автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Разработка пневмопривода вихревого типа с внутренним периферийным каналом и исследование влияния газодинамических и геометрических параметров на его эффективность

Условные обозначения.

Принятые сокращения . б

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Основные гипотезы рабочего процесса вихревой ступени.

1.2 Анализ результатов исследования вихревых машин в режиме привода.

1.3 Выводы и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ ВИХРЕВОГО ПНЕВМОПРИВОДА С ВНУТРЕННИМ ПЕРИФЕРИЙНЫМ КАНАЛОМ

2.1 Анализ преимуществ новой схемы проточной части пневмопривода.

2.2 Особенности рабочего процесса вихревой ступени, работающей в режиме пневмопривода. Структура КПД.

2.3 Основные зависимости для расчетного режима работы вихревого пневмопривода с внутренним периферийным каналом с интегральной оценкой потерь в проточной части.

2Л Методика расчета вихревого пневмопривода с внутренним периферийным каналом.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1 Цели и задачи экспериментального исследования.

3.2 Описание экспериментального стенда.

3.3 Модель ступени вихревого пневмопривода с- внутренним периферийным каналом и модель ступени с внешним периферийным каналом.

3.4 Методика исследования.

3.5 Погрешности измерений.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ПНЕВМОПРИВОДА ВИХРЕВОГО ТИПА И ИХ АНАЛИЗ

4.1 Сравнение эффективности нового типа проточной части.

4.2 Влияние основных геометрических параметров проточной части ступени с внутренним периферийным каналом.

4.2.1 Влияние угла установки / fi^ / лопаток.

4.2.2 Влияние угла наклона /J5n / лопаток.

4.2.3 Влияние относительного шага между лопатками /числа лопаток/.

4.2.4 Влияние относительной длины проточной части j^L.

4.3 Влияние основных газодинамических параметров.ЮЗ

4.4 Влияние зазоров.

4.5 Механические характеристики пневмопривода.III

4.6 Пусковые характеристики.ИЗ

4.7 Основные рекомендации по проектированию вихревого пневмопривода с внутренним периферийным каналом.

В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-85 годы и на период до 1990 года", утвержденных ХХУХ съездом КПСС, поставлена в частности задача:"сосредоточить усилия на повышении качества, надежности, экономичности и производительности, уменьшении шума и вибраций машин, оборудования и других изделий машиностроения, снижении их материалоемкости и энергопотребления." Это относится и к созданию пневматических приводов, находящих все более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Такие их важные преимущества, как взрыво и пожаробезопасность, способность работать в тяжелых климатических условиях, надежность, длительный срок службы и другие в отдельных случаях являются определяющими при выборе типа привода. Основной недостаток пневмоприводов -довольно низкий КПД, составляющий 20-30%, а с учетом энергии, подводимой к компрессорам и потерь в коммуникациях величина его снижается до 5-15$ [1б] .

В СССР серийно выпускаются в основном шестеренные, поршневые, ротационные и турбинные пневмоприводы. Каждый тип обладает своими преимуществами и недостатками [ie] . Шестеренные просты по конструкции, надежны, но имеют наибольшую массу и габариты. Поршневые обладают сравнительно высоким КПД, но из-за наличия большого числа кинематических пар быстро изнашиваются. Ротационные являются самым распространенным типом пневмоприводов с небольшой массой и габаритами, но им свойственен довольно низкий КПД. Ввиду наличия трущихся частей они быстро изнашиваются и, кроме того, как правило работают со смазкой и поэтому загрязняют окружающую среду масляными аэрозолями. Недостатком их является и то, что ротационный пневмопривод имеет негарантированный запуск, что вызывает необходимость предусматривать специальные конструктивные мероприятия. Существенными преимуществами обладает другой тип пневмоприводов - турбинные. Непосредственно преобразуя энергию сжатого воздуха в механическую работу, эти машины работают с "сухой" проточной частью, не загрязняя рабочее тело - воздух маслом, способны развивать значительные мощности.

Следует отметить, что ниже речь пойдет о так называемых "малоразмерных" /маломощных/ приводах агрегатов, а не о мощных турбоприводах основных двигательных установок, литература по теории и проектированию которых достаточно обширна. Малоразмерные турбоприводы имеют свою специфику расчета и проектирования [и] . К достоинствам турбинных малоразмерных пневмоприводов следует отнести также кинематическую простоту их конструкции - они имеют единственным подвижным элементом рабочее колесо, совершающее простое вращательное движение, что обуславливает малые габариты, вес, высокую эксплуатационную надежность, простоту обслуживания, низкую стоимость. Главные их недостатки -высокооборотность и относительная сложность изготовления. Воздушные микротурбоприводы известных типов /осевые, радиальные/ работают в зоне 20000-75000 об/мин £l6 J . Высокие обороты обуславливают применение специальных опор, редукторов, что усложняет и удорожает установку. Для снижения оборотов применяют парциальные и многоступенчатые турбоприводы. Но парциаль-ность значительно снижает КПД машины , а увеличение числа ступеней усложняет конструкцию. Для микротурбоприводов характерны также сравнительно низкие пусковой и номинальный моменты. В этом смысле более перспективным представляется использование вихревых машин в режиме пневмопривода.

Вихревой пневмопривод, являясь машиной, обратной по дейст-ствию вихревому компрессору, относится к приводам турбинного типа и, обладая всеми преимуществами последних, позволяет исключить при прочих равных условиях основной их недостаток -высокооборотность. Так, при примерно равных расходах воздуха и . снимаемой мощности оборотность вихревого пневмопривода на порядок ниже, чем у центростремительной турбины, а по сравнению с ротационно-пластинчатым двигателем он обладает более высоким КПД и исключает его недостатки [3l] . В таблице I приведены сравнительные характеристики различных пневмоприводов , в том числе и вихревого, исследованного в настоящей работе.

Конструктивная схема ступени вихревого двигателя с боковым каналом представлена на рис. I.B. Ступень состоит из рабочего колеса I с лопатками 2, установленного в корпусе 3 с малыми торцевыми зазорами. В корпусе выполнен кольцевой канал 4, разделенный в одном месте перемычкой 5 /отсекатель/. Рабочее тело /газ, жидкость/ подводится и отводится через входной 6 и выходной 7 патрубки. Лопатки рабочего колеса и канал в корпусе в совокупности образуют проточную часть ступени. В отличие от других типов турбоприводов частицы рабочего тела в проточной части вихревого привода многократно взаимодействуют с лопатками колеса, отдавая ему свою энергию. Это обусловлено особым, продольно-вихревым движением частиц в проточной части. Согласно имеющимся на сегодня теоретическим и экспериментальным данным, чем интенсивнее организовано вихревое движение частиц рабочего тела в проточной части машины /будь то пневмопривод ,, либо компрессор или насос/, тем эффективнее ее работа [ 5 J . Продольно-вихревое движение частиц является базовым при обмене энергией между рабочим телом и колесом. Организация вихревого движения существенным образом зависит от геометрии проточной части. В настоящее время известно достаточно большое количество типов проточных частей вихревых машин, различающихся между собой по

Сравнительные характеристики пневмоприводов

Характеристика пневмопривода Тип пневмопривода шестеренные 1 ! ротационные I i i турбинные 1 • 1 ! вихревые 1

Мощность, КВТ 3-40 0,05-3 0,03-2 0,1-5

Частота вращения, об/мин 2000-5000 2000-25000 20000-75000 2000-20000

Расход свободного воздуха на I квт мощности, кг/мин 1,2 1,1 1,2 1,2

Коэффициент расширения воздуха 1,1 1,3-2 — 2,5-3

Относительная масса, кг/квт 8*12 1*2 2*5 2*3 расположению кольцевого /рабочего/ канала корпуса /периферийное, боковое и т.д./, количеству каналов, профилю меридионального /поперечного/ сечения проточной части и пр. Отдельные виды известных типов проточных частей вихревых машин представлены на рис. 2.В: а/ - с боковым каналом; б/ - с периферийно-боковым каналом; в/ - с периферийным каналом; г/ - с внутренним периферийным каналом [Ч] ; д/ - с двухсторонней проточной частью и прямоугольным профилем меридионального сечения; е/ - с периферийно-боковым каналом и центральным обтекателем [з];

На организацию вихревого движения влияют также различные геометрические параметры ступени /углы наклона, число лопаток, отношение диаметра проточной части к диаметру колеса и др./. Необходимо отметить, что в настоящее время накоплено сравнительно мало экспериментального и теоретического материала по исследованию вихревых машин в режиме турбопривода. Их преимущества, о которых говорилось выше, дают повод для дальнейшего исследования этих машин в этом режиме, повышения их эффективности .

Одним из способов повышения эффективности ступени вихревого привода, в частности, является интенсификация вихревого движения в проточной части с внутренним периферийным каналом, в соответствии с предложенной схемой на рис. 2.В г .

Пневмопривод вихревого типа может оказаться весьма перспективным для современных турбо-компрессорных агрегатов небольшой мощности /в особенности работающих со взрыво и пожароопасными, агрессивными средами/. Для них вопрос привода, как правило, требует отдельном проработки, т.к. диапазон чисел оборот об здесь выше, чем у электродвигателей и ниже, чем у турбин известных типов. В этом смысле вихревой привод может быть использован без усложняющих установку редукторов . Сравнительные низкооборотность и высокое отношение пускового момента к номинальному делают возможным применение привода, например в качестве пневмостартеров для мощных дизелей, работающих в тяжелых климатических условиях. Возможность срабатывать сравнительно большие перепады давлений в одной ступени, при умеренных числах оборотов выгодно отличает пневмопривод вихревого типа от известных пневмоприводов турбинного типа /осевых, радиальных/, что также расширяет перспективу их применения. Например, вихревая турбина может использоваться для детандерного расширения газа, что может найти применение для целей охлаждения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ"

1. Проведен обзор используемых в промышленности типов пневматических приводов и среди них определено место пневмопривода вихревого типа как сравнительно низкооборотного, со сравнительно высоким отношением пускового момента к номинальному, пневмопривода в настоящее время практически "не исследованного.

2. Предложен новый тип проточной .части вихревого пневмопривода, позволяющий существенно повысить КПД /на 25 - 30%> / по сравнению с известными типами проточных частей вихревых машин и защищенный авторским свидетельством №979716 кл ./"04$17/06

3. Дан теоретический анализ работы вихревой машины в режиме пневмопривода с рассмотрением структуры потерь и КПД и получены основные расчетные зависимости.

4. Разработаны и созданы экспериментальная модель вихревого пневмопривода с новым типом проточной части /с внутренним периферийным каналом/ и экспериментальный стенд для ее испытания.

5. На основании экспериментального исследования выявлены оптимальные газодинамические и геометрические параметры ступени вихревого пневмопривода с внутренним периферийным каналом и даны рекомендации по .их выбору: а/ Газодинамические параметры:

- коэффициент расхода

1,15*1,2;

- приведенная окружная скорость колеса

J = 0,14*0,16 ;

- степень расширения воздуха в рабочем канале ступени 2,5-2,8 ;

- параметр быстроходности

Ml, «0,15*0,17 б/ Геометрические параметры:

- угол установки лопаток

Л - э0-"0 ;

- угол наклона лопаток

Jhfi « 33°*37° ;

- относительный шаг лопаток

1 = 0,9*1,1 ;

- относительная длина проточной части

2 = 0,1*0,13 ;

- безразмерный комплекс,' учитывающий влияние торцевого зазора = 0,05*0,09. б. На основе экспериментальных данных дана количественная оценка составляющих структуры КПД и определены пути дальнейшего повышения эффективности пневмопривода.

7. Исследован пусковой режим вихревого пневмопривода с новой проточной частью. Установлено, что привод обладает сравнительно высоким отношением пускового момента к номинальному

Мп ~Tj- = 1,6 / и получены рекомендации по его расчету на этот

Пн режим.

8. Разработана методика расчета вихревого пневмопривода с внутренним периферийным каналом.

9. Результаты исследований и предложенная методика расчета использованы при разработке пневмопривода вихревого типа по плану работ, предусмотренных научно-исследовательской темой, выполняемой по Постановлению Правительства.

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.:Наука, 1969. - 824 с.

2. Анохин В.Д. Исследование вихревого вакуум-компрессора.-Дис.канд.техн.наук. Москва, 1975. - 143 с.

3. А.с. 302497 /СССР Вихревая машина/В.д.Лубенец, В.Н.Хмара, В.Д.Анохин, И.Я.Сухомлинов, М.А.Радугин, А .И .Григоренко.-Опубл. Б.И. 1971, № 15.

4. А.с. 979716 /СССР/ Вихревая машина/ В.д.Лубенец, В.Н.лмара, В.Д.Анохин, В.Н.Сергеев, М.А.Радугин. Опубл. Б.И. 1982,45, с. 159.

5. Байбаков О.В. Вихревые гидравлические машины. М.-.Машиностроение, 1981. - 197 с.

6. Исследование микрорасходных нагнетателей динамического действия /Ю.А.Бондаренко, Б.Я.Бритвар, Э.В.Мартьянов и др. Химическое и нефтяное машиностроение. - М•:I969, № 5, с. 22-25.

7. Бондаренко Ю.А. Вихревые компрессорные машины за рубежом.-Информационный листок. М.:ЦИНТИхимнефтемаш, 1969, № I, с. 9-12.

8. Бондаренко ю.А. Исследование вихревых компрессорных машин с периферийно-боковым каналом. Дис.канд.техн.наук.-Ленинград, 1969, - 186 с.

9. Бондаренко ю.А. Течение в проточной части вихревой ступени. Исследование в области компрессорных машин. - Труды 3 Всесоюзной научно-технической конференции по компрессо-ростроению. - Казань, КХТИ им.С.М.Кирова, 1974,с. 254-260.

10. Бурлай В.В. Исследование влияния охлаждения на эффективность вихревого вакуум-компрессора. Дис.канд.техн. наук. - Москва, 1980. - 148 с.

11. Быков Н.Н., Емин О.Н. Выбор параметров и расчет маломощных турбин для привода агрегатов. М.Машиностроение, 1972. - 228 с.

12. Диксон С.Л. Механика жидкостей и газов. Термодинамика тур-бомашин. пер. с анг. - М.:Машиностроение, 1981. - 213 с.

13. Епифанова В.И. Низкотемпературные радиальные турбодетан-деры. 2-е изд., перераб. и доп. - М.:Машиностроение, 1974. - 448 с.

14. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений.3.е изд., испр. и доп. Л.:Наука, Ленинградское отделение, 1968. - 97 с.

15. Заявка 2036178 /Англия/. Обратимые вихревые насосы и компрессоры. - Опубл. Реф.:РЖ. Насосостроение и компрес-соростроение. Холодильное машиностроение., 1981, 1,61.28П, с. II.

16. Зеленецкий С.Б., Рябков Е.Д., Микеров А.Г. Ротационные пневматические двигатели. Л.:Машиностроение, Ленингр. отделение, 1976, - 240 с.

17. Куракин Р.И., Черкасский В.М. Влияние направляющих лопастей в отводе на рабочие параметры модели вихревой машины.-Сб. Тепломассообмен в промышленных установках. Сб.тр. № I, 1972 /Промтеплоэнерг. фак. Иванов. Энергет. ин-т,'с. 18-21.

18. Наталевич А.С. Воздушные микротурбины. 2-е изд., перераб. и доп. - М.Машиностроение, 1979. - 192 с.

19. Находкин Б.И. Исследование работы вихревых насосов на воде. Диссертация, М., МЭИ, 1951. 154 с.

20. Осепьян Л.С. Исследование влияния геометрии меридионального сечения проточной части и входного угла лопаток рабочего колеса на эффективность ступени вихревого компрессора.: Автореф. Дис.канд.техн.наук. Ленинград, 1977. - 20 с.

21. Плетнев П.П. К вопросу повышения коэффициента полезного действия вихревых насосов. Сб. Гидрогазодинамика, компрессоры и насосы химического производства. - М.Машиностроение, 1973. - с. 35-39.

22. Правила 28-64 измерения расхода жидкостей, газов и паров стандартными диафрагмами и соплами.-М.:Издание Государственного комитета стандарт ов, мер и измерительных приборов СССР, 1965, 148 с.

23. Параферник В.П. Исследование эффективности работы вихревого компрессора с периферийно-боковой проточной частьюв широком диапазоне чисел Рейнольдса. Автореф. Дис . канд.техн.наук. Ленинград, 1974. - 20 с.

24. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. Л.:Энергия, Ленингр. отделение, 1978, - 262 с.

25. Сравнительные исследования маломощных турбин различного типа на повышенных перепадах давления. Техн. отчет, тема № 0137, . /МАИ, Руководитель темы Скубачевский Г.С., М., 1970. - 196 с.

26. Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин. 4-е изд., перераб. - М. - Л.:Энергия, 1966. -690 с.

27. Хмара В.Н. Вихревые вакуум-компрессоры. Учебное пособие. -М.:Изд. МВТУ им. Н.Э.Баумана, 1979, 64 с.

28. Хмара В.Н., Радугин М.А. Исследование рабочих колес вихревых нагнетателей с периферийными каналами. -Химическое и нефтяное машиностроение, 1980, № 9, с. 20-21.

29. Хмара В.Н., Сергеев В.Н. Влияние типа проточной части вихревой машины на ее работу в режиме пневмодвигателя. Известия ВУЗов. Машиностроение, 1983, № 9, с. 78-82.

30. Хмара В.Н., Сергеев В.Н. Работа вихревой машины в режиме пневмодвигателя. Известия ВУЗов. Машиностроение, 1982, № 5, с. 72-75.

31. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов ВУЗов. 3-е изд., исправл. -М.:Наука, 1965, - 848 с.

32. Baztets J. Discussion of. Refezence.—

33. Tzans ASME) 1955, v. 77^1^.30-33.

34. Buzton J.U. The Pzedlction and Jmpzovement of Pejenezative luzboMachine Pezfozmance The B.U.RJ. MemSezs Confezencei Czanfield, Repozt, 1967, SP 915, p. tef-433.

35. Semazee Buzton 2D. Mathematical Modet foz zepenezative oz peziphezat TuzBomaschinQs.— Pzoc. 6th Conf. rtuicl Mach,, Budapest, W9, votl. ' Budapest, 1979, p. 298-308 . ,

36. G-zadow Ccmpazison of sevezat theories of the mechanisms of flow in Peziphezat zegenezative Pumps. 'Ргос. 4 Conf Fluid Mach. Budapest т-р.'ЗЗШ

37. CrzabowG Effect of the shape of 8fades on the chazactezistics w the Paztiat toad azea of Peuphemt zegenezative Pumps, frudiodynamicfluid conf tings and voztex Pumps. Pzoc. 4 con/ Ftuid Mach. Budapest, /972, A 497-52Б

38. Popkitis Т.Э. and Lcliq LA Theozetlead and Emzu-mn-Ы AnaCcsis of a Hegenezative Tuz6inepumprSenioz

39. Thesis. MiT, 1953.-/?. 49-56

40. ЗатагаН Shinio. Peseazch on the Pezfozmance of the zeoenezative Pump with non-mdial vocnes.— Butt JSMF, Ш, 17, as/06, -p. /5--/S.fvezsen H. Ж Pezvozmavce of the Peziphezij Pump-Tzans ASME, №S, v. 17, -p. 19-22

41. Miyagi 0. and Migadiu Theozu of westect/pe Rotazu Pump-Technology Rejpozts of the Tonokj Jmpezcal l/nivezsitu .Japan. 1939, v. /3, 42-5*4.

42. Enolneezing. Kuushu l/mvezsiw, Fukuoka ) Japan, /9Ь8,

43. Bhimosaka M. Heslon of tteoenezative Pump-Mem. Fac. Techno^ Tokyo tlehopot/9£3t«i3.-p.99-{0£

44. S. 'Shimosaka M and Damasaki S. /Heseazcfi on ihe ChazuctezLstLck of Regenezaiive Ршпр (ist Repozt). RpiMin of 7SMF, i960, и. 3, д/10, -p. 77-89.

45. J. Shimosaka M. Reseazcfi on the chazciciezistics of keqenezailve Pump (г. nd &epozt)rBuC(etin cfJSMf

46. Tomita Uuklo, Uamaiaki Shrno, Sosahaza 7os/uo. The ScaCe Fffeci and Design Method of the Peoeneza-iive Pump \iith non-zadiaC Vanes-&uCC. 3SMF /973, *

47. Weirdy FS. Ameses of Fzaction Pumps Wigf/f ciLz Development Cacdez TechnicaC-Pepozf M -S54pis:- p.s6-?*>:

48. Weimg F-S- discussion of Refezence.—

49. Tzans ASME,№6,*?8,NS.'f>.№-H00.

50. Wtson W.fl. Discussion of Refezence

51. Tzans, ASME, me, v ?s, vs.-p. uoo-uoi. • Шт WA.,&anta&> M.A., Oekich J. А. Л Шщ ofbhe Fiuid- Dynamic Mechanism of Reqenezailve Pumps.—TianS ASMF, №S, к 77, 1303-/3H.s ШЬп Anatisis of TuzBine Pumps-Pioduct Enfneezing ,m7,v./S

52. В ШЬп W.f. discussion of Refezence

53. Tzans ASM£, ia&,*rr,*i,-pM-2S:

54. Wisticenus G-.F. Discussion of Refezence.—

55. Hans ASME, №5, 77, а.-рЛ^-Ш^

56. Wzight A.M. Discussion of Reference.— 3 Hans ASME, 77,"/■-/>. 2S-27