автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Оценка эффективности работы винтового компрессора с новым профилем зуба

На правах рукописи

Докукин Владимир Николаевич

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ВИНТОВОГО КОМПРЕССОРА С НОВЫМ ПРОФИЛЕМ ЗУБА

Специальность 05.04.03 - Машины и аппараты, процессы холодильной и

криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005557779

005557779

Работа выполнена на кафедре холодильных машин и низкопотенциальной энергетики в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Пронин Владимир Александрович

Официальные оппоненты: Хрусталев Борис Сергеевич

доктор технических наук, профессор Национальный исследовательский

университет СПбГПУ,

профессор кафедры «Компрессорная, вакуумная и холодильная техника»

Юн Владимир Климентьевич

доктор технических наук ЗАО «Институт энергетического машиностроения и электротехники», начальник отдела расчетов и исследований компрессоров

Ведущая организация: Военно-космическая академия имени

А.Ф. Можайского

Защита состоится « д-е.к^зг'Ър^ 201_У г. в /У часов на

заседании диссертационного совета Д 212.227.08 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, ауд. 2219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики и на сайте fppo.ifmo.ru .

Автореферат разослан « АН» КОсЯс)^ 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.08

доктор технических наук,

профессор /у Рыков Владимир Алексеевич

Общая характеристика работы

Актуальность работы

В связи с развитием промышленности и изменением климата с каждым годом возрастает потребность в искусственном охлаждении при условии решения вопросов сохранения окружающей среды. Кроме того, в условиях постоянного повышения цен на энергоносители, как в России, так и в других экономически развитых и в развивающихся странах все большее внимание уделяется вопросам энергосбережения, что требует дальнейшего повышения эффективности работы парокомпрессорных холодильных машин и тепловых насосов. Холодильный и отопительный коэффициенты таких машин в значительной мере зависят от типа компрессора, а также, его эффективности. Таким образом, повышение энергетической эффективности холодильных машин и тепловых насосов оказывает влияние на развитие и модернизацию экономики России как промышленно развитой страны.

В современной холодильной техники в широком диапазоне холодопроизводительности - от нескольких сотен ватт до тысячи киловатт применяются роторные компрессоры. Одним из типов роторных машин, компрессоров объемного принципа действия, являются винтовые компрессоры (ВК). В настоящее время ВК, имеющие ряд эксплуатационных преимуществ, получили широкое распространение в области средней и высокой холодопроизводительности. Возможность работы ВК в любых режимах паровых холодильных машин и тепловых насосов, на различных рабочих веществах, компактность, надежность, долговечность и достаточно высокие энергетические характеристики создает предпосылки для их применения и в машинах малой производительности. Винтовые компрессоры малой производительности перспективны при работе в высокотемпературных режимах, таких как, режим теплового насоса и режим кондиционирования.

В отечественной научной и научно-технической литературе широко освящены вопросы создания, проектирования, испытания и применения винтовых холодильных компрессоров на различных рабочих веществах и различных режимах работы. Однако, в связи с появлением в 70-е годы XX века сообщений о разрушении синтетическими хладагентами озонового слоя Земли, 22 марта 1985 г. в г. Вене была принята Конвенция об охране

озонового слоя. Протокол по веществам, разрушающим озоновый слой, подписан 16 сентября 1987 г. в г. Монреале. Монреальский протокол, а позднее Киотский, касался, в том числе, хладагентов, содержащих атомы хлора. В новых условиях, в ответ на требования международных протоколов вместо хладагента Ю2 был предложен хладагент 11134а, на изучение термодинамических, теплофизических и других важных свойств которого у мировых научных групп ушло десятилетие. В зарубежной литературе присутствуют публикации с ограниченными данными по испытанию винтовых маслозаполненных компрессоров (ВКМ) на хладагенте Я 134а.

В таких условиях, чрезвычайно возрастает потребность в натурных испытаниях винтовых маслозаполненных компрессоров на различных прогнозируемо подходящих парах хладагент - масло.

Цель и задачи работы

Повышения эффективности работы малых ВКМ в составе паровых холодильных машин и тепловых насосов путем совершенствования рабочей части винтового компрессора.

Для достижения настоящей цели были поставлены и решены следующие задачи:

разработана математическая модель и методика расчета протечек компримируемой среды через щели в проточной части компрессора с учетом подвижности их стенок;

уточнена методика расчета сил и моментов, действующих на роторы ВКМ, с учетом моментов осевых сил;

создан и испытан винтовой компрессор с новым профилем зуба на различных рабочих веществах;

проведены экспериментальных исследования.

Научная новизна работы заключается:

в дальнейшем совершенствовании математических моделей и прикладных программ расчета процессов, протекающих в рабочей части винтового маслозаполненного компрессора, на основе которых получены новые данные для проектирования ВК при заданных параметрах с учетом особенностей компримируемой среды;

в получении комплекса данных об эффективности работы винтового компрессора с новым профилем зуба на хладоне Ш34а и воздухе в

различных режимах на основе результатов натурного и численного экспериментов;

- в разработке новых методов расчета объемных характеристик холодильных винтовых компрессоров, учитывающих особенности их работы;

- в разработке новых методов расчета силовых факторов, возникающих в холодильных винтовых компрессорах;

- в оценке корректности предложенных методик расчета путем сравнения данных численного и натурного эксперимента.

Практическая ценность работы

Предложенные в работе методики расчета использованы при проектировании ВК с новым профилем зуба.

Разработан, изготовлен и испытан опытный образец ВК с новым профилем зуба.

Спроектирован и изготовлен стенд для испытания опытного ВКМ на различных режимах работы.

Разработана методика эксперимента для оценки эффективности работы ВКМ.

Разработана методика расчета протечек компримируемой среды через щели в рабочей части ВК с учетом подвижности стенок щели.

Усовершенствована методика расчета силовых факторов, действующих на рабочие органы ВКМ с учетом момента осевых сил.

Получен комплекс данных для дальнейшего использования при проектировании ВКМ малой производительности.

Внедрение результатов работы

При расчете и проектировании винтовых компрессоров для сжатия воздуха и хладагентов в ФГУП «Конструкторское бюро «АРСЕНАЛ» им. М.В. Фрунзе», для технических расчетов и подбора винтовых компрессоров в ОАО «Компрессор».

Использование рекомендаций и расчетных методик позволило сократить время и затраты при проектировании ВК и повысить энергетическую эффективность их работы.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлениям: «Ядерная

энергетика и теплофизика», «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения», «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» в ЮГУ ИТМО.

Личный вклад автора

Автором предложена математическая модель и методика расчета протечек через щели в рабочей части ВК с учетом подвижности их стенок, уточнена методика расчета силовых факторов, действующих на рабочие органы роторов ВК. Автор лично участвовал в проектировании опытного образца ВК, разработке и создании экспериментального стенда, в проведении научного эксперимента и получении экспериментальных данных, в обработке и интерпретации экспериментальных данных. Подготовка публикаций и выступлений проводилась совместно с соавторами, при этом вклад диссертанта был определяющим.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель и методика расчета протечек компримируемой среды через щели в проточной части компрессора с учетом подвижности их стенок.

2. Уточненная методика расчета сил и моментов, действующих на рабочие органы винтового маслозаполненного компрессора.

3. Экспериментально определенные значения коэффициента подачи винтового маслозаполненного компрессора с новым профилем зуба.

4. Оценка эффективности малого ВК путем сравнения характеристик опытного компрессора с серийно выпускаемыми машинами сходных характеристик.

Апробация работы

Материалы исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на III международной научно-технической конференции, «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2007); международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур» (Москва, 2010); XV международной научно-технической конференции по компрессорной технике (Казань, 2011), научно-технической конференции с международным участием «Холод — 2011. Проэкология и энергосбережение» (Санкт-Петербург, 2011), международной научно-

технической конференции "Современные проблемы холодильной техники и технологии" (Одесса, 2011), V международной научно-технической конференции "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке" (Санкт-Петербург, 2011), 2-ой международной конференции с элементами научной школы для молодежи "Инновационные разработки в области техники и физики низких температур" (Москва, 2011), международной научно-технической конференции "Современные проблемы холодильной техники и технологии" (Одесса, 2013), VI международной научно-технической конференции "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке" (Санкт-Петербург, 2013). Материалы диссертации неоднократно докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, докторантов и аспирантов.

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и содержит 142 страницы, 5 таблиц, 43 рисунка. Список использованной литературы включает 153 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.

Основное содержание работы

Обоснована актуальность темы работы, сформулированы цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость результатов, изложены достижения, выносимые на защиту, приведена информация о внедрении, достоверности и апробации результатов, подчеркнут личный вклад автора.

Проведен обзор литературных источников. В том числе описаны существующие типы винтовых маслозаполненных компрессоров (ВКМ), примеры их применения в составе холодильных машин и тепловых насосов, основные направления модернизации винтовых компрессоров, особенности конструирования роторов винтовых компрессоров. Рассмотрены перспективы разработки малых винтовых маслозаполненных компрессоров с новым профилем зуба.

Несмотря на различные диапазоны холодопроизводительности, рабочие вещества, режимы работы винтовых компрессоров, в нашей стране

они изготавливались по типоразмерному ряду с соотношением числа зубьев на ведущем и ведомых винтах г\1гг=А1Ь при одинаковых наружных диаметрах.

Проведен обзор исследований по протечкам в рабочем процессе винтовых компрессоров. Отмечено, что в отдельных известных работах компримируемой средой был воздух и водяной пар, а возможность течения фреона-масляной смеси не учитывается. В других работ щель представляется плоской, а те работы, в которых рассматривалась трехмерную модель и учитывалась не стационарность были выполнены для однороторных винтовых компрессоров и не могут быть применены в расчете рабочего процесса двухроторного винтового компрессора.

Исследованы силовые и газодинамические факторы в винтовых маслозаполненных компрессорах.

Анализ различных типов щелей показал, что большей части щелей ВКМ имеет место встречное движение стенок и рабочего вещества, а стенки на линии контакта и с торца нагнетания имеют попутное движение. Вследствие того, что при совпадении векторов скоростей протечки увеличиваются, возникает необходимость их учета, что и было сделано в предложенной математической модели.

При вращении роторов винтового маслозаполненного компрессора изменяются параметры щелей и векторы скоростей взаимного движения поверхностей их образующих. Таким образом движение сжимаемого рабочего вещества через такие зазоры следует считать нестационарным.

Течение рабочего вещества во всех рассматриваемых щелях будем считать ламинарным. Характерную для каждого зазора высоту 5, будем считать малой по сравнению с его глубиной /. Также считаем малым комплекс (с), / /)Ле.

Теплообменом потока рабочего вещества с ограничивающими его твердыми поверхностями пренебрегаем.

Для упрощения рассмотрим движение сжимаемой среды по отношению к зубьям ВЩ винта, что позволит упростить граничные условия на поверхностях зубьев и выявить влияние вращения зубьев ВЩ винта на течение в щелях. Затем от рассмотрения движения в системе координат, вращающейся вместе с ВЩ винтом, перейдем к новым координатным

системам, связанным непосредственно с зубом ВЩ винта или с его поверхностями.

Рассмотрим исходную систему основных уравнений относительного движения. К основным уравнениям, описывающим движение сжимаемой среды через щели, будем относить уравнение неразрывности, три уравнения движения и уравнение сохранения энергии.

Цилиндрическая система координат г, г, которая вращается с постоянной угловой скоростью IV/ вместе с ведущим (ВЩ) винтом ось г направлена вдоль оси винта.

Уравнение неразрывности для нестационарного течения сжимаемой сплошной среды имеет вид:

Ч =о (1)

81 дг г-ов 8г г

где р — плотность;

/ - время;

- радиальная, окружная и осевая составляющие относительно скорости потока по отношению к ведомому (ВМ) винту.

Уравнения нестационарного движения сплошной среды во вращающейся с постоянной угловой скоростью м>2 системе цилиндрических координат имеет следующий вид:

Шг Ж, 1 дР 2 „ „. „ ,„ч т г р дг

& р дг

где Р — давление;

РГ,Р0,Р2- величины, характеризующие влияние вязкой среды.

Уравнение сохранения энергии может быть записано в форме справедливой для реального газа в виде:

= ^ + ^ + сЩЛ§гас!Т) (5), ш т

где/ — удельная энтальпия;

Т - температура;

Nдlu. — мощность сил трения, диссипируемая в теплоту.

Если воспользоваться уравнением неразрывности (1) и уравнениями движения (2) и (4), то уравнение (5) можно представить в виде:

¿(/и*-Р)+-~(ргж/)+АГЛр^сГ)+= г дг гдв дг

(6),

= РКрг + Р1Уоро + Р^Л + РКщг + + Лу(Л^ас1Т)

где /'*- полная удельная энтальпия,

На базе полученной математической модели была разработана методика расчета протечек.

1) Устанавливается дискретность точек по углу поворота ВЩ винта у/ и угловой координате^ на кромке зуба.

2) Цикл интегрирования осуществляется по ц/, в ходе которого производятся все вычисления, изложенные ранее.

3) Определяется объем полости канавки за зубом ВЩ винта, соответствующий объему рабочей полости сжатия при данном положении зуба:

где £■((//)- площадь сечения канавки винта, перекрытая зубом,

Л (((/)- расстояние от оси винта до центра тяжести сечения зуба.

Для зуба окружного профиля:

4 ¿¡я* р

- - сое Р

(10)

чз гр-ъ-я?р

гдеу9- половина центрального угла при зацеплении ВЩ винта с ВМ винтом:

/? = агссоз — (1-С0Б^) (11)

4) Вычисляются:

перепад давления - аР между полостями перед и за зубом ВЩ винта; плотность паромасляной смеси в полости сжатия р; температура смеси Т,

где Рвс, рж, Твс - параметры рабочей среды при всасывании; V ) - полный объем полости сжатия; п - показатель политропы процесса сжатия в рабочей полости; рм - плотность масла;

¿¡м - концентрация масла в паромасляной смеси.

5) Производится цикл интегрирования по<р, в ходе которого определяются геометрические и кинематические характеристики щели. Расчет ведется в соответствии с системой координат.

При расчетах определяются проекции характерных скоростей относительно зуба ВЩ винта:

1/, = * (15)

Относительная скорость точки на поверхности винта:

и = №+1/1 (17)

Глубина щели Ь определяется конфигурацией вершины зуба винта. Минимальная высота щели равна:

К =ьгй\} + еът((р-у/)\ (18)

гдедг0- расстояние между центрами сечений зуба, е- эксцентриситет.

При расчетах задается численное значение эксцентриситетае в пределах от 0,1 до 0,9 и расчеты выполняются для ряда значений в этой области.

Значения IVа - средний расход при фиксированном угле I// и различных значениях <р определялись методом хорд, после чего подсчитывался удельный расход по дуге с1 :

Далее удельный расход суммировался по углуби по углу у/ . Составляющая коэффициента подачи ВКМ, соответствующая протечкам через рассмотренную щель, определялась выражением:

После классификации всех характерных щелей в рабочей части винтового компрессора и определения протечек рабочей среды через них на основании изложенной методики, определяется коэффициент подачи Л винтового маслозаполненного компрессора.

Также во второй главе описана уточненная методика расчета моментов осевых сил. Обзор работ по расчету сил и моментов, действующих на роторы ВКМ показал, что в известных методиках расчета вводится допущение, что осевые силы направлены по осям винтов или приложены на среднем диаметре винта. В действительности же осевые силы приложены на определенных расстояниях от продольных осей винтов, что и обусловливает возникновение моментов осевых сил относительно опор винтовых машин. Для расчета моментов от торцевых составляющих осевых сил относительно опор ВКМ необходимо определить координаты центров тяжести торцевых сечений, зубьев ВЩ и ВМ винтов, что и было сделано в настоящей работе.

В работе представлено описание различных методов экспериментального определения производительности ВКМ, даны схемы стендов и циклы их работы. На рисунке 1 представлена схема стенда, созданного для испытания опытного ВКМ, а на рисунке 2

? = (19)

(20)

<2>

Рисунок 1 - Принципиальная схема стенда для испытания экспериментального сальникового винтового маслозаполненного компрессора: 1 - экспериментальный компрессор, 2 - маслоотделитель, 3 -конденсатор, 4 - основной регулирующий вентиль, 5 - газоохладитель, 6 -ресивер хладагента, 7 - вспомогательный регулирующий вентиль, 8 -водяной регулирующий вентиль, 9 - маслоохладитель, 10 - масляный ресивер, 11 - масляный насос, 12 - байпасный масляный вентиль, 13 -масляный расходомер, 14 — смеситель, 15 расходомер хладагента, 16 -регулятор частоты вращения вентилятора, 17 - преобразователь частоты электродвигателя компрессора

Рисунок 2 — Термодинамический цикл работы экспериментального стенда: I - вход в компрессор, II - на выходе из компрессора, III — после газоохладителя, IV — после конденсатора, V — после дросселирования жидкости, VI - после дросселирования пара

Р

л

0,84 0,82 0,8 0,78 0,76 0,74 0,72 0,7 0.68 О.йб

3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Кн

Рисунок 3. Зависимость коэффициента подачи X компрессора от наружной степени сжатия пц: 1 — = 5 °С, пг= 50 с'1, компрессор экспериментальный; 2 - (о = 5 °С, щ= 50 с"1, компрессор У8К3161-15У; 3 — Го = 5 °С, «2= 30 с"1, компрессор экспериментальный; 4 - /0 = 5 °С, пг= 30 с"1, компрессор У8К3161-15У; 5 - г0 = -10 °С, пг= 50 с"1, компрессор экспериментальный; 6 - ¿о = -10 °С, т~ 50 с"', компрессор УБКЗ161-15У; 7 -¿о = -10 °С, пг= 30 с*1, компрессор экспериментальный; 8 — /о = -Ю °С, пг= 30 с" \ компрессор У8К3161-15У V-

0,7 0.68 0,66 0,64 0,62 0,6 0,58 0,56

3 3.5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Л'н

Рисунок 4. Зависимость эффективного КПД г\й компрессора от наружной степени сжатия пц: 1 - /о = 5 °С, пх= 50 с"1, компрессор экспериментальный; 2 - ?0 = 5 °С, пг= 50 с"1, компрессор У8К3161-15У; 3 - /0 = 5 °С, пг= 30 с"1, компрессор экспериментальный; 4 - = 5 °С, «2= 30 с'1, компрессор У8К3161-15У; 5 - /о = -10 °С, «2= 50 с"1, компрессор экспериментальный; 6 - Го = -10 °С, т= 50 с"1, компрессор У8К3161-15У; 7 -

* „ 1

2 \ •

4 \з \ \ А ЖХ. '¿ч

4 ч

\ к >

\ \ »

V

\ ■

N

Ч \

/ / 2 * * \ \ V

6 Л ч

к \.7 X

* 8 А •

\

?о = -10 °С, т= 30 с'1, компрессор экспериментальный; 8 - ?0 = -10 °С, и2= 30 с" компрессор У8К3161-15У

Основные результаты и выводы

1. Разработана математическая модель и методика расчета протечек компримируемой среды через щели в проточной части компрессора с учетом подвижности их стенок.

2. Уточнена методика расчета сил и моментов, действующих на рабочие органы винтового маслозаполненного компрессора.

3. Расчетные данные полученные с использованием предложенных методик хорошо согласуются с экспериментальными данными.

4. Разработан и изготовлен винтовой маслозаполненный компрессор малой производительности с новым профилем зуба.

5. Спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд для испытаний опытного образца компрессора на различных режимах.

6. Проведены экспериментальные исследования опытного образца винтового маслозаполненного компрессора малой производительности на озонобезопасных рабочих веществах.

7. Предложенные методики расчета внедрены в ФГУП «Конструкторское бюро «Арсенал» имени М.В. Фрунзе», в ОАО «Компрессор» и используются в учебном процессе Университета ИТМО.

8. Произведена оценка эффективности работы опытного образца винтового маслозаполненного компрессора в сравнении с серийно выпускаемыми машинами сходных параметров.

9. Доказана перспективность производства и эксплуатации винтового маслозаполненного компрессора малой производительности с испытанным профилем зуба и геометрическими параметрами винтов опытного компрессора.

10. Выданы рекомендации по конструктивному совершенствованию и повышению эффективности винтовых маслозаполненных компрессоров малой производительности.

Список основных работ по теме диссертации

1. Докукин В.Н. Перспективы применения тепловых насосов в пищевой промышленности // Межвузовский сборник научных трудов

«Ресурсосберегающие технологии и оборудование пищевой промышленности»: СПб., 2006, с. 8-10.

2. В.Н. Докукин, А.Н. Носков. Особенности применения различных рабочих веществ в тепловых насосах с винтовым компрессором // Сборник трудов III Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» СПб., 2007, с.95-101.

3. В.Н. Докукин, A.JI. Емельянов, А.Н. Носков. Результаты испытаний масозаполненного винтового компрессора малой производительности в высокотемпературных режимах // Вестник международной академии холода: М-С.-Пб., 2009. вып. 1. с. 6-8.

4. В.Н. Докукин, А.Н. Носков, Д.Ю. Муштуков. Результаты испытаний холодильного масозаполненного винтового компрессора малой производительности с новым профилем зубьев в высокотемпературных режимах // Вестник международной академии холода: М - С.-Пб., 2011. вып. I.e. 17-21.

5. В.Н. Докукин. Испытание винтового маслозаполненного компрессора в режиме теплового насоса // Тр. XV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике / ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа». - Казань, 2011. - Т. 1. - с. 74-81.

6. В.Н. Докукин. Выбор рабочего вещества для испытания холодильного винтового маслозаполненного компрессора в высокотемпературных режимах // Сборник тезисов докладов VII Международной научно-технической конференции "Современные проблемы холодильной техники и технологии". - Одесса, 2011. - с. 25-27.

7. В.Н. Докукин, В.А. Пронин. Влияние компримируемой среды на силовые факторы, действующие в винтовом маслозаполненном компрессоре // Вестник международной академии холода: С.-Пб., 2013. вып. 3. с. 58-61.

8. В.Н. Докукин, В.А. Пронин. Стенды для экспериментальных исследований винтовых холодильных маслозаполненных компрессоров // Холодильная техника и технология: Одесса, 2013, вып. 5. - с. 82-87.

Подписано в печать tf-.IOiOl Ч ■ Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. Печ. л. 1.0 . Тираж SO экз. Заказ № J5~0 НИУ ИТМО. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49 ИИК ИХиБТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9.