Теория и методы расчета нагнетателей с вибрационным сдавливанием газа в тонких профилированных зазорах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат технических наук Пашнина, Надежда Александровна

• Пашнина, Надежда Александровна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пашнина, Надежда Александровна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Вибронесущие газовые опоры.

1.2. Эффект нагнетания смазки.

1.3. Методы расчета характеристик слоя смазки.

1.4. Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. АСИМПТОТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК

УЗЛОВ НАГНЕТАТЕЛЯ.

2.1. Теоретические предпосылки применения уравнения Рейнольдса для исследования течения газа в профилированных зазорах с вибрацией.

2.2. Течение газа в плоском профилированном зазоре при бесконечном значении частоты вибрации его поверхности.

2.2.1. Краевая задача о распределении давлений в плоском профилированном зазоре.

2.2.2. Расход газа в плоском профилированном зазоре.

2.3. Течение газа в профилированном капилляре при бесконечном значении частоты вибрации его поверхности.

2.3.1. Краевая задача о распределении давлений в профилированном капилляре.

2.3.2. Расход газа в профилированном капилляре.

2.4. Течение газа в Т-образном сопряжении профилированных плоского зазора и капилляра.

2.5. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК УЗЛОВ

НАГНЕТАТЕЛЯ.

3.1. Течение газа в профилированных зазорах при конечном значении частоты вибрации их поверхностей.

3.1.1. Дискретизация краевой задачи о распределении давлений в плоском профилированном зазоре.

3.1.2. Дискретизация краевой задачи о распределении давлений в профилированном капилляре.

3.1.3. Дискретизация краевой задачи о распределении давлений в Т-образном сопряжении плоского зазора и капилляра.

3.1.4. Адекватность дискретизированных краевых задач.

3.2. Вычислительный алгоритм и описание программ.

3.2.1. Функциональное назначение программ.

3.2.2. Описание логической структуры программ.

3.3. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗАЗОРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ НАГНЕТАТЕЛЕЙ И МЕТОДИКА ИХ РАСЧЕТА.

4.1. Влияние параметров профилирования и вибрации на характеристики течения газа в плоском профилированном зазоре.

4.2. Влияние параметров профилирования и вибрации на характеристики течения газа в профилированном капилляре.

4.3. Влияние параметров плоского профилированного зазора на характеристики нагнетателя с Т-образным сопряжением зазоров.

4.4. Влияние параметров профилированного капилляра на характеристики течения газа в Т-образном сопряжении.

4.5. Метод согласования сопряженных зазоров с вибрацией.

4.6. Методика расчета нагнетателей.

4.7. Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАГНЕТАТЕЛЯ НА ПРИМЕРЕ КОМПРЕССОРА

КАВИТАР».

5.1. Описание установок, ход и результаты эксперимента.

5.1.1. Установка для определения формы и глубины профиля.

5.1.2. Установка для измерения расхода компрессора и амплитуды колебаний свободного и нагруженного вибратора.

5.2. Обработка результатов эксперимента.

5.2.1. Исходные данные для расчета характеристик компрессора.

5.2.2. Сравнение результатов вычислительного и натурного эксперимента.

5.2.3. Согласование параметров исследуемого компрессора.

5.3. Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теория и методы расчета нагнетателей с вибрационным сдавливанием газа в тонких профилированных зазорах»

В настоящее время большое внимание уделяется проблемам повышения точности и эффективности работы машин и их узлов. В связи с этим актуальными являются вопросы разработки и создания машин с использованием новых эффектов и явлений.

На сегодняшний день в теории газовой смазки известны несколько методов создания избыточного давления газа в смазочном слое. Первый - это создание избыточного давления в слое за счет нагнетания сжатого воздуха в зазор между двумя поверхностями от внешнего источника, или «газостатический эффект». Второй - это создание избыточного давления в слое за счет увлечения газа движущимися поверхностями в сужающийся зазор между ними, или «газодинамический эффект». И, третий - это создание избыточного давления в слое за счет периодического сдавливания пленки смазки с достаточно большой частотой. Такой эффект повышения среднего за период сдавливания давления в слое называют «вибронесущим» или эффектом «сдавливания слоя» и относят, иногда, к разновидности газодинамического эффекта.

Каждый из рассмотренных эффектов используется для создания газовых опор. Газостатические и газодинамические опоры достаточно широко используются в России и за рубежом, а вибронесущие опоры - это сравнительно новое направление, но весьма перспективное. В отличие от газодинамических и газостатических такие узлы работоспособны при отсутствии относительного движения опорных поверхностей и не требуют систем хранения, очистки и транспортировки смазки.

Среди широкого класса вибронесущих опор выделяются гибридные опоры, в которых сочетается высокочастотное сдавливание смазочного слоя в тонких зазорах (вибронесущий эффект) и нагнетание газа в слой за счет внешнего источника или эффекта бегущей волны, что создает направленное течение газа от периферии во внутреннюю область слоя и дает мультипликативное увеличение интегральных характеристик. Направленное течение газа самостоятельно может быть использовано для создания нагнетателей [60]. Одним из достаточно доступных способов создания направленного течения газа является профилирование опорных поверхностей. Реализация индивидуально подобранного профиля позволяет создать расходы газа в слое достаточные для практического использования. Это открывает I совершенно новое применение вибронесущего тонкого слоя по созданию опорных узлов с повышенной несущей способностью без дополнительных систем очистки и транспортирования смазки, газовых уплотнений, высокоточных дозаторов и других устройств. Такие устройства характеризуется высокой разрешающей способностью подачи газа; работой без загрязнения окружающей среды из-за возможности использования безреагентных материалов; возможностью функционирования в агрессивных средах при низких и высоких температурах.

Применение профилированных зазоров с вибрацией позволяет создавать нагнетатели газа со сверхтонким дозированием. Эта возможность определяется свойствами слоев при частотном способе управления вибрацией и характеризуется высокой разрешающей способностью по расходу, т.к. за каждый период колебаний поверхностей зазора проталкивается одна микропорция газа и при работе с частотами 2(Н40 кГц на линейном участке рабочей характеристики разрешение при дозировании может составлять 0-7) мм3/с.

В конструкции нагнетателей, построенных на основе вибронесущих опор, отсутствуют трущиеся поверхности, что позволяет исключить гистерезис задания расхода и давления на рабочих частотах до 100 кГц. Кроме того, такие нагнетатели могут характеризоваться работой без загрязнения окружающей среды, возможностью функционирования в агрессивных средах при низких и высоких температурах. Указанные свойства нагнетателей могут оказаться полезными в нефтегазовой отрасли, химической промышленности, медицине, вакуумной, криогенной, автомобильной технике и др. Важную роль они могут иметь при разработке высокоточных натекателей газа в аналитической аппаратуре, где в настоящее время в большинстве случаев используется оборудование зарубежных компаний.

Содержанием настоящего исследования является изучение течения газа при его вибрационном сдавливании в тонких зазорах и каналах с профилированными поверхностями, которое продолжает рассмотрение вопросов в области вибронесущих газовых опор, рассматриваемых в работах Пэна, Константинеску, Н.Д. Заболоцкого, В.Н. Дроздовича, А.Г. Бургвица, Г.А. Завьялова и др.

К моменту начала настоящего исследования практически не существовало работ, посвященных расчету характеристик слоя газа, заключенного в тонких профилированных зазорах с вибрацией. Это обусловлено тем, что, во-первых, данные слои использовались только для создания несущей способности при создании опор и подвесов и самостоятельно эффект направленного течения газа для создания нагнетателей не-рассматривался, хотя в литературе факт существования средних за период расходов неоднократно упоминался. Во-вторых, наличие профилирования усложняет решение соответствующих краевых задач, т.к. профилирование вносит особенность в виде переменных коэффициентов, что усложняет процедуру решения. В-третьих, компрессорные свойства тонких зазоров и цилиндрических каналов (капилляров) с профилированием и вибрацией их поверхностей недооценивались.

В соответствии с этим актуальной является задача разработки методов исследования течения газа в зазорах с профилированием и вибрацией их поверхностей, которые позволят эффективно использовать потенциал слоев газа, заключенных в сопряженных зазорах, для расчета и проектирования нагнетателей с заданными характеристиками.

Цель и задачи исследования. Целью данной диссертационной работы является разработка методов исследования характеристик течения газа при его вибрационном сдавливании в узлах нагнетателей, содержащих зазоры с профилированными поверхностями.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математические модели течения газа в плоском зазоре, капилляре и их сопряжении с учетом профилирования и вибрации их поверхностей.

2. Реализовать аналитический метод решения разработанных моделей в предположении бесконечно большой частоты вибрации, получить зависимости для распределения давлений и расхода газа и в частных случаях сравнить их с известными ранее.

3. Разработать дискретные модели течения газа в плоском зазоре, капилляре и их сопряжении с учетом профилирования и при конечном значении частоты вибрации, методы и алгоритмы, позволяющие реализовать разработанные модели на ЭВМ в виде комплекса программ.

4. Провести вычислительный эксперимент и выполнить параметрические исследования влияния профилирования и вибрации поверхностей плоского зазора, капилляра и их сопряжения на характеристики течения газа в узлах нагнетателя.

5. Разработать метод согласования параметров плоского зазора и капилляра с профилированием и вибрацией ограничивающих поверхностей при их последовательном сопряжении и на его основе создать методику расчета нагнетателей.

6. Экспериментально подтвердить адекватность разработанных математических моделей- течения- газа в сопряженных плоском зазоре и цилиндрическом- канале с профилированными поверхностями и вибрационным сдавливанием газа при исследовании характеристик нагнетателя на примере компрессора «Кавитар».

Методы исследования. Математическое моделирование течения газа в плоском зазоре с вибрацией производится на основе уравнения Рейнольдса, а для капилляра на основе усеченного уравнения Навье-Стокса. Для получения аналитических решений используется метод, основанный на применении асимптотической теории тонкого слоя. Для получения численного решения используется конечно-разностный подход, где в условиях колебательной задачи решение производится на установление переходного процесса с учетом сходимости итерационного процесса. Экспериментальное исследование с использованием прямых и косвенных методов измерения параметров профилирования и вибрации на расход газа в сопряжении плоского зазора и цилиндрического канала при использовании современной высокоточной аппаратуры и статистической обработкой результатов измерений.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработаны математические модели течения газа в плоском зазоре и капилляре с профилированными поверхностями и вибрационным сдавливанием газа, которые включают уравнения с коэффициентами, учитывающими время и пространственные координаты. Сформулированы краевые задачи о распределении давлений в плоском зазоре и капилляре и получены их аналитические решения с использованием асимптотической теории тонкого слоя. Разработаны дискретные модели течения газа в плоском зазоре, капилляре и их сопряжении с учетом профилирования при конечном значении частоты вибрации их поверхностей для уточнения и расширения области аналитических решений соответствующих краевых задач.

2. Разработан алгоритм численного решения задачи о распределении давлений в сопряжении плоского зазора и капилляра, использующий конечно-разностное представление условий сопряжения на однородной сетке для получения непрерывных решений.

3. Предложен и обоснован метод согласования узлов нагнетателя, на основе рассматриваемых зазоров, который позволяет из условия равенства пневматических сопротивлений зазоров без учета вибрации определить параметры узлов, обеспечивающие оптимальные характеристики проектируемого нагнетателя.

4. Выявлены закономерности течения газа в сопряженных зазорах нагнетателя: увеличение расхода газа при согласовании параметров сопряженных зазоров по сравнению с максимальными расходами в отдельных зазорах, изменение направления течения газа с ростом амплитуды сдавливания слоя газа и др.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задачи исследования, включая использование обоснованных теоретических зависимостей и принятых допущений; сравнением результатов аналитических и численных решений, которые совпадают при больших значениях частотного параметра; совпадением частных аналитических решений с известными; использованием современной измерительной аппаратуры; совпадением результатов численного решения с результатами натурного эксперимента.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что на базе разработанных дискретных моделей создан комплекс программ, который позволяет производить расчет интегральных характеристик течения газа в нагнетателях, использующих сопряжение плоского зазора и цилиндрического канала с профилированными поверхностями при вибрационном сдавливании газа. Разработана инженерная методика расчета, которая в сочетании с комплексом программ позволяет эффективно проводить проектирование и расчет нагнетателей с заданными характеристиками. На основе разработанной методики сформулированы рекомендации по согласованию параметров рабочей части серийно выпускаемого компрессора «Кавитар», позволяющие повысить производительность компрессора.

Полученные результаты могут быть использованы в научно-исследовательских, проектных и конструкторских организациях при разработке устройств различного назначения, где необходимо создать требуемые значения расхода и давления с высоким разрешением и точностью. Так, полученные результаты можно использовать для создания нагнетателей, устройств прецизионного дозирования, автоматических задатчиков давления в диапазоне до 50 кПа, натека-телей, газовых уплотнений, устройств одоризации газа и др. В частности, полученные результаты позволили оптимизировать конструкцию микрокомпрессора аппарата аэрозольной терапии и получить «чистый», малогабаритный и бесшумный источник газа не имеющий аналогов в мире (подтверждено патентом).

Реализация работы. Разработанные методы расчета и программное обеспечение внедрены и были использованы при разработке прибора аэрозольной терапии (Per. уд. 29/06091000/2879-02, Серт. соотв. № 4368659 POCG.RU.AI045.B00117) на предприятии ЗАО НПО «Медприбор». Одна из программ разработанного комплекса «Программа расчета ультразвукового газового компрессора, построенного по Т-образной схеме "плоский слой-капилляр"» зарегистрирована в реестре программ для ЭВМ под № 2009614503.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, разработанные модели, методы, алгоритмы и результаты вычислительных экспериментов докладывались автором на XXIII и XXVI Российской школе по проблемам науки и технологий (г. Миасс, 2003, 2006) и на 62-ой научной конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ЮУрГУ, секция триботехники (г. Челябинск, 2010). Результаты, полученные в ходе выполнения работы, были отмечены грантом губернатора Челябинской области в 2004 году и грантом Промышленной Группы «Метран» в 2005 году.

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертационной работе, опубликовано 9 работ (из них 1 без соавторов), в том числе 8 статей, 1 доклад и получено одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ [85]. Статьи [62, 63, 68, 71] опубликованы в научных журналах «Вестник «ЮУрГУ» серия «Машиностроение» и «Трение и Износ», включенных в перечень журналов ВАК.

Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Математические модели течения газа при его вибрационном сдавливании в плоском зазоре и капилляре с профилированными поверхностями.

2. Аналитические решения задачи о распределении давлений в плоском зазоре и капилляре, полученные при бесконечном значении частоты вибрации.

3. Метод численного решения задачи о распределении давлений в Т-образном сопряжении плоского зазора и капилляра.

4. Результаты исследования характеристик течения газа в- плоском зазоре, капилляре и их сопряжении.

5. Метод согласования сопряженных зазоров и методика инженерного расчета нагнетателей, содержащих такие зазоры.

6. Результаты исследований, представленные в виде контурных диаграмм, которые в сочетании с инженерной методикой позволяют провести расчет и оптимизацию работы проектируемого нагнетателя.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, в котором сформулированы основные выводы по работе, списка исполь

Заключение диссертации по теме «Машиноведение, системы приводов и детали машин», Пашнина, Надежда Александровна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе рассмотрены вопросы, связанные с исследованием течения газа в плоском зазоре и капилляре с профилированием и вибрацией их поверхностей. Рассмотрена специфика течения газа в сопряженных зазорах, в частности в Т-образном сопряжении плоского зазора и капилляра, и предложен метод их согласования. Разработана методика расчета нагнетателей, построенных на основе рассмотренного сопряжения.

Проведенное комплексное исследование показало, что профилирование формирует в плоском зазоре и капилляре с вибрирующими поверхностями эффект направленного течения газа. Величина этого эффекта при реальных на сегодняшний день безразмерных амплитудах сдавливания слоя 0,6-0,7 позволяет получить г с «2 давление 10 Па и расход порядка 10 м/с.

В заключении перечислим основные результаты диссертационной работы и рассмотрим направления дальнейших исследований в данной области.