автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Разработка уточненной методики расчета динамики пластин прямоточных клапанов с учетом эффекта эжекции

САНКТ-ШТВРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕПСИТЕТ

На правах рукописи

ЭСПИ? Муна Сафи

...... , Ш 621.512

-> -

РАЗРАБОТКА УТОЧНЕННОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ДИНАМИКИ ПЛАСТИН ПРЯМОТОЧНЫХ штнсв ' С УЧЕТОМ ЭЮЕКТА ЭШСЦИИ

Спэциальноогь 05.04.06 - вакуумная, компрессорная

техника и ш9вмоолст9мн

Автореферат дяосертации на соискание учвной отвпени кандидата технических надк

С .-Петербург 1993

Работа выполнена в С.-Петербургской государственной техничес ком университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор И.Б.Пиру мое.

Официальные оппоЬенты: доктор технических наук В.Н.Новотель» кадавдат технических наук С.А.Лебеде!

Ведущая организация: АенНИИКимМаш.

Защита состоится " 1993 г. в ча-

сов на заседании спевдализированното Совета К 063.38.01 С.-Петер-бургското государственного технического университета по адресу: 295251, С.-Петербург, Политехническая ул., 29, в аудитории главного здания.

С диссертацией мокно ознакомиться в Фундаментальной библиот< университета. ч

Автореферат разослан " £ " ¿^¿-¡^у^ 1993 г.

с/

Учешй сакрэтарь специализированного

совета* ■ ^

кандидат технических наук

Л.П.Гряяко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБ01Ы

Актуальность темы исследований. Органы газораспределения -злодействующие клапаны - оказывают существенное елиянйэ на эффектность работы поршневых компрессоров (ПН). Ж общего назначения эедней и большой производительности, а такке ступа ни низкого и заднего давления многих споцяалышх компрессоров оснащаются прямо-зчными клапанами, основным преимуществом которых является разви-5в проходное сечение, болев высокое значение коэффициента расхо--$ и, таким образом, большая по сравнению о другими типами клала-5в эквивалентная площадь.

Он ним из недостатков прямоточных клапанов является их "склонить" к работе в режиме флаттера. Это объясняется тем, что при >чти параллельном пластине течении газа взаимодействие между пого-5М н пластиной, учитываемое коэффициентом давления быстро убыва-? по море приближения пластины к ограничит ели. Так, согласно дан-ад М.Й.Френкеля, коэффициент давления стремится к нулю по

¡ре приближения площади прохода в щели к площади прохода в седле, гучшенпе динамики пластин возможно за счет специального профили-)вания ограничителя подъема, что требует совершенствования мето-ши расчета динамики и рассмотрения пластины как системы с рас-)еделешшмя параметрами. Другим путем повышения эффективности >ямо точных клапанов представляется выполнение их с эжекционными шалами (см.рис.1) меклу демпферной полостью (тыльная сторона истины) и выходным дшйузором, предназначенным для уменьшения зфекта флаттера. С учетом сказанного тема исследований представится актуальной.

Цели и задачи исследований. Целью настоящей работы являлось шершенствование методики расчета динамики движения пластин пря-1Точных клапанов и оценка влияния экекцаонных каналов на работу [аланов.

Для этого были поставлены следующие подлежащие решению задачи.

I. Используя конечно-разностный подход к решению диффоренци-[ьных уравнений в частных производных, разработать метод расчета шамики пластина прямоточного клапана как системы с распределении параметрами.

{

2. Разработать соответствующую математическую модель. Разработать алгоритм и программную реализацию использования модели.

3. Информацию, недостающую для построения модели (статические характеристики), подучить экспериментально цутем продувок клапанов стационарным потоком воздуха.

4. Экспериментально на натурном стенда и с помощью математического моделирования оценить влияние эжекционных аффектов на динамику пластин прямоточных клапанов.

Научная новизна работы состоит:

- в вкспериментальном определении распределения нагрузки на пластину и в получении интерполяционных зависимостей для нагрузки, используемых ври математическом моделировании;

- в разработке основанной на дифференциально-разностном подход! методики расчета динамики пластины как системы с распределенными па. раметрами, отличающейся тем, что с ее помощью можно подбирать оптимальную форму ограничителя и помимо других характеристик клапана вычислять изгибные напряжения в пластине ;

- в установлении влияния эжехциоиного эффекта на работу клапа-• на, показавшем, что выполнение клапанов с зжекционндаи каналами ста

билизирует динамику пластины с точки зрения работы в режиме флаттер: и ведет к снижению потерь давления в них.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

- полученные интерполяционные зависимости для распределения нагрузки на пластину являются основой для математического моделирования работы клапанов;

- предложенная методике можег быть использована при проектирован!]) элементов прямоточных клапанов, & также ступеней порвневгс компрессоров, оснащенных клапанами с вжекцвонныш каналами.

Достоверность подученных результатов подтверждается ренульта-тами лабораторных испытаний компрессора 2ВГ1—2,5/12 и независимо полученными результатами испытаний компрессора 2ВМ-63/9 на стевде Пензенского компрессорного завода, а также использованием опытных данных при математическом моделировании.

Аппробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международной конференции по компреоcopoстроению (США, университет Пардью) в июле ЗЭ92 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовали 2 статьи.

Объем и структура диссэртации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, зписка литература л приложения. Содержит 6Я стр.машинописного текста, 35 иллюстраций.

В порвой главе приводится обзор конструкции прямоточных клапа-юв и научных работ в области их исследования. Значительный вклад в ^следования клапанов этого типа внесли М.И.Френкель, В.Н.Белоногов, I.АЛоска, Й.П.Перэпвчко, Д.Б.Пирумов и другие авторы. Анализ этих субликаций позволил сформулировать цели и задачи настоящего исследо-!ания.

Вторая глаза посвящена разработке уточненной методики расчета ¡ияаыики движения пластин прямоточных клапанов. После формулирования гоказателей эффективности работы клапанов разрабатывается математи-юская модель их функционирования.

Вудем рассматривать пластину клапана как одномерную систему, в :вяаи с тем, что ее длина в 2,5 раза больше ширины и, таким образом еформациями по ширине пластины нокно, не внося серьезных погрешпос-ей, пренебречь.

Уравнение колебаний пластины в одномерном случае примет вид

+ Ж*. - ,

граничные условия

/¡¡м и= о , - о,

ВоЕИУшающеа воздействие Р (X, ^ ) в одномерном случае запи-мся в виде

/>(*> *) = />&<*} I (к) X Ш > 10 относительный перепад давления зб (Ь ) определяется из пряня-э8 математической (лсдзли термодинамического процесса, в котором зпользуется только и-

Коэффициент распределения давления | (* ) определяется усред-звием по ширине коэффициента^ (X, у ) согласно формуле

Данная зависимость определяется по данным статических проду-ж и может учитывать как наличие эквкционшх каналов любой формы

я размеров, так и их отсутствие. Для исследуемого клапана ати кривы аппроксимировались выракенизм вида:

хде /°/х) и ¥(/>'4») ■ функции, евд которых.зависит от экспериментальных данных, Л и А* - относительные текущая и фиксированная высоты .подъема пластина клапана (опорная точка при обработка вксдеримента).

Максимальные напряжения ¿>* в пластина клапана, которые мовно определить при одномерной постановке задачи, находятся по формуле )

' г с?*г

Система дифференциальных уравнений, составляющих математическую модель динамики клапана с граничными и начальными условиями решалась численным методом конечных разностей.

Используя метод конечных разностей, мы перешли от системы дифференциальных уравнений в'частных производных к системе обыкновенных дифференциальных у равнений. Охнако аналитическое решение полученной системы также невозможно. Поэтому необходимо прибегнуть к одному из методов численного интегрирования систем дифференциальню уравнений. Интегрирование системы проводилось методом Эйлера. Разработанная модель послуила основой программы для ЭВМ.

В качестве исходных данных вводятся следующие параметры ступени и газа: ход поршня, ямина, шатуна, частота вращения коленчатого вала, диаметр поршня, относительное мертвое пространство, давления всасывания и нагнетания, температура всасывания, показатель адиабаты, газовая постоянная, угол открытия клапана.

В связи с большим количеством одновременно интегрируемых уравнений и малым шагом интегрирования го времени было принято цвлвсоо< разным производить интегрирование от момента открытия до момента закрытия клапана. Угол отбытия задается, причем если он находится в интервале от 0 до 180 градусов, то рассчитывается всасывающий клапан, а если в интервале от 160 до 360 градусов - то нагнетатель ный.

Помимо этого,. производится считывание параметров,относящихся непосредственно к клапанам: длина, ширина и толщина языка пластины максимальная высота подъема конца пластины, предварительный натяг (в расчетах полагался равным нулю), количество языков в клапане .количество клапанов в полости, а также тип эжакционного канала. Б за

даости от типа канала выбираются те или иные аппроксимационные вые.

Перед началом интегрирования по времени устанавливаются на-ьные услоеия - угол поворота кривошипа, равный углу открытия .давние в цилиндре, равное давление в соответствующей полости (всасы-ия или нагнетания, в зависимости рассчитываемой полости), равные ю перемещения и скорости узлов пластины клапана.

Интегрирование системы уравнений осуществлялось по схеме ера. Принималось допущение, что давление газа в камере всасыва-

(нагнетания) постоянно.

Через каждые 20 патов интегрирования на экране в увеличенном штабе выводилась мгновенная упругая линия пластины .мгновенные чогая изгибных напряжений на поверхности пластины, коэффициент ления во Есех узлах пластины, а также осуществлялся процесс по-оения графиков относительного проходного сечения и относительных ерь давления как функций угла поворота коленчатого вала.

Интегрирование осуществлялось до момента закрытия клапана. По нчаяии интегрирования вычислялись следующие интегральные харак-истики: средние потери давления, а также среднее относительное ходное сечение клапада. Они выводились на экран по окончании ин-рирования совместно с углами открытия, закрытия и запаздывания. ;"

Для визуализации процесса открытия клапана упругая линия клала-"запоминалась" через каждые 2 градуса и координаты упругих линий окончании расчетов записывались на диск с тем, чтобы по желанию эльзователя могли бить выведена на экран.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям прямо-ных клапанов с эжекционными каналами и баз них.

Были провалены испытания ступени поршневого компрессора 2ВГ1-/13, оснащенного прямоточными клапанами типа 1ШК-Й>5.Целью дан-э эксперимента являлась проверка наличия эффекта от использовав данных клапанах экекциошшх каналов. Испытания проводились установке в ступени клапанов как без Ж, гак п.с ЭК при числах ротов компрессора п =600, 700, 800, 900 и 1000 об/та.

На рис.2 в качестве примера представлены диаграмма движения зквагзого з нагнетательного клапанов при п =600 об/мин. Цунктяр-з линиями показана диаграммы движения клапана с эжекционными ка-

ЗИН. '

Анализируя результаты проведенного эксперимента, мокло одела од едущие выводе;

I; Вря использовании клапанов о вжекционными каналами наблюдается определенный еффект; уменьшается частота и амплитуда колебаний пластина, увеличивается время - оечение клапана.

2. Эффект тем заметнее, чем выше скорость газа, протекающего через клапан.

Далее описан степи статических продувок клапанов, цриввдена программа и методика экспериментальных исследований, целью котори 6ало получение информация о распределении статического давления газа под и над пластиной прямоточного клапана.

В лаборатории компрэссоросгроеная СПбГЗУ была изготовлена модель влеменга прямоточного клапана с демпфирующей нишей в ограи чателе в масштабе 2:1.

Продувкам подвергались:

а) элемент клапана без ЭК¡

б) с ЭК 0 1,5 мм;

в) с ЭК JZÍ 2,5 мм;

г) с ЭК ¡6 3,5 мм.

Эксперимент проводился на различных режимах. Каждый режим со', ответствовал определенному расходу газа через клапан, скорости по: ка газа, числу Рейнольдса. Кроме того, все продувки выполнялись при фиксированной высоте подъема пластины .

По результатам эксперимента были построены эпюры распределен) давления по длине и ширине пластины как над пластиной, так и под ней, а также соответствующие эпюры перепада давлений.

Результаты статических продувок и их предварительная обрабоя представлены в табличной и графической форме. Из их анализа был сделан вывод, что работа клапанов происходит в автомодельной облас ти. Это обстоятельство позволило определить среднее распределение относительного перепада давления по длина пластины клапана. От но oí тельное давление в ¿ -ом сечении определялось• по формуле F=&P,-v//>¿ (гае ир,\р - средний перепад давления на пластине; p¿ - давлен] перед клапаном).

Результаты продувок клапанов сведены в график, представлении] на рис.З. Здесь показаны распределения давлений при высотах порьа: пластины Н=2; 4; 6 мм.

Эпюры давлений при Н=3; 5 мм на рисунке не пред ставлены, чтоб!

Рис. 1 Элемент прямоточного клапана с эжекционныпи коншани

/т * 600 ot/ñuн

Рис. 2 Диаграммы дбахения мапаноЗ: ■ а) бсасыбающего; ö) нагнетагяельмео

не загромождать пола чертежа.

Использование полученных вксперимантальных данных в графической форме при расчетах на ЭВМ затруднительно (необходимо сохранять в памяти ЭВМ значения в.виде четырехмерного массива Р где х , у - координаты вдоль и поперек пластины, А - высота подъема конца пластаны, </э - диаметр аукционного канала).

С целью упрощения алгоритма расчета динамики клапана была выполнена аппроксимация экспериментальных данных полиномиальными зависимостями, которые в дальнейшем были использованы при выполнении расчетов на ЭВМ по составленной математической модели.

Четвертая глава посвящена расчетам по математической модели я анализу их результатов.

В качестве объектов для математического моделирования были выбраны компрессор 21371-2,5/13, на котором были выполнены предварительные испытания клапанов о вкекционными каналами, и компрессор 2Ш10-63/9 Пензенского компрессорного завода, по заказу которого проводилось большая часть настоящих исследований.

Еыбор первого из них на был связан с количественной проверкой согласия расчетных и опытных данных. Такого согласия трудно было ожидать по следующим причинам. Клапан ПИК-155А не имел демпфирующей полости в ограничителе с тыльной стороны пластины) в отличие от клапанов ПИК-220А, в которых ага полость присутствует. Компрессоры общего назначения и первые ступени компрессоров более высокого давления Пензенского компрессорного завода оснащаются именно этими клапанами. В соответствии о этим продувки клапанов, о которых говорилось в предыдущем разделе, проводились для проточной части клапанов 1ШК-220А. Однако проследить качественное соответствие влияния эжекционного эффекта при сопоставлении расчетных я опытных данных представляется возможным.

В качестве варьируемых параметров были назначены следующие: диаметр эжекционных каналов (1,5; 2,5 и 3,5 ш); степень дискретизации задачи, т.е. число точек разбиения по длина пластины; шаг интегрирования критерий скорости потока (м); форма ограничителя.

При каналах с диаметром 3,5 мм ажекционные эффекты оказывают заметное влияние - возрастает среднее .относительное сечение и несколько снижаются средние относительные потери. Угол запаздывания остается примерно тем же, что и при каналах с другим диаметрами, но он существенно мэньшэ, чем при их отсутствии (соответственно

7° и 17°).

По мера увеличения критерия скорости потока влияние экекцион-ных каналов возрастает. Расчета были выполнены применительно к машине 2БУ1-2,5/13, где число пластин во всасывающем клапане было уменьшаю с 17 до 7. След степ в и атого явилось изменение значения критерия (м) с 0,04 до 0,11, что соответствует значениям, характерным для машин общего назначения. Простое сопоставление внешнего вида диаграмм говорит о той, что наличие вжекционных каналов существенно улучшает динамику пластин пряшточного клапана - резко, ушньшаптся размах и число колебаний пластаны, а снижение относительных потерь давления составляет 40$, что соответствует уменьшению на 2,2% индикаторной мощности ступени. Можно огляагь, что для форсированных машин, для которых характерны еще более высокие значения критерия скорости потока, аффекты, связанные с наличием эжёк-ционных каналов, окажутся еще существеннее.

Численный вксперимент указывает на потенциальную возможность повышения э#эктиэносгй компрессора 2ВМГО -63/9 производства Пензенского компрессорного завода в случае оснащения его вместо штатных клапанов такими же по посадочному диаметру, но имеющими эжек-цнонныа каналы диаметром 3,5 т.

Результаты расчетов показывают, что как у всасывшотих так и .у нагнетательных клапанов обоих ступеней компрессора наблжщается улучшение их динамических и интегральных характеристик (рис.4 и 5). Согласно расчетам мокло ожидать обиее снижение суммарной индикаторной мощности обеих ступеней компрессора на 2,63$.

Косвенным подтверждением такого вывода можно считать испытания, выполненные на Пензенском компрессорном заводе компрессора 2Ш10-63/Э, оснащенного прямоточными клапанами с эжекционными каналами. При испытаниях было обнаружено некоторое снижение (порядка 1,550 удельной мощности компрессора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основания выполненных теоретических и экспериментальных исследования можно сделать следующие выводы:

I, Разработана уточненная методика расчета динамики пластины прямоточного клапана как системы с распределенными параметрами,отличающаяся тем, что она учигнваог реальную нахрузку на пластину.

{О

Клапан без эжех/а/а#нш каяыоб

Интегральные характеристик/

угол открытия - 50. ооо

уш закрытия - 196- ООО

уш запаздывания-Ш2Э

среднее относительное сечение - О. 50Р

средние потери даЗлнш, Па-¿796.019(5.733%)

Отн. патера давления у^ра?

Клапан с эжекционными каналами 2)=3.5мп

100%

относит, сечение

Ште^ральные ссарахтерис/пихи угол открытия- 50.от уш закрытия - 169. ооо угол запаздывания -среднее относительное сеченое-0.615 средние потерида(ления, Ла ¿829.379(3.792%)

у, г рад.

отн. потери давления Ц^рад.

Рис. 4 Результат/ расчета дсасиба&щега макана Ц

Клман 5ез »жекцаотих камалой "

I

1ПЛс/ откосит, сечение

Цтегролоте характеристики

угол открытая - ¿ЗО.ОСО

угол закрытия -Збв.Ш угол

среднее относительное сечение -0.5Г4 средние потери дабления.Ра- 1ГМ2Ш(з.Ш'А)

отн.поте\ри давления ^ град.

Клапан с элеещиомыми каналами Д*3. ¿нн

интегральные характеристики

цсал открытия -¿ЖООО 10<"

угол ¿акрыти* - ¿65- 000

угол мпаздь/4аная -4-

среднее сшаа/мелмаг ¿/юте -0.М7

средние потери дарения, Ла-е£}Ш2(£.П7У»)

Относит, сечение ъ*/*3?-

отн. потери давления </, грс$. - Рис. 5 Результата расчета наене/пательного кдалат

позволяет оптимизировать форму ограничителя подъема и там самим повысить показатели эффективности работы клапанов.

2. Проведены многочисленные продувки клапанов на ояециально разработанном стекла, позволившие установить распределение давлений по обе стороны пластины л зависимость нагрузки на пластину от" ее перемещения как при наличии эжекционных каналов, так и при их отсутствии. Данные продувок использованы при математическом моделировании работы клапанов.

3. Для созданной математической модели разработаны алгоритм и программа расчетов, предусматривающие нахстдонио основных показателей эффективности клапанов и возникающих в пластине изгиб них напряжений.

4. Экспериментально показано положительное влияние на динамику пластин эжекционных каналов, выполненных между тыльной стороной пластины и выходным каналом над кромкой пластины. Это подтверждается результатами расчетов по математической модели.

5. Выполнена многочисленные расчеты по предлагаемой методике. Показана удовлетворительная точность проведения расчетов при 'выбранных шаге вычислений и степени дискретизации задачи. Оценено влияние различных факторов на эффективность работы клапанов. Показано, что наибольший эффект достигается при максимальном (из трех исследованных) диаметре эжекционных каналов, равном 3,5 мм.

Установлено, что при малых значениях критерия скорости потока влияние эжекционных каналов на показатели раЗоты клапанов невелико. Это .влияние растет по мера увеличения критерия, а при достижении им значений, характерных для поршневых компрессоров и равных 0,1 * 0,15, использование клапанов с эжекциошшма каналами позволяет снизить средние потери давления на 40 *■ 50%.

По теме диссертации опубликована следующие работы:

1. Совершенствование прямоточных клапанов и методов их расчета,- Компрессорная техника и пневматика, АСКСМП, выцуск I, С.-Петербург, 1992 г.— В соавторстве.

2. ó~tu.dt/ pf tká {fa£vé e¿£snent wat¿ ел. and gas /¿W" ¿A г JtiaiyAt -/fots Wateres -

о/ ¿A e /$<?¿ Znt-e%/?a.i¿c>f?a£ £(?/??/> te ss о г Елу^лее v¿/y Co/ifé zелее at Pu ?¿t¿¿ e h/ la./a¡/e££e T^dia/ia.

[/ÓA- ~ V¿>£. I, pp. /M-¿06.