная техника. - 2010. - №. 6. - С. 49-51

79. Daikin Europe N.V. Ведущий производитель и поставщик систем отопления, вентиляции и кондиционирования, тепловых насосов и холодильного оборудования [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.daikin.ru/ru_ru/customers.html (дата обращения: 30.08.2022).

80. Хисамеев И. Г., Максимов В. А. Двухроторные винтовые и прямозубые компрессоры: теория, расчёт и проектирование // Казань: Фэн, 2000.

— 638 с.

81. Филиппов И. В. Регулирование производительности винтовых компрессоров // Машиностроение и компьютерные технологии. — 2013. — №. 9. — c.163-180.

82. Бараненко А.В., Бухарин Н.Н., Пекарев В.И., Тимофеевский Л.С. Холодильные машины: учеб. для студентов вузов, обучающихся по специальности «Техника и физика низких температур»; под общ. ред. Л.С. Тимофеевского. Изд. 2-е, перераб. и доп. СПб.: Политехника, 2006. 944 с.

83. Ануфриев А. В., Пекарев В. И. Влияние способа регулирования холодопроизводительности и внешних условий на эффективность винтового компрессора //Вестник международной академии холода. - 2008. - №. 2. - С. 17

- 21.

84. Филиппов И. В. Регулирование производительности винтовых компрессоров //Машиностроение и компьютерные технологии. - 2013. - №. 9. -c.163-180.

85. Wang Z. Research of thermal dynamic characteristics for variable load single screw refrigeration compressor with different capacity control mechanism //Applied Thermal Engineering. - 2017. - Т. 110. - С. 1172-1182.

86. Хлумский В. Ротационные компрессоры и вакуум-насосы / Перевод с чеш. А.А. Трохина; Под ред. канд. техн. наук В.И. Ардашева. — Москва: Машиностроение, 1971. — 128 с.

87. Soderlund F., Karlsson K. Screw compressor having two individually displaceable regulating slides: пат. 4597726 США. — 1986.

88. Диковский Б. М., Нихамкин Э. А., Портянский Ю. С., Ядлин В. Б. Винтовая машина: А.С. 564442 СССР, МПК F 01 C 1/16. — 1977, Бюл. №25.

89. Ломакин Ю. Д., Мазитов К. К., Шварц А. И. Винтовой компрессор: А.С. 332249 СССР, МПК F 04 C 18/16. — 1972, Бюл.№ 1

90. Ейдвюс А. И. Системы и средства автоматизации судовых холодильных установок. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983.—192 с.

91. А.С. 792000 СССР, МПК F 04 C 18/14. Винтовой маслозаполненный компрессор / Диментов Ю.И., Подоксик М.Я., Харазов Э.Г., Ежова В.В., Ядлин В.Б. — 1980, Бюл. № 48.

92. А.С. 1262114 СССР, МПК F04C 18/16. Регулятор производительности винтового компрессора / Калупин В.А., Воробьев Ю.М., Канышев Г.А., Пряхин Р.В. — 1986, Бюл. № 37.

93. А.С. 661121 СССР, МПК F 04 C 18/16. Винтовая машина / Ядлин В.Б., Портянский Ю.С., Нихамкин Э.А., Подоксик М.Я., Диковский Б.М. — 1979, Бюл. № 17.

94. Патент 910133 СССР, МПК F 04 C 18/16. Винтовой компрессор / Шиббай Х., Энглунд А. — 1982, Бюл. № 8.

95. А.С. 498413 СССР, МПК F 04 C 18/16. Устройство для регулирования винтового компрессора / Андреев П.А., Афонин В.В., Бобриков Н.И., Захарова Л.Ф., Сидора Н.Н., Тарасов А.М. — 1976, Бюл. №1.

96. Зимков А. А. Повышение эффективности регулирования производительности и геометрической степени сжатия холодильных винтовых компрессоров с помощью внутренних устройств: автореферат дис. ... кандидата технических наук: 05.04.03. — СПб., 2014. — 129 с.

97. Винтовой компрессор: пат. 89638 Рос. Федерация: МПК7 F 04 C 18/16 / Шахматов Е. В., Крючков А. Н., Белов Г. О.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С. П. Королёва, — заявл. 2009116680; опубл. 12.10.2009, Бюл. № 22.

98. А.С. 994801 СССР, МПК F 04 C 18/16/ Юша В. Л., Кабаков А. Н., Болштянский А. П. — 1983, Бюл.№ 5.

99. Field M. G., Shaw D. N. Capacity volume ratio control for twin screw compressors: пат. 5044894 США. — 1991.

100. Особенности применения чиллеров на базе винтовых и спиральных компрессоров // mir-klimata.info [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://mir-klimata.info/osobennosti-primeneniya-chillerov-na-baze-vintovyh-i-spiralnyhkompressorov/#:~:text=Было%20установлено,%20что%20в%20течение, при%20температуре%20внешнего%20воздуха%20270С (дата обращения: 31.08.2022).

101. Zimmern B., Hundy G. F. Rotary screw machine with two intermeshing gate rotors and two independently controlled gate regulating valves: пат. 4261691 США. - 1981.

102. Harunori Miyamura, Mohammod Anwar Hossain, Masanori Masuda Screw compressor: пат. W02009078178A1. - 2009.

103. J. L. Picouet Compressor having a dual slide valve assembly: пат. 7891955 США. - 2011.

104. Ma Zhongfang, Wu Yuting, Lei Biao, Wang Wei Compound guiding valve system of single screw compressor: пат. 206144791 Китай. - 2016.

105. Wang Zengli, Cao Hengchao, Wang Zhenbo, Wang Jun A kind of capacity for single screw compressor and interior volume specific ratio stepless regulating mechanism: пат. 105275812 Китай. - 2015.

106. Wu Y. et al. Slide valves for single-screw expanders working under varied operating conditions //Energies. - 2016. - Т. 9. - №. 7. - С. 478.

107. Daikin. Products and services «Services Extending to All Products. Long product life with overhaul» [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.daikin.com/products/ac/services/preventive/overhaul (дата обращения: 07.09.2022).

108. Рекламный проспект фирмы Vilter. «The World's Best Compressor For Industrial Refrigeration. VSM Single Screw Compressor» [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.refrigeration-equipment.biz/pdf/re_Vilter%20VSS%20Tech%20Specs.pdf (дата обращения: 07.09.2022).

109. Одновинтовые компрессоры производства McQuay International (дополнение к статье в Техническом бюллетене №2, 2003 г.) новый компрессор серии Frame 3100 //Технический бюллетень. - 2006. - №13. С. 13-16.

110. Каталог оборудования McQuay [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://splitoff.ru/tehn-doc/mcquay.html (дата обращения: 09.09.2022).

111. Прилуцкий А. И. Развитие теории, методов расчета и оптимального проектирования поршневых компрессорных и расширительных машин: дис. ... д-ра техн. наук: 05.04.03 — СПб., 2001. — 379 с.

112. Кузнецов Л. Г. Разработка и создание поршневых компрессорных и расширительных машин с сухим картером: дис. ... д-ра техн. наук: 05.04.03. — СПб., 2015. — 449 с.