автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.06, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных свойств мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора

На правах рукописи

ЩУКА Ирина Олеговна

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ МЕМБРАННОГО БЛОКА МЕМБРАННО-ПЛУНЖЁРНОГО

КОМПРЕССОРА

Специальность 05.07.06 - Наземные комплексы, стартовое оборудование, эксплуатация летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 м (7 Р 2С72

0мск-2012

005019847

На правах рукописи

ЩУКА Ирина Олеговна

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ МЕМБРАННОГО БЛОКА МЕМБРАННО-ПЛУНЖЕРНОГО КОМПРЕССОРА

Специальность05.07.06 - Наземные комплексы, стартовое оборудование, эксплуатация летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск-2012

Работа выполнена на кафедре «Авиа- и ракетостроение» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор АВЕРЬЯНОВ Геннадий Сергеевич

доктор технических наук, профессор НЕНИШЕВ Анатолий Степанович

кандидат технических наук КОСТОГРЫЗ Валентин Григорьевич

ОАО «Высокие технологии», г. Омск

Защита диссертации состоится 26 апреля 2012 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.178.13 в ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический 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 26 марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

А. Б. Яковлев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Мембранно-плунжерные компрессоры и насосы получили самое широкое распространение не только во многих отраслях промышленности, но и в наземном оборудовании ракетных комплексов. Как известно, для опрессовки и испытания пневматических элементов летательных аппаратов и спутников необходимо использовать воздух или другие газы сверхвысокой чистоты и не допускать при этом ни малейших потерь и загрязнений посторонними веществами, особенно минеральными маслами, взаимодействие которых с некоторыми газами могут привести к взрыву. Такими агрегатами являются мембранно-плунжерные компрессоры. В них отсутствует контакт, рабочего тела (масло) плунжерной системы, и перекачиваемого газа. Эти компрессоры имеют малые габариты и вес, что очень удобно в эксплуатации, особенно в контрольно-испытательных станциях, в качестве передвижных установок.

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-Ю'2 от диаметра мембраны в заделке).

Удельные массогабаритные показатели МК и МН определяются частотой рабочих циклов. Если частота рабочих циклов низка (/< 10Гц), то массогабаритные показатели МК и МН не высоки / =(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, постоянство номенклатуры и их типоразмеров. Проблемы реального компрессора заключаются в следующем.

У компрессоров с частотой рабочих циклов / = 25 + 50 Гц мембраны выходят из строя через t = 10 + 150 часов работы вместо требуемого ресурса в 10000 часов. Для обеспечения нормальной работы компрессора прикладывается пакет запасных мембран. Частый выход компрессора из строя за счет разрушения мембраны приводит к необходимости больших затрат на смену мембран и необходимости иметь запасной компрессор для осуществления непрерывной подачи газа. Причины быстрого разрушения мембраны пока не определены. Есть только предположение, что быстрый выход мембран из строя является следствием неоптимального расположения отверстий в распределительных дисках, вызывающих скачок давления. Для совершенствования конструкции мембранного блока необходимо провести теоретические обоснования причин

выхода мембран из строя с целью обеспечения сохранения заданных показателей эффективности, значений эксплуатационных характеристик наземных комплексов летательных аппаратов.

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.

Целью настоящей работы является проектирование, расчёт, улучшение эксплуатационных и технико-экономических показателей, а так же повышение ресурса мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора.

Указанной цели подчинены следующие задачи:

1. Определение причин быстрого выхода мембран из строя и причин возникновения скачка давления.

2. Исследование МК по снижению и увеличению скачка давления за счет оптимального расположения отверстий в распределительном диске.

3. Разработка математической модели работы мембранного блока в мем-бранно-плунжерном компрессоре.

4. Разработка методики расчета по определению мест рационального расположения отверстий по поверхности распределительного диска и разработка рекомендации по снижению величины скачка давления в МК

5.Экспериментальные исследования МК для подтверждения расчетов по оптимальному расположению отверстий в распределительном диске и по повышению ресурса.

Методы исследований. В работе использован комплексный подход исследований, сочетающий современные методы экспериментального и расчетно-теоретического исследования мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора.

В теоретической части работы, посвященной разработкам математических моделей и методик расчета, где применялись численные методы расчета, широко используемые для решения аналогичных задач.

Научная новизна. В результатов проведенных исследований:

- составлена математическая модель, описывающая процесс возникновения скачка давления при равномерном распределении отверстий в распределительных дисках мембранно-плунжерного компрессора;

- разработана методика расчета оптимального расположения отверстий в распределительных дисках мембранно-плунжерного компрессора;

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

- разработан метод расчета и моделирования Гидродинамических процессов в мембранно-плунжерных компрессорах, использующихся в заправочных системах.

Автор выносит на защиту следующие основные положения;

1. Математическую модель процесса возникновения скачка давления и методику расчета величины скачка давления в мембранном блоке МК.

2. Математическую модель и методик расчета мест расположения отверстий и суммарной площади отверстий в распределительном диске.

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

Практическая ценность. Предложенные математические модели, методики и рекомендации позволяют улучшить качество проектирования, повысить достоверность результатов испытаний, дают возможность располагать отверстия в подложках мембранного блока, таким образом, чтобы величина скачка давления была минимальной.

Реализация работы. Результаты исследований могут быть использованы при совершенствовании существующих и вновь разрабатываемых мембранно-плунжерных компрессоров в АООТ «Омское моторостроительное конструкторское бюро» (г. Омск), а также в наземном оборудовании ракетно-космической отрасли.

На основные результаты работы были получены патент на изобретение №2145060 «Устройство для определения массового расхода текучих сред» (Щука И.О., Бубнов A.B., Кузнецов В.И., Федоров В.К.) и свидетельство на полезную модель №19881 «Распределительный диск пневмогидромашины» мембранного типа» (Щука И.О., Кузнецов В.И., Юминов В.Г.)

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 известных данных, 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 «Внутрикамер-ные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология» (Казань, 2000), на 13-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции (Казань, 2001), на научной молодежной конференции «Молодые ученые на рубеже третьего тысячелетия», посвященной 70-летию со дня рож-

дения академика В.А. Коптюка (Омск, 2001), на молодежной конференции «Задачи космического образования в «XXI веке», всемирная космическая неделя ООН (Москва, 2001), на II международном технологическом конгрессе (Омск, 2003), в Омском научном вестнике, 2006. - №6 (41)., на международной научно-практической конференции «Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса» (Омск, 2011).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 26 печатных работ, в том числе - 2 в перечне ВАК, патент на изобретение, свидетельство на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка и акта внедрения. Общий объем составляет 162 е., в том числе основного текста 154 , 39 рис. и 12 табл., список литературы 68 наименований на 7 е., акт внедрения 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 области их применения, обоснована актуальность работы, посвященная 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., Stefa-mides Е., Hinton и др.

На основании приведенного литературного обзора сформулированы следующие задачи исследования:

1. Определение причины возникновения повышенного давления в мембранном блоке в процессе работы мембранного компрессора.

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

3. Разработка рекомендаций по снижению величины скачка давления 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 / = 25 + 50 Гц.

Во второй главе приведены основные гипотезы и допущения, которые позволяют построить математическую модель, а также теоретические исследова-

ния мембранно-плунжерного 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. Современная математическая модель работы мембранного блока построена, исходя из предпосылок, что при равномерном расположении отверстий в распределительном диске мембрана в первую очередь коснется противоположного распределительного диска в заделке по краям. Затем начнется плавное прилегание по краям (как бы качение) мембраны по противоположному распределительному диску от периферии к центру. Однако, эксперимент показал, что наблюдается волнообразное движение мембраны при ее перемещении от одного распределительного диска к другому. Объяснения этому явлению в современной литературе нет.

Для объяснения работы мембраны в мембранном блоке и построения математической модели принята следующая гипотеза. При отрыве мембраны от распределительного диска с равномерным расположением в нем отверстий противоположного распределительного диска мембрана достигает в первую очередь в заделке по краям. Так как осевое движение мембраны на периферии прекратится, и сжимаемая жидкость не сможет перемещаться параллельно оси, начнется ее радиальное перемещение от периферии к оси. Чем большая площадь мембраны будет прилегать к противоположному распределительному диску, тем большее количество сжимаемой жидкости будет двигаться в распределительном направлении от периферии к оси. Подобное движение сжимаемой жидкости вызовет скачок давления, который будет перемещаться от периферии к оси и обратно. Это перемещение жидкости вызовет волнообразное движение мембраны и возникновение в ней дополнительных напряжений. Дополнительные напряжения приводят к ускоренному разрушению мембраны.

Для исключения радиального перемещения сжимаемой жидкости от периферии к оси необходимо установить диафрагму на распределительный диск для синхронного закрытия отверстий по мере прилегания мембраны к противоположному распределительному диску. Кроме того, перемещения жидкости от периферии к оси можно избежать, если площади отверстий в распределительном диске будет пропорциональны кольцевым объемам между распределительными дисками. Допускается, что в этом случае движение жидкости между распределительными дисками и мембраной будет идти параллельно оси мембраны. В этом случае не будет скачков давления жидкости, и не будут возникать дополнительные напряжения, вызывающие ускоренное разрушение мембраны. Математическая модель работы мембранного блока построена, исходя из этих допущений.

Для составления математической модели найдено уравнение для определения объема, заключенного между мембраной и распределительным диском, как тела вращения образующей поверхности подложки вокруг оси Оу

з

(1)

о

где Г(у) =л[/(у)]2 = лх2.

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

ч=Тг*\*- (2)

где: (11 - диаметр мембраны в заделке;

8- 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 г 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 г-го кольца (7~1, 2,..., к) можно определить по формуле

И',,

(3)

где щг объем пространства между подложками.

Величину объема /-го кольца кроме того можно определить из уравнения

51+/

м>1 = \Р(у)с1у, (4)

8,

которое после интегрирования имеет вид

н2 \ я я

Решение последнего уравнения относительно неизвестной величины дает следующий результат

/ + 2 /

М.

72уу,

7Г£

(6)

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

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

(7)

к

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

х 4

(8)

где Р(у)=лх - площадь поперечного сечения тела перпендикулярного к оси вращения Оу, у - ордината сечения; ¿¡, - ординаты сечений, в пределах которых изменяется образующая тела вращения; х=/(у) - уравнение образующей тела вращения (решетки).

Уравнение образующей тела вращения имеет вид

(9)

где па2 = - ,| - площадь основания кольцевого объема.

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

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

или

л2 ¿2 ¿2 _ ,2

4\ ' -! 4\ где (1,=с1тах, а (1к=0,

Суммарная площадь определяется по формуле

4 4

На основании вышеизложенного можно записать

(И)

(12)

5(^1= „

лк

(13)

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

(14)

Площадь отверстий для подвода жидкости в г'-ый объем (IV/) определяется из соотношения

Я, =5.

2>,-¡=1

(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

с1, - й-, = с1, - с1, = с/, - с/, =• • ■= с1.

' а =4ш.ш (16)

к

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

Объем г - ого кольца можно определить по формуле

где 1=1, 2, ..., к

Высота кольца на /'-ом диаметре

<1

йг ..

(18)

Таким образом, решая систему 3-х уравнений (16), (17), (18) с тремя неизвестными н>,-,¿/¿.с?,- можно рассчитать площади и расположение отверстий в подложке для подвода жидкости в эти объемы у^-. Площадь отверстий должна быть пропорциональна объему н»;-.

Анализ трех различных методов определения величины кольцевых объемов между профилированными поверхностями подложек показал, что наиболее простым методом является тот, где кольцевые объемы имеют одинаковую толщину колец, а величины 3, и (1, определяются по формуле:

Ч-/

"тах <1т

(19)

(20)

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

с11 - й2 = с12 - с!3 = <Л3 - йл =• ■ •= -йк =

(21)

Рис. 1. Схема мембранного блока 11

V ¿тах)

Суммарная площадь отверстий в подложке для прохода через нее жидкости

^отвТ /ТТ~ (23)

ц \[2Др

где: £?,„ - объем жидкости, поступающий в пространство между подложками за один двойной ход плунжера; р - плотность жидкости; ц - расходный коэффициент; Ар - разность давлений перед отверстием и за ним.

Площадь отверстий для подвода жидкости в /-ый объем (IV,)

Я^^-Г- (24)

2>,.

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

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.

Яш**— (26)

Р„

где р„ - давление нагнетания.

Суммарную площадь сечения отверстий можно уменьшить, если отверстия соединить канавками. При этом должно быть соблюдено условие

(27)

Р„

где - площадь канавок.

Количество отверстий в подложке

с ЛС

. отвЪ. _ отвЪ

с ~ ,2 " 1отв лаотв

(28)

Мгновенная подача жидкости при ходе нагнетания

0.,,,, = = гБт —со.чта, (29)

где ^ - количество плунжеров, одновременно вытесняющих жидкость в напорный трубопровод; Б„., - площадь плунжера; Л, - путь, пройденный плунжером за время Д/.

Величина пройденного плунжером пути при повороте барабана на угол а

Ь;=г,(1-со.$а), (30)

где е - эксцентриситет.

Угол поворота плунжера за время At.

a=360"fAt, (31)

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

Мгновенная скорость движения плунжера (текущее значение скорости)

г/ dx h . ....

= (32)

at 2

а текущее значение его ускорения

d2x h 2

j = —= -a cosa, (33)

Л 2

где со - угловая скорость; h~2e- полный ход плунжера; а - угол поворота барабана.

Максимальная скорость движения жидкости в отверстии

у _ блу^ /34-,

атв.тах ,. V / ^отвЪ

Действительная скорость движения жидкости через отверстия подложки должна быть на З-rl 0 % меньше максимальной

V„me=(0,90+0,97) Voim. ш (35)

Показано, что оптимальное расположение отверстий в подложке иногда нельзя осуществить по конструктивным соображениям, в результате чего может возникнуть скачок давления. 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 скачка давления.

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

С= , \ , (36)

¡Р+Мщ_ <5Е

где dJm - эквивалентный диаметр; к - среднее для данного АРу0 значения адиабатного модуля упругости жидкости; Е - модуль упругости жидкости; S -толщина стенки, м.

Составлены методики расчета скачка давления при ходе всасывания и нагнетания мембранно-плунжерного компрессора.

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

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований мембраны при отсутствии скачка давления. 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.

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,ООО 1ае )сгв где а„ - предел прочности в Мпа.

/у ; у

/// у ;

/у////*/// / / /У ■

Рис. 2. Вибрационный стенд ВМ-15М

Для большинства сталей при умеренных температурах кривая усталости, начиная с числа циклов И^Ю7, становится практически горизонтальной, т. е. образцы, выдержавшие указанное количество циклов, не разрушается и при дальнейшем нагружении. Поэтому испытания сталей прекращаются при N=(1+2) 107 циклов. Именно поэтому можно утверждать, что материал мембраны выдержит требуемые 109 циклов.

Также 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 расчетаприведены на рис. 3 и рис. 4. На графиках показано изменение положения фронта жидкости через время А1 = 2 ■ 10~3 сек, 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.

1111111111 234 5678 9 10 к

к

00,1

1111111111 12345 6 789 10 к

Рис. 3. Изменение положения фронта жидкости при абсолютно гибкой мембране через промежуток времени Л1 = 2 ■ КГ3с по радиусу мембраны г в процессе всасывания

По результатам данной работы была предложена полезная модель, которая относится к плунжерным насосам или компрессорам, в которых мембранный узел выполняет роль герметической подвижной перегородки между плунжерной полостью, заполненной маслом, и полостью перекачиваемой среды (сжимаемой или несжимаемой).

Предложенный распределительный диск пневмогидромашины представлен на рис. 5.

0,079852

Рис. 4. Изменение положения фронта жидкости при абсолютно гибкой мембране через промежуток времени Л1 =2-10"3 с по радиусу мембраны г в процессе нагнетания

13

А

2

И

щЩ

Рис. 5. Распределительный диск пневмогидромашины мембранного типа а) схема пневмогидромашины; б) мембранный блок

На основании теоретических и экспериментальных выводов установлено, что для снижения скачка давления отверстия в распределительном диске необходимо располагать таким образом, чтобы объем подводимой сжимаемой жидкости в каждый элементарный кольцевой объем был равен этому объему (площадь отверстий в распределительном диске должна быть пропорциональна кольцевому объему мембранного блока над этими отверстиями). Результаты расчета изменения положения фронта жидкости для этого случая при абсолютно гибкой мембране приведены на рис. 6. Из рис.6 видно, что возникновение дополнительных усилий, приводит к ускоренному разрушению мембраны.

5, м 0,0025 0,002

0,001

0

- 0,001

0 ОД 0,2 Дм

Рис. 6. Изменение положения фронта жидкости при абсолютно гибкой мембране по радиусу при оптимальном расположении отверстий, исключающем движение жидкости от периферии к оси мембранного блока

ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель и методика расчета давления в мембранном блоке мембранно-плунжерного компрессора при равномерном расположении отверстий в подложках.

2. Разработана методика расчета суммарной площади отверстий в распределительном диске мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора.

3, Разработана математическая модель и методика расчета оптимального расположения отверстий в распределительном диске мембранного блока МК.

5. Проведены экспериментальные исследования МК для подтверждения расчетов по оптимальному расположению и суммарной площади отверстий в распределительном диске мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора.

Основные положения диссертации опубликованы в 25 работах, в том числе:

В изданиях рекомендованных ВАК:

1. Щука И.О., Аверьянов Г.С. Метод расчета геометрических размеров кольцевых объемов равной толщины. - Омск: Омский научный вестник, 2006. -№6 (41). С. 89-91.

2. 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.

В других изданиях:

3. Щука И.О. Оптимизация расчета геометрических размеров рабочей камеры мембранного блока: //Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология: Тез. докл. 12-го Межвуз. постоянно действующего науч.-техн. семинара науч..-исследоват. Акустической лаборатории им. А.С.Фигурова. -Казань, 2001. -С. 162 - 164.

4. Кузнецов В. И., Юминов В. Г., Щука И. О. Распределительный диск пневмогидромашины мембранного типа. Свидетельство на полезную модель №19881

5. Щука И.О., Аверьянов Г.С. Мембранные компрессоры для стартовых ракетных комплексов И Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса: Материалы Международной науч.-практич. Конф. -Омск, 2011. -С.3-5

Печатается с оригинал-макета, предоставленного автором

Компьютерная верстка - О.Г. Белименко Подписано в печать 22.03.12. Формат 60x84 '/,6. Бумага офсетная. Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 222.

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

61 12-5/3746

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЩУКА ИРИНА ОЛЕГОВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ МЕМБРАННОГО БЛОКА МЕМБРАННО-ПЛУНЖЕРНОГО КОМПРЕССОРА

Специальность 05.07.06 - Наземные комплексы,

стартовое оборудование, эксплуатация летательных аппаратов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических, наук. Аверьянов Г.С.

Омск-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Основные

обозначения................................................................................5

ВВЕДЕНИЕ................................................................................6

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................11

1Л. Обзор работ посвященных мембранным компрессорам и

анализ состояния вопроса..........................................................11

1.2. Постановка задачи исследования...............................................36

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕМБРАННО-ПЛУНЖЕРНОГО КОМПРЕССОРА..............................................38

2Л. Анализ работы мембранно-плунжерного насоса...............................38

2.1.1. Анализ работы плунжерного компрессора....................................38

2.1.2. Анализ работы мембранного компрессора....................................41

2.1.3. Работа мембранного компрессора............................................43

2.1.4. Выбор основных размеров мембранного компрессора

с гидроприводом...................................................................48

2.2. Модификация получения основного дифференциального уравнения для прогибов круглой тонкой пластинки при осесимметричном нагружении.....................................................50

2.2.1. Плоские мембраны, общие сведения...........................................51

2.2.2. Расчет прогибов и напряжений в плоской мембране

в области малых перемещений..................................................53

2.2.3. Исследование возможности уменьшения основных напряжений........59

2.3. Математическая модель, описывающая работу мембраны в мембранно-плунжерном компрессоре............................................60

2.3.1. Вывод уравнения для определения объема заключенного между нейтральными положениями мембраны и

поверхностью распределительного диска....................................62

2.3.2. Вывод уравнений для расчета мест расположения отверстий

для безударного подвода жидкости под мембрану..........................64

2.3.3. Вывод уравнений для расчета геометрических размеров объемов

между распределительными дисками (подложками), у которых площади кольцевых сечений равновелики....................................64

2.3.4. Вывод уравнений для расчета геометрических размеров объемов между подложками, у которых площади кольцевых сечений равновелики.........................................................................68

2.3.5. Вывод уравнений для расчета геометрических размеров кольцевых объемов между распределительными дисками (подложками), которые имеют одинаковую толщину колец..............73

2.4. Математическая модель, описывающая процесс возникновения скачка давления в мембранно-

плунжерном компрессоре...........................................................77

2.4.1. Методика расчета скачка давления при ходе нагнетания мембранно-плунжерного компрессора.........................................79

2.4.2. Методика расчета скачка давления при ходе всасывании мембранно-плунжерного компрессора........................................85

2.5. Анализ работы и методика расчета системы и определение

клапанов мембранно-плунжерного компрессора...............................92

2.5.1. Анализ работы и методика расчета системы клапанов плунжерного насоса...............................................................92

2.5.2. Анализ работы и методика расчета системы клапанов мембранного компрессора.......................................................96

2.5.3. Определение подачи мембранно-плунжерного компрессора............103

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

РАБОТЫ МЕМБРАННОЕО БЛОКА..........................................109

3.1. Анализ нагрузок, действующих на мембрану................................109

3.2. Описание экспериментального стенда и анализ

его работы в процессе испытаний...............................................116

3.3. Результаты расчета процесса всасывания и нагнетания мембранного компрессора при

абсолютно гибкой мембране......................................................119

3.4. Оптимизация параметров мембранного блока путем рационального распределения отверстий

в распределительном диске......................................................122

3.5. Программа расчета скачка давления при ходе всасывания и нагнетания мембранно-

плунжерного компрессора........................................................125

3.6. Пример расчета скачка давления при ходе

всасывания мембранно-плунжерного компрессора.........................128

3.7. Пример расчета скачка давления при ходе

всасывания мембранно-плунжерного компрессора..........................139

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ......................................................................154

ЛИТЕРАТУРА

155

ВВЕДЕНИЕ

В наземном оборудовании ракетных комплексов часто требуется перекачивать жидкость и газы высокой частоты. Это возможно в том случае, если у жидкостей и газов нет контактов с другими жидкостями и газами. Таким требованиям удовлетворяют мембранные насосы и компрессоры.

Впервые созданные в 20-х годах как лабораторные машины узкого назначения МК в настоящее время занимают видное место в компрессоростроении.

В России, Франции, Германии, США, Японии и других странах серийно выпускаются сотни типоразмеров МК, способных обеспечить сжатие газов в широком диапазоне давлений (от вакуума до нескольких тысяч атмосфер), производительностью от нескольких литров до десятков кубометров газа в час [1-10, 19-24].

Наиболее широко применяются МН и МК с металлическими мембранами, совершающими упругие прогибы под действием поршневого или плунжерного привода. Достоинство поршневого и плунжерного приводов -возможность достижения больших отношений (до 30) в одной ступени, что обусловлено наличием развитой теплопередающей поверхности камеры сжатия (у МК) и малым мертвым пространством (у МН и МК).

В МН и МК 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 1-10"2 от диаметра мембраны в заделке). Удельные массогабаритные показатели МН и МК определяются частотой рабочих циклов. Если частота рабочих циклов низка $ < 10 Гц), то массогабаритные показатели

МН и МК невысоки. Если частота рабочих циклов высока (f = 25-^50 Гц), то массо-габаритные показатели МН и МК высоки.

Анализ информации о состоянии развития МН и МК ведущих зарубежных фирм «Burton Corblin» (Франция), «Andreas Hofer» (Германия), «Aminco» 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. Новые машины разработаны для обеспечения развивающихся направлений современной технологии и расширения научных и поисковых работ.

В развитии отечественных МН и МК отмечается определенный прогресс, вызванный появлением унифицированных мембранных компрессоров [1].

Ниже рассмотрены новые направления в развитии отечественных МК, имеющих частоту рабочих циклов f = 25^50 Гц.

Актуальность темы. Мембранно-плунжерные компрессоры и насосы получили самое широкое распространение не только во многих отраслях промышленности, но и в наземном оборудовании ракетных комплексов. Как известно, для опрессовки и испытания пневматических элементов летательных аппаратов и спутников необходимо использовать воздух или другие газы сверхвысокой чистоты и не допускать при этом ни малейших потерь и загрязнений посторонними веществами, особенно минеральными маслами, взаимодействие которых с некоторыми газами могут привести к взрыву. Такими агрегатами являются мембранно-плунжерные компрессоры. В них отсутствует контакт, рабочего тела (масло) плунжерной системы, и перекачиваемого газа. Эти компрессоры имеют малые габариты и вес, что очень удобно в эксплуатации, особенно в контрольно-испытательных станциях, в качестве передвижных установок.

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-Ю"2 от диаметра мембраны в заделке).

Удельные массогабаритные показатели МК и МН определяются частотой рабочих циклов. Если частота рабочих циклов низка (/<70Гц), то

массогабаритные показатели МК и МН не высоки.

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. Проблемы реального компрессора заключаются в следующем.

У компрессоров с частотой рабочих циклов f -25 + 50 Гц мембраны

выходят из строя через t =10^150 часов работы вместо требуемого ресурса в 10000 часов. Для обеспечения нормальной работы компрессора прикладывается пакет запасных мембран. Частый выход компрессора из строя за счет разрушения мембраны приводит к необходимости больших затрат на смену мембран и иметь запасной компрессор для осуществления непрерывной подачи газа. Причины быстрого разрушения мембраны пока неопределенны. Есть только предположение, что быстрый выход мембран из строя является следствием неоптимального расположения отверстий в распределительных дисках, вызывающих скачок давления.

Таким образом, работы по определению оптимальных размеров мембранного блока, созданию математических моде- лей и методик расчета расположения отверстий в распределительном диске (подложке), актуальны и имеют большое народнохозяйственное значение.

Целью настоящей работы является проектирование, расчёт, улучшение эксплуатационных и технико-экономических показателей, а так же повышение ресурса мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора.

Указанной цели подчинены следующие задачи:

1. Определение причин быстрого выхода мембран из строя и причин

возникновения скачка давления.

2. Исследование МК по снижению и увеличению скачка давления за счет оптимального расположения отверстий в распределительном диске.

3. Разработка математической модели работы мембранного блока в мембранно-плунжерном компрессоре.

4. Разработка методики расчета по определению мест рационального расположения отверстий по поверхности распределительного диска и разработка рекомендации по снижению величины скачка давления в МК

5.Экспериментальные исследования МК для подтверждения расчетов по оптимальному расположению отверстий в распределительном диске и по

повышению ресурса.

Методы исследований. В работе использован комплексный подход исследований, сочетающий современные методы экспериментального и расчетно-теоретического исследования мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора.

В теоретической части работы, посвященной разработкам математических моделей и методик расчета, где применялись численные методы расчета, широко используемые для решения аналогичных задач. Научная новизна. В результатов проведенных исследований:

составлена математическая модель, описывающая процесс возникновения скачка давления при равномерном распределении отверстий в распределительных дисках мембранно-плунжерного компрессора;

- разработана методика расчета оптимального расположения отверстий в распределительных дисках мембранно-плунжерного компрессора;

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

- разработан метод расчета и моделирования гидродинамических процессов в мембранно-плунжерных компрессорах, использующихся в заправочных системах.

Автор выносит на защиту следующие основные положения;

1. Математическую модель процесса возникновения скачка давления и методику расчета величины скачка давления в мембранном блоке МК.

2. Математическую модель и методик расчета мест расположения отверстий и суммарной площади отверстий в распределительном диске.

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

Практическая ценность. Предложенные математические модели, методики и рекомендации позволяют улучшить качество проектирования, повысить достоверность результатов испытаний, дают возможность располагать отверстия в подложках мембранного блока, таким образом, чтобы величина скачка давления была минимальной.

Реализация работы. Результаты исследований могут быть использованы при совершенствовании существующих и вновь разрабатываемых мембранно-плунжерных компрессоров в АООТ «Омское моторостроительное конструкторское бюро» (г. Омск), а также в наземном оборудовании ракетно-космической отрасли.

На основные результаты работы были получены патент на изобретение №2145060 «Устройство для определения массового расхода текучих сред» (Щука И.О., Бубнов A.B., Кузнецов В.И., Федоров В.К.) и свидетельство на полезную модель №19881 «Распределительный диск пневмогидромашины» мембранного типа» (Щука И.О., Кузнецов В.И., Юминов В.Г.)

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 известных данных, 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), на 13-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции (Казань, 2001), на научной молодежной конференции «Молодые ученые на рубеже третьего тысячелетия», посвященной 70-летию со дня рождения академика В.А. Коптюка (Омск, 2001), на молодежной конференции «Задачи космического образования в «XXI веке», всемирная космическая неделя ООН (Москва, 2001), на II международном технологическом конгрессе (Омск, 2003), в Омском научном вестнике, 2006. -№6 (41)., на международной научно-практической конференции «Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса» (Омск, 2011).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 26 печатных работ, в том числе - 2 в перечне ВАК, патент на изобретение, свидетельство на полезную модель.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. ОБЗОР РАБОТ ПОСВЯЩЕННЫХ МЕМБРАННЫМ КОМПРЕССОРАМ И

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

В настоящее время в промышленность внедряются мембранные компрессора и насосы с частотой рабочих циклов f=25-r50 Гц. Появление мембранных компрессоров с гидроприводом высокого давления обусловлено интенсивным развитием таких направлений современной технологии, науки и техники, как газостатическое прессование в среде инертного газа, новых методов получения искусственных материалов с заданными свойствами, экспериментальные методы исследований в области физики и др. [2, 4, 6-9].

Из зарубежных фирм, специализирующихся на разработке и изготовлении МК и МН высокого давления (102 мПа и более), наибольший интерес представляют «Burton Corblin» (Франция), «Andreas Hofer» (Германия).

Фирма «Burton Corblin» (Франция) производит несколько марок компрессоров высокого давления, техническая характеристика которых

представлена в табл. 1.1. [2].

В этой группе машин наибольший интерес представляет компрессор В4С.2000, в котором наряду с традиционными содержатся и новые прогрессивные технические решения конструкции узлов [3].

На рис. 1.1. показана конструктивная схема компрессора. Основные узлы компрессора: база, состоящая из картера и механизма движения, мембранный блок, циркуляционный и компенсационный насосы, ограничитель давления и обратный клапан.

Мембранный блок состоит из ряда диск�