автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Исследование мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора с целью снижения гидравлического удара

На правах рукописи

Щука Ирина Олеговна РГб од

; г рин

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕМБРАННОГО БЛОКА МЕМБРАННО-ПЛУНЖЕРНОГО КОМПРЕССОРА С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА

Специальность 05.04.06 — Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск-2000

Работа выполнена на кафедре «Двигатели летательных аппаратов» Омского государственного технического университета.

Л

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кузнецов В.И. кандидат технических наук Бельков В. Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кабаков А.Н.

Доктор технических наук, доцент Ненишев A.C.

Ведущая организация:

АООТ Омское моторостроительное Конструкторское бюро

Защита диссертации состоится « 15 » декабря 2000 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 063.23.02 в Омском государственном техническом университет по адресу: 644050, пр. Мира, 11, корпус 6, ауд. 340.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан «_

2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета д. т. н., профессор

\m.4-oiLi, иг,.с

л.

Е.А. Воронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Работа посвящена исследованию мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора с целью снижения гидравлического удара для повышения ресурса мембран. В настоящее время мембранные компрессоры (МК) и мембранные насосы (МН) широко применяют в многочисленных промышленных производствах, в которых используются газы (МК) или жидкости (МН) высокой чистоты, не допускаются потери и загрязнения их посторонними веществами при сжатии. Впервые созданные в 20-х годах как лабораторных машины узкого назначения МК в настоящее время занимают видное место в ком-прессоростроении.

В МК и МН мембраны при сжатии не подвергаются одностороннему действию давления, что позволяет применять тонкие мембраны для создания высоких давлений. Однако прогиб металлической мембраны ограничивается прочностными свойствами материала, из которого она изготовлена, и даже в случае применения относительно тонкой высокопрочной стали он невелик (в большинстве конструкций 1 • 102 от диаметра мембраны в заделке).

Удельные малогабаритные показатели МК и МН определяются частотой рабочих циклов. Если частота рабочих циклов низка (f < 10 Гц), то массогабарит-ные показатели МК и МН не высоки f = ( 25-=-50 Гц). Анализ информации о состоянии развития МК и МН ведущих зарубежных фирм «Burton Corblin» (Франция) «Andreas Hofer» (Германия) «Amico» и «Durco» (США) за последние годы позволяет заключить, что каких-либо кардинальных изменений в этой области не произошло. Характерны неизменность конструктивных решений основных специфических узлов машин и постоянство номенклатуры их типоразмеров. Таким образом, работы по определению оптимальных размеров мембранного блока, созданию математических моделей и методик расчета расположения отверстий в распределительном диске (подложке), актуальны и имеют большое народнохозяйственное значение.

Цель и основные задачи работы. Теоретические и экспериментальные исследования МК для снижения величины гидравлического удара за счет оптимального расположения отверстий в распределительном диске. Для этого теоретически необходимо исследовать причины возникновения гидравлического удара при современном равномерном расположении отверстий по поверхности распределительного диска, составить математическую модель работы мембраны в мембранно-плунжерном компрессоре, составить методику расчета по определению мест рационального расположения отверстий по поверхности распределительного диска, разработать рекомендации по снижению величины гидравлического удара в МК.

Методы исследования. В работе использованы следующие методы:

а) теоретические - аналитические методы решения дифференциальных уравнений; современные методы программирования на ЭВМ; статические методы обработки экспериментальных данных;

б) экспериментальные - современные методы планирования и проведения эксперимента при оптимизации многофакторных процессов.

Научная новизна. В результате исследования получены результаты:

- создана математическая модель, описывающая процесс возникновения гидравлического удара в мембранно-плунжерном компрессоре;

- разработан метод определения величины кольцевых объемов между профилированными поверхностями распределительного и ограничительного дисков;

- методика расчета суммарной площади отверстий в распределительном диске;

- методика расчета расположения отверстий в распределительном диске МК для снижения величины гидравлического удара;

- разработана программа соответствующего инженерного расчета на ЭВМ.

Автор выносит на защиту следующие основные положения;

1. Математическую модель, описывающую процесс возникновения гидравлического удара в мембранно-плунжерном компрессоре.

2. Метод определения величины кольцевых объемов между профилированными поверхностями распределительного и ограничительного дисков

3. Методику расчета величины гидравлического удара в мембранном блоке компрессора.

4. Методику расчета кольцевых объемов между профилированными поверхностями распределительного и ограничительного диска.

5. Методику расчета суммарной площади отверстий в распределительном диске.

6. Методику расчета расположения отверстий в распределительном диске МК для снижения величины гидравлического удара.

Все выносимые на защиту положения и полученные автором результаты подтверждены испытаниями, дающими удовлетворительное совпадение теоретических и экспериментальных данных.

Практическая ценность. Предложенные методики и рекомендации позволяют улучшить качество проектирования, повысить достоверность результатов испытаний, дают возможность располагать отверстий в подложках мембранного блока, таким образом, чтобы величина гидравлического удара была минимальной.

Реализация работы. Результаты проведенных исследований, рекомендации по проектированию мембранного блока мембранного компрессора, методика расчета оптимального расположения отверстий в подложках приняты в качестве

рекомендаций для проектирования и расчета подобных устройств АООТ «Омское машиностроительное конструкторское бюро» (г. Омск).

Полученные результаты могут быть рекомендованы к использованию на предприятиях машиностроения, занимающихся разработкой, созданием и производством мембранных компрессоров, а также в учебном процессе при изучении отдельных разделов дисциплины «Компрессорные машины».

Достоверность результатов работы. Обусловлена качественным и количественным соответствием теоретических результатов известным, а также результатам численного и физического моделирования.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (Н. Новгород, 1998); на научно-практической конференции Промтехэкспо-99 «Роли инноваций в развитии регионов» (Омск, 1999); на III международной научно-технической конференции «Динамика систем механизмов и машин» (Омск, 1999); на 12-ом Межвузовском научно-техническом семинаре «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология» (Казань, 2000).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 печатных работ, патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и акта внедрения. Общий объем составляет 153 е., в том числе основного текста 102 , 35 рис. и 9 табл., список литературы 40 наименований на 3 е., 3 приложения на 36, акт внедрения 1 е., копия патента на изобретения 1 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана область применения мембранных компрессоров , перспективы развития и факторы, сдерживающие более широкое применение мембранных компрессоров в промышленности.

В первой главе проведен обзор и анализ состояния работ по исследованию мембранных компрессоров и область их применения, обоснована актуальность работы, посвященной исследованию мембранного блока мембранного компрессора, сформулирована новизна и практическая значимость исследования.

Теоретическим и экспериментальным исследованиям мембранных компрессоров посвящены работы С.М. Алтухова, A.B. Жукова, В.Д. Кузнецова, Э.А. Левина, С.Ф. Шагова, Г.Ф. Даля, В.А. Соколова, Э.С. Гриднева, В. А. Румянцева, И.О. Зеря, Г. А. Перерва, В. А. Пчелинцева, Dohme I., Decker Е., Stefamides Е., Hinton и др.

На основании приведенного литературного обзора сформулированы следующие задачи исследования:

1. Определение причины возникновения гидравлического удара в процессе работы мембранного компрессора.

2. Составление математической модели, описывающей работу мембраны в мембранно-плунжерном компрессоре.

3. Разработка рекомендаций по снижению величины гидравлического удара в мембранном компрессоре.

Показано, что для повышения конкурентоспособности МК необходимо добиваться снижения их металлоемкости, одним из путей снижения которой является увеличение частоты рабочих циклов до величины f = 25^-50 Гц.

Во второй птаве приведены теоретические исследования мембранно-плунжер-ного компрессора. Дан анализ работы мембранно-плунжерного компрессора. Получено основное дифференциальное уравнение для прогибов круглой тонкой пластинки при осесимметричном нагружении.

Приведена математическая модель, описывающая работу мембраны в мембранно-плунжерном компрессоре. Для составления математической модели найдено уравнение доя определения объема, заключенного между мембраной и распределительным диском, как тело вращения образующей поверхности подложки вокруг оси Оу

М|Г1 =1р(у)с1у, (1)

8

Ф

о

где Р(у) = тг[Г(у)]2 = ях2.

Интегрирование уравнения (1) дает возможность определить объем между горизонтальным положением мембраны и поверхностью распределительного диска, т.е.

«Г, =—й 6. (2)

12 1 4 >

где: (1] - диаметр мембраны в заделке;

5 - максимальный прогиб мембраны, когда она полностью прижата к распределительному диску.

Выведены уравнения для расчета мест расположения отверстий для безударного подвода жидкости под мембрану. Показано, что когда весь объем жидкости находится между распределительным диском и мембраной, то его можно разбить на элементарные кольцевые объемы тремя способами:

- все кольцевые объемы взять равновеликими;

- у кольцевых объемов равновелики площади оснований при разных высотах;

- у кольцевых объемов берется равной толщина колец, а их высоты будут различны (рис. 1).

Из этих трех способов необходимо найти лучший.

1) Уравнение для расчета геометрических размеров равновеликих объемов между подложками находится следующим образом. Весь объем между подложками разбивается на 1 равных кольцевых объемов (¡=1,2,..., к)

Во все элементарные объемы будет подводиться одинаковое количество жидкости и, следовательно, площадь отверстий для подвода жидкости в эти элементарные объемы будет одинаковой.

Объем ¡-го кольца (¡=1,2,..., к) можно определить по формуле

и

»,=—■ (3)

к

где \УП- объем пространства между подложками.

Величину объема ьго кольца кроме того можно определить из уравнения

= 1Р(у)сЛу, (4)

которое после интегрирования имеет вид

4

и5л/5|+1-5(

4

(5)

Решение последнего уравнения относительно неизвестной величины <3|+1 дает следующий результат

<г +

/ , \ Г с^

1 + 2

1 _

X а?, Г<1

К

1 + 2

£

я5

(6)

Из трансцендентного уравнения (4) определяется диаметр Л . 2) Уравнение для расчета геометрических объемов между подложками, у которых площади кольцевых сечений равновелики.

Площадь профилированной подложки проектируется на горизонтальную плоскость и разбивается на 1 равновеликих площадей ¡=1,2,..., к.

8,=8,=... = 8к=^ (7)

Во все к объемов необходимо подводить количество жидкости прямо пропорциональное этим объемам. Следовательно, площади отверстий для подвода жидкости в эти объемы должны быть прямо пропорциональны подводящим объемам жидкости.

Кольцевой объем тела вращения, заключенный между горизонтальной плоскостью и профилированной поверхностью подложки (решетки) определяется по уравнению

V

Г Р(у)с1у + -(<1?-<£,>„ 5, 4

где Р(у)=7Тх2 - площадь поперечного сечения тела перпендикулярного к оси вращения Оу; у - ордината сечения; 5, 51+1 - ординаты сечений, в пределах которых изменяется образующая тела вращения; х=А(у) - уравнение образующей тела вращения (решетки).

Уравнение образующей тела вращения имеет вид

1-Я

(9)

где ка2 = — (с!,2 -<!?,)- площадь основания кольцевого объема. 4

После подстановки пределов интегрирования и приведения подобных членов находится формула для определения кольцевых объемов

-(а.2-0(5,.+ 25.) 12

(10)

Так как площади кольцевых сечений равны между собой, то можно записать соотношения

4 4 4 к

или

Суммарная площадь определяется по формуле

71

§ т=-й2 =-(1?. "г , шах

4 4

На основании вышеизложенного можно записать

Б

4 к

тек

БЕ

=>(1,

лк

4 к

як

(И)

(12)

Высоту кольцевых объемов, заключенных между горизонтальной плоскостью и профилированной поверхностью подложки (решетки) можно определить по уравнению

V

б: = 5

1-

j 2 max /

(14)

Площадь отверстий для подвода жидкости в Ьый объем (\^) определяется из соотношения

S: = S

s к

(15)

3) Уравнение для расчета геометрических размеров кольцевых объемов между подложками, которые имеют одинаковую толщину колец.

Весь объем между подложками разбивается на к кольцевых объемов, которые имеют одинаковую толщину колец

d,-d2 =d2-d3 =d3-d4 = .-- = dt_1-dt =-

(16)

В каждый из к кольцевых объемов будет подводиться количество жидкости пропорциональное величине этих объемов.

Объем 1 - ого кольца можно определить по формуле

wi=-(dIi-dftl)(Sltl+28,)> 12

mei=l,2,...,k

d=d ; d=d =0.

i max7 к mm

Высота кольца на i-ом диаметре

, \2

(17)

&=6

I —

(18)

Таким образом, решая систему 3-х уравнений (16), (17), (18) с тремя неизвестными можно рассчитать площади и расположение отверстий в подложке для подвода жидкости в эти объемы те,. Площадь отверстий должна быть пропорциональна объему .

Анализ трех различных методов определения величины кольцевых объемов между профилированными поверхностями подложек показал, что наиболее ггростым методом является тот, где кольцевые объемы имеют одинаковую толщину колец, а величины 5 и ^ определяются по формуле:

5, =6

1--

(19)

шах /

шах у

л =г) _ к к-1

Анализ работы мембраны в мембранно-плунжерном компрессоре позволил составить математическую модель, которая имеет вид:

Рис. 1. Схема мембранного блока

6. =5

\2

1 —

тах У

(21)

(22)

Суммарная площадь отверстий в подложке для прохода через нее жидкости

<5* I Р

ц у 2Др

(23)

где: С>м - объем жидкости, поступающий в пространство между подложками за один двойной ход плунжера; р - плотность жидкости; [1 - расходный коэффициент; Ар - разность давлений перед отверстием и за ним.

Площадь отверстий для подвода жидкости в ¡-ый объем (\у.)

г к 2>.

Силу, действующую на мембрану со стороны воздуха перед началом нагнетания, можно определить как произведение давления в полости всасывания на площадь мембраны (Б ).

Р-РА (25)

Минимальная площадь отверстий в подложке должна быть такой, чтобы усилие от давления масла на мембрану в начале хода нагнетания было больше, чем сила, с которой воздух давит на мембрану, т.е.

Ря

I - — (26)

где р — давление нагнетания.

Суммарную площадь сечения отверстий можно уменьшить, если отверстия

соединить канавками. При этом должно быть соблюдено условие

р

— (27)

Р„ 4 '

где Бк - площадь канавок.

Количество отверстий в подложке

* „у

в—(28) Эй™ лс!^, 4 '

Мшовенная подача жидкости при ходе нагнетания

= (29)

где г - количество плунжеров, одновременно вытесняющих жидкость в напорный трубопровод; Б - площадь плунжера; Ь. - путь, пройденный плунжером за время

Величина пройденного плунжером пути при повороте барабана на угол а

Ь=8(1-со5а), (30)

где £ - эксцентриситет.

Угол поворота плунжера за время А1.

а=36(УЧД1, (31)

где Г - частота вращения барабана (число двойных ходов мембраны в единицу времени).

Мгновенная скорость движения плунжера (текущее значение скорости)

<3х Ь

умг„ = — = -соБ1па, (32)

А 2

а текущее значение его ускорения

d2x h 2

J„ =-= —и cosa, И"?-»

dt2 2

где (O - угловая скорость; h=2s - полный ход плунжера; ОС - угол поворота барабана.

Максимальная скорость движения жидкости в отверстии

у „ Q мнг

отпж - (34)

5<n. I

Действительная скорость движения жидкости через отверстия подложки должна быть на 3-И 0 % меньше максимальной

V =(0,90-j-0,97)V (35)

отв v ' 5 ' отв шах v '

Показано, что оптимальное расположение отверстий в подложке иногда нельзя осуществить по конструктивным соображениям, в результате чего может возникнуть гидравлический удар. Если жидкость, поступающая из под плунжеров насоса в полость между распределительным диском и мембраной, заполняет все кольцевые объемы не одновременно, то после заполнения одного кольцевого объема жидкость начнет распространяться в радиальном направлении и заполнять соседние кольцевые объемы. При равномерном распределении отверстий по поверхности подложки жидкость в первую очередь заполнит периферийные кольцевые объемы и в радиальном направлении начнет перемещаться от периферии к оси, что может вызвать появление гидравлического удара.

Для расчета повышения давления за счет гидравлического удара скорость радиального движения жидкости перед началом торможения определялась по известной формуле

С =

1

Р , Pd,„_ (36)

—+

1к 8Е

где ёзга - эквивалентный диаметр; Е - модуль упругости жидкости; 8 - толщина стенки, м.

Составлены методики расчета гидравлического удара при ходе всасывания и нагнетания мембранно-плунжерного компрессора.

Расчет по этим методикам показал, что возникающий гидравлический удар приводит к появлению пиковых напряжений на мембране и вызывает ее преждевременное разрушение.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований мембраны при отсутствии гидравлического удара. Для этого был изготовлен вибрационный стенд (рис. 2), состоящий из мембранного блока 1, кривошипно-шатунного механизма 2, стола 3 с закрепленным на нем мембранным блоком, основания 4, электродвигателя 5 и частотомера 6.

Рис. 2. Вибрационный стенд ВМ-15М

Были испытаны мембраны из нержавеющей стали 35ХГРЮ, шведской стали для мембран, меди и нитинола при амплитуде 1,5 мм и частоте £=80 Гц.

Каждый из 4-х образцов испытывался в течение 15 часов. Разрушения мембран не произошло. Затем испытания мембран при амплитуде колебаний равной 0,1 мм из стали 35ХГРЮ и нитинола были продолжены до достижения суммарного числа циклов 107. После разборки установки было определено, что разрушений материала мембраны не произошло. Из литературы известно, что предел выносливости для симметричного цикла у сталей ориентировочно можно считать равным

а* (0,55-0,0001а,К

где а - предел прочности в Мпа.

Для большинства сталей при умеренных температурах кривая усталости, начиная с числа циклов N=10' становится практически горизонтальной, т. е. образцы выдержавшие указанное количество циклов, не разрушается и при дальнейшем нагружении. Поэтому испытания сталей прекращаются при М=( 1 -К2) 107 циклов. Поэтому можно утверждать, что материал мембраны выдержит требуемые 109 циклов.

В четвертой главе показаны результаты расчета процесса всасывания и нагнетания мембранного компрессора при абсолютно гибкой мембране с равномерно расположенными отверстиями по поверхности подложки. Расчет проводился по программам на ЭВМ, изложенным в приложении к диссертации. При проведении расчетов принималось, что мембрана абсолютно гибкая и принимает форму фронта движущейся жидкости (сжимаемой и несжимаемой) до тех пор пока не ляжет на ограничительный диск. Результаты расчета приведены в на рис. 3 и рис. 4. На графиках показано изменение положения фронта жидкости через время М = 2 • 10"3 с по радиусу мембраны г. Из графиков видно, что при абсолютно гибкой мембране ее форма претерпевала бы излом в точках

перегиба фронта жидкости. Так как металлическая мембрана обладает жесткостью, то форма ее прогиба будет плавной. Однако в точках перегиба фронта жидкости в мембране будут возникать дополнительные усилия, приводящие к ускоренному разрушению мембраны по окружности на радиусах, соответствующих перегибу фронта жидкости. Следовательно, равномерное расположение отверстий по поверхности распределительного и ограничивающего дисков (подложек) приводит к возникновению дополнительных усилий, приводящих к ускоренному разрушению мембраны.

Рис. 3. Изменение положения фронта жидкости при абсолютно гибкой мембране через промежуток времени А1 = 2-10"3с по радиусу мембраны г е процессе всасывания

Рис. 4. Изменение положения фронта жидкости при абсолютно гибкой мембране через промежуток времени Д1 = 2-1(Г3с по радиусу мембраны г в процессе нагнетания

ВЫВОДЫ

На основании проведенных в работе теоретических и экспериментальных исследований можно сформулировать следующие выводы:

1. Составлена математическая модель, описывающая процесс возникновения гидравлического удара в мембранном блоке мембранно-плунжерного компрессора. Показано, что гидравлический удар возникает в том случае, если жидкость (сжимаемая или несжимаемая) приобретает движение от периферии мембраны к ее оси.

2. Составлены методики расчета величины гидравлического удара в мембранном блоке компрессора при ходе всасывания и нагнетания.

3. Составлена математическая модель и методика расчета мест расположения отверстий в распределительном диске мембранного блока для снижения величины гидравлического удара.

4. Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, составлены методики проведения лабораторного эксперимента и обработки экспериментальных данных.

5. Разработана программа инженерного расчета на ЭВМ характеристик гидравлического удара в мембранном блоке.,

6. Проведен лабораторный эксперимент, результаты которого подтверждают теоретические исследования.

7. Результаты работы могут быть использованы при разработке и изготовлении мембранных компрессоров.

Основные положения диссертации опубликованы в работах

1. Щука И.О., Кузнецов В.И. Метод определения массового расхода жидкостей и газов//Методы и средства измерений физических величин. Тез. докл. III Всеросс. науч. -техн. конф., 4.IV, Н.Новгород, 1998. с.25.

2. Щука И.О., Кузнецов В.И. Счетчик количества жидкости и газа// методы и средства измерений физических величин. Тез. докл. III Всеросс. науч.-техн. конф., ч. IV, Н.Новгород, 1998. с.25.

3. Щука И.О., Кузнецов В.И. Исследование мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора // Роли инноваций в развитии регионов. Тез. докл. науч.-практич. конф. Промтехэкспо-99, Омск, 1999. с.45-46.

4. Щука И.О., Кузнецов В.И. Процесс возникновения гидравлического удара в мембранно-плунжерном насосе // Динамика систем, механизмов и машин; Матер. III междунар. науч.-техн. конф.-Омск, ОмГТУ, 1999. с. 271.

5. Щука И.О., Кузнецов В.И. Математическая модель работы мембраны в мембранно-плунжерном насосе // Динамика систем, механизмов и машин // Матер. III Междунар.науч.-техн.конф.-Омск,ОмГТУ, 1999.С.272-273.

6. Патент №2145060. "Устройство для определения массового расхода текучих сред". А.В.Бубнов, В.И.Кузнецов, В.К.Федоров, И.О.Щука опубл. 27.01.2000г. Бюлл.№3.

7. Щука И.О., Кузнецов В.И. Физическая модель взаимодействия жидкости и мембраны в мембранно-плунжерном насосе // Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология, ВАУ, Казань.

2000. Ci 109-111.

8. Щука И.О., Кузнецов В.И. Математическая модель взаимодействия жидкости и мембраны // Ввнутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология. ВАУ. Казань. 2000. с. 111-112.

9. Щука И.О., Кузнецов В.И., В.Г.Юминов Распределительный диск пневмогидромашины мембранного типа. - Заявка на изобретение №2000122181/ 20(023427) or21.08.2000.

Компьютерная верстка О. Н. Савостеевой

ЛР № 020321 от 28.11.96

Подписано в печать 10.11.2000 Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Усл.-печ. л. 1. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100. Заказ 179.

Издательство ОмГТУ. 644050, Омск, пр. Мира, 11