автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Исследование рабочих процессов и разработка конструкции двухроторного пневмоагрегата с нелинейной синхронизацией роторов

На правах рукописи

Гуров Александр Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ДВУХРОТОРНОГО ПНЕВМОАГРЕГАТА С НЕЛИНЕЙНОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ РОТОРОВ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 АПР 2015

Омск-2015

005566395

005566395

\На правах рукописи

Гуров Александр Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ДВУХРОТОРНОГО ПНЕВМОАГРЕГАТА С НЕЛИНЕЙНОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ РОТОРОВ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск-2015

Работа выполнена на кафедре «Холодильная и компрессорная техника и технология» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет».

Научный руководитель: Юша Владимир Леонидович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Прилуцкий Игорь ЬСирович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Криогенная техника» СПбНИУ ИТМО «Институт холода и биотехнологий»

Белова Ольга Владимировна,

кандидат технических наук, доцент кафедры Э-5 «Вакуумная и компрессорная техника» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана».

Ведущая организация: ООО «Научно-технический комплекс

«Криогенная техника», г. Омск

Защита диссертации состоится 24 апреля 2015 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета Д 212.178.10 по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет», ауд. 6-340.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» и на сайте ОмГТУ www.omgtu.ru

Автореферат разослан «// » Ап^л 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. физ.-мат. наук, профессор

В.И. Суриков

Актуальность темы. Пневмоагрегаты получили широкое применение в тех отраслях промышленности, где к оборудованию предъявляются повышенные требования по обеспечению пожаровзрывобезопасности (химическая, горная и др.) и по этому критерию пневмопривод существенно превосходит электропривод и двигатели внутреннего сгорания.

В настоящее время в качестве пневмопривода наиболее широко используются поршневые пневмоагрегаты, обеспечивающие помимо безопасности хорошие пусковые характеристики, допускающие нерасчётные перегрузки по крутящему моменту, имеющие эффективные контактные уплотнения в рабочей камере, обеспечивающие высокую экономичность по сравнению с пневмоагрегатами роторного типа Исследования и разработки, выполненные в нашей стране под руководством и при участии

A.В.Докукина, А.П. Германа, Б.Н. Бежанова, И.К. Прилуцкого, А.Н. Кабакова,

B.C. Калекина и других учёных показали высокую эффективность поршневых расширительных машин, в том числе пневмоагрегатов, при различных конструкциях органов газораспределения, при использовании в комбинированных компрессорно-расшири-тельных агрегатах, при работе на повышенных давлениях и т.д. Вместе с тем роторные (или ротационные) пневмоагрегаты также имеют свои преимущества. Это хорошая уравновешенность и отсутствие вибраций, малые вес и габаритные размеры, высокие надёжность, ресурс и ремонтопригодность по сравнению с поршневыми пневмоагрегатами. Наиболее распространёнными типами роторных пневмоагрегатов являются шестерёнчатые, шиберные (роторно-пластинчатые), винтовые. В работах С.Б. Зеленицкого, В.Д. Зиневича, А.И. Рыльского, В.И. Шеремета, JI.A. Гешлина, Г.И. Кусницына, И.А. Сакуна, A.J1. Верного, Ю.И. Диментова, И.Г. Хисамеева, Е.Р. Ибрагимова и других исследователей показано, что основным конструктивным недостатком агрегатов, относящихся к роторным машинам объёмного действия, является развитая сеть зазоров, в том числе бесконтактных, между взаимно-подвижными деталями, формирующими рабочую камеру, что определяет высокую интенсивность перетечек рабочего газа через зазоры и связанную с этим низкую экономичность рабочего процесса. Этот недостаток может быть компенсирован путём минимизации суммарной длины зазоров в рабочей камере и увеличения их гидравлического сопротивления. Применительно к роторным пневмоагрегатам это может быть обеспечено в двухроторных пневмоагре-гатах с нелинейной синхронизацией роторов (РПНС). Такой тип машин объёмного действия известен в компрессорной технике (РКНС) и двигателестроении, им посвящены работы В.П. Вовка, Я.Ф. Стадника, Ю.К. Козловскго, E.J1. Черешкова, Юши В.Л., Мотокава Хироси, G. Jungbluth, P. Sobek, М.А. Lipkou, E.L. Sinnot, Е. Klesatschke, F.W. Seybold, J.S. Baer, R.K. Cordray. Однако применение таких машин в качестве пневмоагрегатов и результаты исследований эффективности рабочего процесса таких пневмоагрегатов из доступных источников информации на сегодняшний день неизвестны.

Актуальность данной работы состоит в повышении энергетической эффективности РПНС путём минимизации периметра зазоров в рабочей камере при различных вариантах её компоновки и увеличения гидравлического сопротивления этих зазоров, в том числе при бесконтактном исполнении; в разработке методики расчёта пневмоагрегатов такого типа.

Связь темы диссертационного исследования с общенаучными, государственными программами. Работа выполнена в рамках госбюджетной НИР № ГР 1606440 «Поисковые исследования путей создания комбинированного двигателя нового типа на основе использования роторно-поршневого газогенератора и газотурбинной расширительной машины».

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является повышение энергетической эффективности рабочего процесса пневмоагрегатов роторного типа путём применения двухроторного агрегата с нелинейной синхронизацией роторов с усовершенствованной конструкцией рабочей камеры.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику экспериментальных исследований течения газа через щелевые зазоры при стационарном и нестационарном режимах течения и провести эти экспериментальные исследования.

2. Выполнить сравнительный анализ результатов экспериментального исследования течения газа через щелевые зазоры при стационарном и нестационарном режимах течения и разработать методику расчёта расхода газа через зазоры, применимую в методике расчёта рабочего процесса РПНС.

3. Провести комплекс экспериментальных исследований рабочего процесса ступени РПНС и получить результаты для верификации методики расчета рабочего процесса ступени РПНС.

4. Разработать методику расчета рабочего процесса ступени РПНС с учетом вновь полученных эмпирических зависимостей.

5. Провести расчетно-параметрический анализ рабочего процесса ступени РПНС, определить влияние на эффективность рабочего процесса соотношения между высотой и шириной рабочей ячейки и разработать рекомендации по конструированию рабочей камеры РПНС; выполнить сравнительную оценку влияния конструкции и компоновки рабочей камеры на эффективность работы РПНС и РКНС.

6. Разработать инженерную методику оценки применимости бесконтактных уплотнений в рабочей камере РПНС.

Научная новнзна заключается в следующем:

- разработана методика экспериментального исследования течения газа через щелевые зазоры при нестационарном режиме течения газа; новизна методики подтверждена патентом РФ на изобретение и патентом РФ на полезную модель;

- определено влияние подвижности стенок зазоров и изменения давлений газа в сообщающихся полостях на характер течения газа, а также влияние лабиринтных канавок на пропускную способность плоского щелевого зазора;

- получены эмпирические зависимости для расчёта коэффициентов расхода газа через плоские щелевые зазоры с лабиринтными канавами, применимые в методике расчёта рабочего процесса РПНС;

- разработана методика расчета рабочего процесса ступени РПНС с учетом вновь полученных эмпирических зависимостей и особенностей конструкции агрегатов такого типа;

- определено влияние компоновки рабочей камеры РПНС, структуры и типоразмеров зазоров в ней на экономичность рабочего процесса ступени РПНС.

Практическая ценность состоит в следующем:

- предложена альтернативная усовершенствованная конструкция пневмоагрегата объёмного принципа действия;

- разработана инженерная методика оценки применимости бесконтактных уплотнений в рабочей камере двухроторного пневмоагрегата с нелинейной синхронизацией роторов;

- разработаны практические рекомендации по конструированию рабочей камеры двухроторных пневмоагрегатов с нелинейной синхронизацией роторов;

- рекомендации по конструированию рабочей камеры двухроторных агрегатов с нелинейной синхронизацией роторов рекомендованы к использованию в ОАО «Омское моторостроительное КБ».

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается:

- использованием в методике расчёта фундаментальных законов физики и достоверных эмпирических соотношений, обоснованным выбором расчётной схемы;

- применением современных измерительных приборов, оборудования и компьютерной техники при проведении экспериментальных исследований;

- удовлетворительным совпадением результатов расчёта с экспериментальными данными.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Международных научно-технической конференциях по компрессорной технике (Казань 2001, 2011; Сумы 2004), «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск 2002, 2004), "12th International scientific and engineering conference Hermetic sealing, vibration reliability and ecological safety of pump and compressor machinery" (Kielce, 2008), «Низкотемпературные и пищевые технологии XXI веке (С.-Петербург, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 2 депонированные рукописи, 3 тезиса докладов, 3 статьи в сборниках Международных научно-технических конференций, 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы. Диссертация содержит 258 страниц текста, 98 рисунков, 7 таблиц. Список литературы включает 121 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены актуальность, научная и практическая значимость работы, представлено краткое содержание всех глав, сформулированы цель и задачи работы.

В первой главе представлен анализ рабочих циклов пневмоагрегатов и рабочих процессов, протекающих в их проточной части, представлен анализ существующих конструкций пневмоагрегатов роторного типа, отмечены их основные достоинства и недостатки. Проведена оценка возможности применения роторного агрегата объёмного действия с нелинейной синхронизацией роторов в качестве пневмоагрегата.

Выполнен анализ известных теоретических и экспериментальных исследований течения газа через микрощелевые каналы (работы С.Е. Захаренко, A.B. Богачевой, Н.М. Зотова, A. Egli, А.Т. Канищева, S.K Grinel, И.П. Гинзбурга и других), приведена классификация зазоров и анализ подвижных сопряжений между деталями рабочей

камеры РПНС. Отмечены факторы, влияющие на процесс течения газа, которые не учитывались как при проведении этих исследований, так и при расчёте рабочих процессов роторных агрегатов объёмного действия различного назначения.

Представлены результаты анализа конструкции роторного агрегата объёмного действия с нелинейной синхронизацией роторов; а также обзорного анализа теоретических и экспериментальных исследования агрегатов объёмного действия поршневого и роторного типа; в том числе методик расчёта их рабочих процессов, основанные на математическом моделировании рабочих процессов агрегатов объёмного действия. Этим вопросам посвящены работы таких авторов, как П.И. Пласгинин, И.К. Прилуцкий, Б.С. Фотин, Б.С. Хрусталев, Л.Н. Рыжиков, Ю.А. Паранин, В.Л. Юша, А.Н. Кабаков, В.С. Калекин, А.Д. Ваняшов, Е.Г. Бычковский, и других.

По результатам проведённого обзорного анализа сформулированы цель и основные задачи исследования.

Во второй главе представлена уточненная математическая модель позволяющая выполнять расчеты текущих параметров рабочего процесса роторного пневмоагрегата с нелинейной синхронизацией роторов, а также интегральных характеристик, с учетом различных типов зазоров (контактных, бесконтактных, с лабиринтным уплотнением) и методики расчёта расхода газа через зазоры, выбор и обоснование которой представлены в 3 главе.

В качестве основных допущений приняты традиционные допущения для математических моделей агрегатов объемного действия: непрерывность среды, гомогенность рабочего тела, допущение о составе газа, одновременность изменения параметров газа по всему объему, малое изменение кинетической и потенциальной энергии газа, упрощенное представления тепловых процессов, постоянство давления в рабочих полостях элементов газораспределения, равномерное вращение вала агрегата; для течения газа в зазоре принято допущение о квазистационарном, ламинарном и изотермическом при средней температуре элементов рабочей камеры при движении газовой среды в зазоре между подвижными частями агрегата [1...6].

Основные уравнения, на базе которых выполнена математическая модель [1.2]:

- уравнение первого закона термодинамики для тела переменной массы:

¿и = ад-<и+- £>^<4^.

' J

где ¿и — изменение внутренней энергии; - элементарное количество теплоты, подведённой к газу, в контрольном объёме, от окружающей среды и отведённой от газа, в контрольном объёме, к окружающей среде; _ элементарная деформационная работа в контрольном объёме; ^твх, и 'вх, - '-я присоединённая масса и её удельная энтальпия; ¿твыху и 1вш, - 7 -я — отделяемая масса и удельная энтальпия рабочего тела в контрольном объёме.

— уравнение сохранение массы

<1т = (1твс+с1тн +'^с!т1 где <1т - изменение массы газа в цилиндре за время <Л; (1твс, с1ти и 2с1т, - массы газа, поступающего в цилиндр или уходящего из него за время Л через, соответственно, всасывающие клапаны, нагнетательные клапаны и неплотности рабочей полости цилиндра.

- уравнение состояния газа

РУ = т-Я'Т

где Р - давление газа в камере; V- объем рабочей камеры; Т - температура в рабочей камере, т - масса газа в рабочей камере; Я - универсальная газовая постоянная.

Определение объемов рабочих камер для ступени роторного агрегата с нелинейной синхронизацией роторов осуществляется следующими соотношениями [3] (расчетная схема представлена на рис. 1):

- для первой (/) рабочей камеры:

К, =0,125

- для второй {1Г) рабочей камеры:

У1Л=0Л25(о2ц-4тУц£„

где Оц . диаметр цилиндра, ¿ст - диаметр ступицы, Ац - длина цилиндра, ■?/ и .

Текущие углы раствора рабочих ячеек, определяются следующими соотношениями:

- для первой (/) рабочей ячейки:

=2агс5гп^)+§и4агсБт^)-2агс5т^ япа)

- для второй (II) рабочей ячейки:

= 2агсзт(е)+ £м4агсз1п(е)+2 агс5т(е5та)

где а - угол поворота вала; е - относительный эксцентриситет, равный отношению эксцентриситета е к радиусу Л, - минимальный угол раствора рабочих ячеек (мертвый объём).

Рис. 1 Расчетная схема для математической модели ступени роторного агрегата с нелинейной синхронизацией роторов

Для расчета теплообмена между газом и стенками, ограничивающими рабочую полость, принята упрощенная методика. Теплообмен определяется, как сумма тепло-обменов газа со всеми поверхностями формирующими рабочую камеру на каждом расчетном шаге-

Для роторного пневмоагрегата с нелинейной синхронизацией роторов это теплообмен с внешней поверхностью цилиндра dQu ; с поверхностью ступицы dQCT; ДВу. мя торцевыми поверхностями dQT и двумя поверхностями роторов dQp :

dQ = dQa + dQCT + 2 dQT + 2 dQP

Для определения составляющих данного уравнения используется уравнение Ньютона-Рихмана:

Q = aF(Tr-Tcr)

где F - площадь поверхности теплообмена, рассчитывается на каждом расчетном шаге, а - коэффициент теплоотдачи между газом и стенками емкости (для поршневого принимается на основе опыта проектирования, значения которого находятся в преде-Вт

лах 200-4000 ^, для роторного пневмоагрегата используется уравнение

а = 836,451 • П + 0,518 ■ n- 1734,75Тг . температура газа, Тст - температуры стенок цилиндра, разработанная И.И. Шараповым, и A.M. Ибраевым [7].

Методика расчёта расхода газа через зазоры основана на уравнении для несжимаемой жидкости с введением коэффициента сжимаемости. Коэффициент расхода № определяется по эмпирическим уравнениям, полученных автором в ходе экспериментальных исследований (глава 3).

Схема для расчета утечек рабочего тела через зазоры в рабочей камеры РПНС представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема потоков газа через зазоры в рабочей камеры РПНС

Высота зазоров принималась с учётом тепловой деформации деталей, формирующих рабочую камеру РПНС, оценка которая проводилась расчётным путём с применением пакета АЫ8У8(модули ANSYS Steady-State Thermal и ANSYS Static Structural (Samcef) (Рис. 3).

Кроме этого, в главе представлены результаты верификации разработанной методики определения коэффициентов расхода с результатами их определения с использованием лицензионного программного комплекса ANSYS. Полученные теоретические результаты позволили оценить качественную картину течения газа через плоские и щелевые зазоры, подтвердили возможность применения полученных эмпирических зависимостей (Рис. 4, 5).

Рис. 3. Расчетная температурная деформация цилиндра

Рис. 4. Графическое отображение линий тока и распределения скоростей при течении газа в зазорах

Проверка математической модели на адекватность дает вполне приемлемую сходимость результатов, полученных при математическом моделировании и проведенном экспериментальном исследовании. Проверка на адекватность математической модели проводилась по имеющимся результатам индицирования роторного компрессора с нелинейной синхронизацией роторов, полученных ранее В.Л. Юшой, а также по экспериментальным интегральным характеристикам ступени РПНС, полученных лично автором (глава 3).

_____

0.45

0,05

\ Лабиринтный зазор (расчет А^БУЗ)

0

О

100

200

300

Перепад давления, кПа

400

500

600

Рис. 5. Сравнение экспериментальных и расчетных результатов определения величины коэффициента расхода газа через зазоры

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям.

Статические продувки. Методика определения коэффициента расхода при статических продувках заключается в определении его из уравнения для несжимаемой жидкости, в котором в качестве экспериментальных данных известны объемный расход газа, площадь щелевого зазора, плотность и давление газа на входе в щелевой зазор, давление газа на выходе из него, а также коэффициент сжимаемости. Экспериментальные продувки проводились на стенде (Рис. 6), в котором установлен продувочный узел (Рис. 7). В нём имитировались зазоры, характерные для рабочей камеры РПНС: гладкие зазоры высотой 40, 70, 120 мкм и глубиной от 5 мм до 50 мм; лабиринтные зазоры высотой от 70 мкм до 120 мкм, глубиной 50 мм и для различного количества канавок, имитирующих лабиринтное уплотнение. Количество канавок исследуемого уплотнения на длине 50 мм, составляло 1, 3, 7, 16 шт. Всего в продувочном узле использовалось 9 втулок с различными типоразмерами зазоров.

После проведения экспериментов и получения массива данных, на основании теории анализа размерностей получено математическое выражение для определения коэффициента расхода газа:

Коэффициенты а0, а,, а2 определяются при помощи метода наименьших квадратов с использованием полученных результатов эксперимента.

В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения для расчета коэффициента расхода газа: - для гладких зазоров:

0<Ке<1000

11е>2300

■ для лабиринтных зазоров: 1

16

( X Л" 058

/и = 0,00448 Яе0 529

ц = 0,00609 Ке0 541

/л = 0,00801 Ке0 539 [| /л = 0,00467 Ке 0 54,Г-|

Рис. 6. Схема экспериментального стенда для статических продувок: - узел, имитирующий щелевой канал; 2 - ресивер; 3 - регулирующий вентиль; 4 - ротаметр; 5 - манометр образцовый; 6 - манометр дифференциальный; 7 - термопара; 8 - милливольтметр

4 1 3

Рис. 7. Узел имитирующий зазор: 1 - цилиндр; 2 - втулка; 3 - крышка; 4 - уплотнение; 5,6- камеры до и после зазора

Адекватность полученных уравнений подтверждается критерием Фишера.

Минимальная погрешность полученных результатов составила 4 %, максимальная 30.5 %.

Динамические продувки. В связи с тем, что при работе машины объемного действия режим течения газа в зазоре отличается от режима течения газа происходящим при статических продувках, за счет появления новых факторов, влияющих на данный процесс, было необходимо произвести исследования при динамическом режиме течения газа. Основная трудность проведения такого эксперимента связана с измерением расхода газа через зазор между поршнем и цилиндром при его движении. Для определения величины расхода газа при его нестационарном течении через зазор при была разработана методика определения коэффициента расхода газа при течении через щелевые каналы в рабочей камере машины объёмного действия и устройство для его реализации. Суть метода заключается в определении мгновенной массы рабочего тела в каждой из двух сообщающихся полостях путем измерения мгновенных величин давления, температуры и объема. Полученная масса газа равна расходу газа через зазор в бесконечно малый промежуток времени:

где Р„ Г/, V) и Ри, Ти, - значения давления, температуры и объёма рабочей полости за малый интервал времени Лт.

Коэффициент расхода вычислялся из уравнения для несжимаемой жидкости по аналогии со стационарными продувками. Для реализации указанного метода был разработан и изготовлен экспериментальный стенд (Рис. 8).

Рис. 8. Экспериментальный стенд для проведения динамических продувок зазоров: 1 - цилиндр, 2 - поршень, 3 — шток, 4 — втулки, 5 — датчик давления, 6 - датчик температуры, 7 - уплотнительные кольца, 8, 9 - рабочие полости

В результате проведения экспериментальных исследований были получены осциллограммы давлений и температур в рабочих камерах. В результате их обработки

определен мгновенный коэффициент расхода за малый промежуток времени для всего цикла. Максимальная погрешность измерения результата составила 13,2 %. На рис. 9 приведена зависимость коэффициентов расхода полученных при статических и динамических продувках, в зависимости от числа Рейнольдса. Кроме того полученные результаты были верифицированы с использованием программного комплекса ЛЫБУв; результаты верификации представлены во второй главе.

Рис. 9. Зависимость коэффициента расхода газа от числа Рейнольдса при статических и динамических продувках зазоров

Представленные результаты позволяют говорить о том, что в рамках применимости к разрабатываемой методике расчёта рабочего процесса РПНС для характерных для неё конструктивных и режимных параметров с большой степенью достоверностью могут быть использованы результаты продувок как для статических, так и для динамических продувок. При этом большое значение имеют размеры и конструкция зазоров.

Экспериментальное исследование ступени РПНС. Для подтверждения работоспособности ступени РПНС и проверки на адекватность методики расчёта рабочего процесса ступени РПНС был разработан и создан экспериментальный стенд (Рис. 10).

Рис. 10. Функциональная схема экспериментального стенда для исследования ступени РПНС: 1 - ступень РПНС, 2 - генератор, 3 - ресивер, 4 - измерительный

комплект, 5 - газовый счетчик, 6 - цифровой осциллограф, 7 - персональный компьютер, 8 - цифровой мультиметр, 9 - регулирующий вентиль, 10 - термопара, 11 - датчик давления ДД-2.5, 12 - манометр, 13 - электрическая нагрузка

В рассмотренном диапазоне рабочих давлений воздуха в пневмосети (до 0,6 МПа) и оборотов выходного вала (1000...1900 об/мин) выявлена устойчивая работоспособность ступени РПНС, при этом ее КПД составлял 0,35...0,5 %. Отличие величины мощности, полученной экспериментально, от расчетной величины составило 5...19 % (Рис. 11).

N. Вт

о 4—-.-1-I-—Г--—I

ОД О.з 0.4 0,5 0,6 р>МПа

Рис. 11. Сравнение экспериментальных и теоретических результатов определения мощности ступени РПНС

Четвёртая глава содержит результаты расчётного параметрического анализа влияния конструктивных и режимных параметров ступени РПНС на эффективность её рабочего процесса. Расчёт производился по разработанной автором методике, представленной во второй главе. Кроме того, по разработанной ранее автором методике был выполнен расчёт аналогичной компрессорной ступени (РКНС) с целью сравнения эффективности применения рассматриваемой конструкции в качестве пневмоагрегата и компрессора.

По результатам параметрического анализа определено, что в базовой компоновке (все зазоры не уплотнены) предпочтительное соотношение сторон рабочей камеры Н/Ь (Н - высота; - длина вдоль оси роторов) должно быть больше 1,0 (Рис. 12). При этом для большинства типоразмеров РПНС допустимо снижение соотношения И/ Ь до 0,5, тогда как для компрессорной ступени такое снижение недопустимо при увеличении описанного объёма рабочей камеры.

Рассмотрена эффективность рабочего процесса РПНС и РКНС при различных компоновках их рабочей камеры. Очевидным фактом является то, что пневмоагрегат или компрессор, в котором уплотнены все зазоры, будет иметь наилучшие рабочие характеристики, в сравнении с точно такими же конструкциями, с частичным уплотнением или без него. Уплотнение зазоров может быть обеспечено либо с использованием контактных уплотнений, либо с применением неподвижно закреплённых на одном из роторов деталей (например, торцевых дисков, вращающегося цилиндра). Однако, учитывая большое количество, суммарную площадь сопрягающихся элементов, между которыми возникают неплотности в рабочей камере пневмоагрегата с нелинейной синхронизацией роторов, и высокую относительную скорость движения элементов, применение контактных уплотнений может значительно увеличить выдаваемую (потребляемую) мощность, а также усложнить технологию изготовления, и соот-

ветственно повысить его стоимость. Определено, что наиболее целесообразным является уплотнение только торцевых зазоров рабочей камеры пневмоагрегата, так как интегральные характеристики такого агрегата практически равны интегральным характеристикам агрегата при полностью уплотненных зазорах (Рис. 13). С увеличением размера пневмоагрегата, влияние уплотнений уменьшается, в связи с уменьшением влияния зазоров на рабочий процесс (Рис. 14).

а)

б)

Рис. 12. Зависимости КПД от Н/Ь для РПНС (а), для РКНС (б): Уь= ! м3/с

ДПЯ\Л> ^

Без уплотнений

Уплотнены талыо перифермймь •Уплотнены талыо торцевые

б)

Рис. 13. Зависимости КПД от #/1 для РПНС (а), для РКНС (б)

6)

Рис. 14. Зависимости КПД пневмоагрегата от Н/Ь для машин малой (а) и большой (б) производительностей

Влияние компоновки и, соответственно, площади окон газораспределения, на рабочий процесс неоднозначно. С одной стороны увеличение площади окна снижает гидравлические потери, с другой стороны, в силу особенностей конструкции двухро-торного агрегата увеличивает перетечки между рабочими камерами и полостями окон газораспределения, так как увеличить площадь окон можно только за счет расположения их на различных поверхностях. В базовом варианте окна газораспределения

расположены на разных торцевых поверхностях, что исключает перетечки рабочего тела между ними. Увеличить площадь одного из окон можно, расположив его часть на боковой поверхности. Располагать на одной торцевой поверхности окно наполнения и окно выпуска нецелесообразно, т.к. они очень близко расположены и в этом случае между ними образуется короткий щелевой канал, через который будут существенные потери рабочего тела.

Кроме того, при размещении части какого либо окна на боковой поверхности приведет к тому, зазор на боковой поверхности будет иметь переменную глубину, а следовательно в какой то момент времени глубина зазора весьма мала, что вызывает большие потери рабочего тела из рабочей камеры. В связи с этим, сравнение проводилось для двух конструкций: с расположением окон газораспределения на противоположных торцевых поверхностях (Рис. 15 а) и расположением окна наполнения (всасывания) на торцевой поверхности, окно выпуска (нагнетания) на противоположной торцевой и на боковой (Рис. 15 б). В результате расчета для различных вариантов конструкции РПНС получено, что при малых соотношениях Н/Ь для агрегатов любых размеров влияние компоновки окон газораспределения весьма существенное.

Рис. 15. Варианты расположение окон газораспределения

Дополнительная площадь окна выпуска дает существенное увеличение КПД (Рис. 16 а). При увеличении значения соотношения Н/Ь КПД пневмоагрегата практически не отличается, поэтому применять увеличение площади окна газораспределения практически не требуется. Кроме того, при значении Н/£ равному 2,0 КПД немного выше для машин, не имеющих дополнительную площадь окна выпуска. Для компрессоров влияние дополнительной площади окна газораспределения существенно только для больших машин (Рис. 16 б), и с увеличением соотношения Н/Ь разница КПД снижается. Для малых машин, применение дополнительной площади окна газораспределения особого значения не имеют, а для конструкций имеющих значение соотношения Н/Ь больше 1,0 дополнительная площадь окна снижает эффективность работы компрессора.

При оценке влияния высоты зазора на рабочий процесс получено, что чем больше величина зазора, тем ниже параметры эффективности рис. 17. Для пневмоагрегатов снижение КПД при увеличении всех зазоров от 40 мкм до 117 мкм составит не более 10 %. для рабочего давления от 0,3 до 0,5 МПа (рис. 17 а). Для компрессоров, влияние зазоров более существенно и составляет от 10 % до 50 % в зависимости от степени повышения давления, соответственно, чем больше степени повышения давления, тем больше отличие (рис. 17 б).

а)

б)

— 1гП/Г1 Оча »а тасчм О 1:.1 о.на на ба.сао* к

Рис. 16. Зависимости КПД от соотношения И/для для РПНС (а), для РКНС (б)

Применение конструкций, где не все, а часть зазоров можно выполнить с малой высотой, в целях снижения затрат на изготовление агрегата практически не повлияет на работу пневмодвигателя, так как увеличение КПД составит около 2 % (Рис. 18 а). Однако, для компрессора применение такого типа мероприятий, в некоторых случаях позволяет увеличить эффективность почти в 2 раза (Рис. 18 б).

а)

Р=0,4МПа Р=0,5 МПа

б)

60 80

100 120

80 100

Рис. 17. Зависимости КПД от высоты зазора для РПНС (а), для РКНС (б)

— Зазоры 117 иш. вс

а)

б)

Рис. 18. Зависимости КПД от высоты зазора для РПНС (а), для РКНС (б)

Таким образом, по результатам параметрического анализа определены основные геометрические и конструктивные параметры рабочей камеры, которые необходимо учитывать при проектировании конструкции роторного пневмоагрегата с нелинейной синхронизацией роторов.

По результатам анализа влияния величины и структуры зазоров в рабочей камере РПНС на экономичность его рабочего процесса разработана инженерная методика оценки применимости бесконтактных уплотнений в агрегатах такого типа. Ее суть заключается в определении критерия Ф (приведённый эквивалентный зазор) для рассматриваемой ступени, характеризующего соотношение суммарной площади эквивалентных зазоров в рабочей камере к секундному описанному объему рабочей камеры ступени РПНС. Сравнение полученной величины Ф с ее критическим значением Ф* позволяет на ранней стадии проектирования оценить возможность и целесообразность применения в ступени бесконтактных сопряжений между взаимно подвижными деталями, формирующими рабочую камеру ступени РПНС.

Выводы и результаты. Основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе заключаются в следующем:

1. Разработана методика экспериментального исследования течения газа через щелевые зазоры при нестационарном режиме течения, новизна которой подтверждена патентом РФ на изобретение и патентом РФ на полезную модель.

2. Выполнен комплекс расчётных (с применением программного комплекса АКБУБ) и экспериментальных исследований процессов течения газа через плоские щелевые зазоры, характерные для рабочей камеры РПНС; определено влияние подвижности стенок зазоров и изменения давлений газа в сообщающихся полостях, а также наличие поперечных лабиринтных канавок на характер течения газа; проведена сравнительная оценка течения газа при стационарных и нестационарных режимах, при гладких и лабиринтных зазорах; разработана методика расчета расхода газа через гладкие и лабиринтные зазоры, применимая в методике расчёта рабочего процесса РПНС.

3. При использовании полученных экспериментальных данных разработана методика расчета рабочего процесса ступени РПНС при различных типах плоских щелевых зазоров (бесконтактных гладких и лабиринтных, контактных), при различной компоновке рабочей камеры (структуре зазоров и соотношении поперечной ширины различных зазоров; расположении и размеров окон газораспределения), при различных режимах работы пневмоагрегата.

4. На основании теоретического анализа влияния типоразмера зазоров и компоновки рабочей камеры на эффективность рабочего процесса РПНС доказано определяющее значение соотношения между фронтальными размерами зазоров, формирующих периметр рабочей камеры, и взаимное влияние структуры зазоров и расположения окон газораспределения. Показано различие влияния конструктивных параметров рассматриваемой ступени при работе в режиме пневмоагрегата и компрессора.

5. Разработаны рекомендации по конструированию РПНС путём обеспечения рациональных соотношений между сторонами рабочей камеры Н/ которые для различных компоновок составляют не менее 0,5, при этом предпочтительно обеспечивать Н/ Ь больше 1. По сравнению с известной базовой компоновкой рабочей камеры (применяемой в РКНС) полученные рекомендации обеспечивают повышение КПД на 22... 35%.

6. По результатам анализа влияния величины и структуры зазоров в рабочей камере РПНС на экономичность его рабочего процесса разработана инженерная методика оценки применимости бесконтактных уплотнений в агрегатах такого типа.

Список цитируемой литературы

1.Пластинин П.И. Расчет и исследование поршневых компрессоров с использованием ЭВМ / П.И. Пластинин. М. :ВИНИТИ, 1981. -168с.

2. Прилуцкий И.К., Прилуцкий А.И. Расчет и проектирование поршневых компрессоров и детандеров на нормализованных базах. - СПб.: СПбГАХПТ, 1995. - 194 с.

3. Юша B.JI. Системы охлаждения и газораспределения объёмных компрессоров. - Новосибирск: Наука, 2006. - 236 с.

4. Кабаков А.Н. Поршневые пневмодвигатели с самодействующими клапанами. / А.Н. Кабаков, B.C. Калекин, Д.В. Калекин, А.Д. Ваняшов - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2014.-80 с.

5. Хисамеев, И.Г. Двухроторные винтовые и прямозубые компрессоры. Теория, расчёт и проектирование. / И.Г. Хисамеев, В.А. Максимов. Казань, 2000. - 640 с.

6. Зеленецкий С.Б. и др. Ротационные пневматические двигатели. JI: Машиностроение, 1976.-239с.

7. Шарапов, И.И. Исследование теплообмена между газом и стенками рабочей камеры в шестерёнчатом компрессоре внешнего сжатия / И.И. Шарапов, A.M. Ибра-ев // Тр. / XIV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике. 2007. Т.1. С.96-108.

Перечень публикаций по теме диссертационной работы

Статьи и издания перечня ВАК:

1. Юша B.JI. Теоретический анализ влияния конфигурации рабочей камеры ро-торно-поршневого компрессора с нелинейной синхронизацией роторов на эффективность его рабочего процесса / Гуров A.A. // Компрессорная техника и пневматика. -2001. -№ 7.- С. 38-40;

2. Юша В.Л. Оценка применимости бесконтактных уплотнений в рабочих камерах объёмных компрессоров / Гуров A.A., Беззатеев А.К. // Компрессорная техника и пневматика. - 2006. - №2. - С. 28-31;

3. Юша В.Л. К вопросу об определении тепловых потоков при математическом моделировании рабочих процессов объемных компрессоров с нетрадиционной схемой проточной части / Бусаров С.С., Гуров A.A., Кабаков А.Н., Васильев В.К. // Омский научный вестник.-2013. -№3 (123).-С. 218-221;

4. Юша В.Л. Оценка влияния компоновки рабочей камеры двухроторного пнев-моагрегата с нелинейной синхронизацией роторов на эффективность его рабочего процесса / Гуров A.A.., Васильев В.К., Зиновьева A.B., Лихобабина Е.А. // Омский научный вестник. - 2015. -№ 1 (137). - С. 182-185

Изобретения:

5. Гуров A.A., Юша.В.Л. Устройство для определения коэффициента расхода газа при течении через щелевой канал в машине объемного действия // Патент на ПМ 30431 РФ, МКИ G 01 F 1/86, завл. 04.01.2003, опубл. 27.06.2003, Бюл. №18;

6. Гуров A.A., Юша.В.Л., Меренков Д.Ю., Юша A.B. Способ определения коэффициента расхода газа при течении через щелевой канал в рабочей камере машины объемного действия // Патент 2244276 РФ МПК 7 G 01 F 1/86, заявл. 29.04.2002, опубл. 10.01.2005, Бюл. № 1.

Прочие издания:

7. Юша B.J1. Анализ рабочего процесса двухроторного компрессора с нелинейной синхронизацией роторов / Танкин В.В. Гуров A.A., Новиков Д.Г., Юша A.B. // Повышение технического уровня и долговечности компрессоров и компрессорных установок: Тез. докл. 12 науч.- техн. конф. -Казань, 2001.-С. 15-16;

8. Юша B.JI. К вопросу о влиянии охлаждения ступени компрессора объемного действия на его конструктивные и эксплуатационные характеристики / Панин Ю.Н., Январев И.А., Новиков Д.Г., Гуров A.A., Юша A.B. // Омск, 2001. - 10 с. - Деп. в ВИНИТИ 5.10.2001, №210/8-В2001;

9. Юша В.Л. Влиянии выбора методики расчета процессов массообмена через щелевые каналы на точность расчета рабочего процесса малорасходных компрессоров объёмного действия / Гуров A.A., Меренков Д.Ю. // Омск, 2002. - 17 с. - Деп. в ВИНИТИ 11.10.2002, № 1725 - В2002;

10. Юша В.Л. Метод определения мгновенного коэффициента расхода через клапаны и зазоры в рабочей камере машины объемного действия / Меренков Д.Ю., Гуров A.A., Юша А.В.//Динамика систем, механизмов и машин: Материалы IV Междунар. Науч.-техн. конф. - Омск: ОмГТУ, 2002. - С. 440-441;

11. Гуров A.A. К вопросу об оценке герметичности рабочей камеры малорасходных бессмазочных компрессоров объемного действия.// Низкотемпературные и пищевые технологии XXI веке. - Том 1.: сборник трудов II Междунар. науч. технич. конф. - С.-Пегербург, 2003. - С.70-71

12. Юша В.Л. Особенности расчета и проектирования бессмазочных малорасходных компрессоров объемного действия / Меренков Д.Ю., Танкин В.В., Гуров A.A., Новиков Д.Г., Юша A.B. //Компрессорная техника и пневматика в XXI веке. -Том 2.: Труды XII МНТК по компрессоростроению - Сумы: СумГУ, 2004. - С. 10-17;

13. Юша В.Л. Расчетно-экспериментальное исследование процессов тепло и массообмена в рабочей камере бессмазочных малорасходных компрессоров объемного действия / Меренков Д.Ю., Танкин В.В., Гуров A.A., Новиков Д.Г., Юша A.B. // Динамика систем, механизмов и машин: Материалы V Междунар. Научн.-техн. конф. — Кн. 2 - Омск: ОмГТУ, 2004. - С. 53-56;

14. Юша В.Л. Экологическая безопасность передвижных и транспортных компрессорных установок / Белокрылов И.В., Ваняшов А.Д, Гуров A.A. // 12th International scientific and engineering conference Hermetic sealing, vibration reliability and ecological safety of pump and compressor machinery. Rielce-Przemysl, 9-12 September 2008/-Vol. 2. -Kielce, 2008.-P. 403-^110.

Печатается в авторской редакции Компьютерная верстка О. Н. Савостеевой

Подписано в печать 24.02.15. Формат 60*84'/]б. Бумага офсетная. Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 130.

Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр. Мира, 11; т. 23-02-12 Типография ОмГТУ