автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Винтовые однороторные компрессоры для холодильной техники и пневматики

' " Г .1

• J

На правах рукописи УДК 621.515,4

Пронин Владимир Александрович

ШИПОВЫЕ ОДНОРОТОГНЫЕ КОМПРЕССОРЫ ДЛ>1 ХОЛОДИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И ПНЕВМАТИКИ

Специальность 05.04.03 - машины и аппараты холодильной и криогенной техники и систем кондиционирования

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена на кафедре "Детали машин и Г1ТМ" Санкт-Петербургской государственной академии холода и пищевых технологий.

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор Ден Г.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Прилуцкин И.1С.

доктор технических наук, профессор Пластшшн 11.11.

доктор технических наук, профессор Измайлов P.A.

Ведущая организация: А.О. "Компрессор (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится декабря 1998 г. в 14 часов на заседании диссер-

тационного Сонета Д.063.02.01 при Санкт-Петербургской государственной академии холода и пищевых технологий в а уд. 2219 (но адресу: 191002, Санкт-Петербург , ул. Ломоносова, 9).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СП6ГАХГ1Т.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять но адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, ученый Сове г СПбГ'АХПТ.

Автореферат разослан "/S" ноября 1998 i

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор технических наук, профе*

Л. С. Тимофеевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Современное состояние экономики России таково, что на первый план выдвигается коренная перестройка всего хозяйственного механизма страны, вывод промышленности на качественно новый уровень развития. Достижение этой цели возможно только при наличии продукции мирового качества.

Освоение современных методов поисковой работы позволяет быстрее и эффективнее добиваться повышения уровня и качества создаваемой техники и технологии. Развитие научно-технического прогресса приводит к расширению областей применения искусственного холода и пневматических устройств в различных сферах деятельности человека, а, следовательно, к возрастанию потребности в высокоэффективных компрессорах.

В настоящее время широкое распространение получили винтовые компрессоры благодаря высокой эксплуатационной надёжности, хорошим массо-габаритным показателям и значительному сроку службы. Высокие скорости вращения рабочих органов обеспечивают большую производительность, равномерность подачи компрмынруемой среды и стабильность рабочих характеристик в процессе эксплуатации.

Наиболее распространены двухроторные винтовые маслозаполненные компрессорные машины (ВКМ), которые серийно выпускаются как иностранными фирмами, так и отечественной промышленностью. Данный класс машин достаточно хорошо исследован, а вопросы их проектирования и изготовления отработаны. В середине 70-х годов на рынке появились винтовые одноротор-ные компрессоры (ВКО) производства таких фирм как "Grasso" (Голландия) и "Ilall Termotank" (Англия). В настоящее время данный тип компрессоров выпускается целым рядом фирм различных стран мира, исключая Россию.

В связи с этим и возникла проблема создания конкурентноспособного отечественного ВКО, разработки теории и методик его расчёта, а также решения комплекса вопросов, связанных с его промышленным производством. Решению этой проблемы и посвящена данная работа.

Целью работы является:

1. Создание однороторного винтового компрессора с принципиально новым профилем зуба рабочих органов.

2. Комплексное теоретическое исследование эффективности работы ВКО на основании уравнений для объемных н энергетических показателей ВКМ, а также основных уравнений гидрогазодинамики.

3. Разработка методики расчета и проектирования данного типа компрессора.

4. Экспериментальные исследования ВКО в составе холодильной машины, а также в качестве источника сжатого воздуха.

5. Выдача конкретных рекомендаций по изготовлению ВКО с окружной формой зуба, включая особенности технологии производства .

Научная новизна. Впервые в отечественной практике проведены теоретические и экспериментальные исследования однорогорного шипового компрессора маслозаполнсниого типа при работе на аммиаке и воздухе. На основании полученных данных предложены нуга повышения эффективности работы ВКО. Разработаны методики расчёта основных рабочих характеристик ВКО, которые подтверждены экспериментально. Спроектированы, изготовлены и испытаны опытные образцы ВКО с окружным профилем зуба рабочих органов.

Практическая ценность:

- создана конструкция винтового однорогорного компрессора с окружным профилем зуба рабочих органов;

- получены объемные и энергетические характеристики ВКО при работе па хладоне 717 и воздухе;

- предложены пути повышения эффективности и экономичности работы винтового однороторного компрессора;

- разработаны методики расчета основных рабочих параметров ИКО;

- даны конкретные рекомендации по технологии изготовления рабочих органов ВКО с окружным профилем зуба.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты докладывались п обсуждались на VII Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение технического уровня, надежности и долговечности компрессоров и компрессорных установок", Казань, ^985 г.; Научно-технической конференции "Интенсификация работы холодильных установок", Владивосток, 1985 г.; Всесоюзной научно-практической конференции "Интенсификация производства и применения искусственного холода", Ленинград, 1986 г.; Всесоюзной научно-практической конференции "Искусственный холод в отраслях агропромышленного комплекса", Кишинёв, 1987 г.; Всесоюзной научно-практической конференции "Интенсификация технологических процессов в рыбной промышленности", Владивосток, 1989 г.; VII Всесоюзной научно-практической конференции "Создание компрессорных машин и установок, обеспечивающих интенсивное развитие отраслей топливно-энергетического комплекса", Сумы, 1989 г.; X Международной конференции по компрессорной технике, Казань 1996 г.; Международной научно-технической конференции "Холод и пищевые производства", Санкт-Петербург, 1996 г.; XI Международной научно-технической конференции по компрессорной технике, Казань 1998 г.

Основные разделы диссертации докладывались также на ежегодных конференциях СПбГАХПТ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 31 работа, в том числе 5 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

Работа изложена на 226 страницах, включая 63 рисунка и 9 таблиц. Список литературы включает 203 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В кратком обзоре существующих типов винтовых компрессоров отмечено, что первый двухвинтовой компрессор был изготовлен в 1934 году шведской фирмой "Ljungstrom" по патенту инженера Лисхольма. В пятидесятых годах к разработке и изготовлению винтовых машин приступили такие фир- ы, как "Howden" (Англия), "GHH" (ФРГ) и др., а также ЦКБ "Компрессор" и НЗЛ. Значительный вклад в созданий отечественных винтовых компрессоров внесли работы: С.Е. Захаренко, H.A. Сакуиа В.Д. Лубенца, Б.Л. Грннпресса, Г.А. Ка-нышеза A.B. Быкова, А.Л. Верного, А.И. Шварца, В.И. Пекарева, С.И. Шнбри. Работы последнего положили начало создашпо однороторных винтовых компрессоров. Далее рассмотрены основные тенденции развитая вннтозых компрессоров, а также области их применения. В результате оценки состояния и развития винтового холодильного компрессоростроения отмечено, что наблюдается тенденция к расширению диапазона производительности, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, получили развитие герметичные и бессалышковые компрессоры, а также двухступенчатые машины; в пеоедвгок-ных компрессорных станциях для компрчмкровация воздуха, винтовые машины практически полностью вытеснили поршневые компрессоры.

При рассмотрении рабочих органов ВКМ и особенностей их построения оценивалось влияние компоновки машины и профилей винтов, а также наличия жидкой фазы в рабочей полости на энергетические характеристики компрессора.

Более подробно рассмотрены особенности построения и работы однороторных винтовых компрессоров. Последний представляет собой машину объемного сжатия, состоящую из центрального винта-ротора 1 и отсекающих устройств 2, помещенных в единый корпус 5 (рис, 1). Ротор имеет выходной конец 8, служащий для привода ВКМ и конический скос 3 для всасывания газа. В цилиндрической часта корпуса выполнены прорези 9 для ввода в рабочую часть компрессора отсекателей 2 и нагнетательные окна 7. Материалы, из которых изготовлены винт-ротор и отсекатели, подобраны таким образом, что образуют антифрикционную пару, При работе компрессора компримируемая среда из всасывающей камеры 4 поступает через конический скос 2 п винтовые полости, которые при вращении вннта поочередно изолируются от камеры всасывания зубьями отсекателей. После отсечки винтовой полости от полости всасывания процесс всасывания заканчивается и начинается процесс объемного сжатия. К моменту окончания сжатия газ поступает к окну нагнетания 7, а затем в нагнетательный патрубок.

Рис.1. Винтовой однороторный компр—,сор

В данной конструкции ВКО сжатие происходи- параллельно в двух противоположных винтовых полостях, что позволяет разгрузить винт-ротор от действия радиальных сил. Все серийно выпускаемые в настоящее время ВКО имеют глобоидный винт-ротор, два отсекателя с прямоугольно!! формой зуба, а также сочетание чисел зубьев - соответственно шесть на винте и одиннадцать на огсекателе. Следует отметить также, что все эти компрессоры отн<"ятся к машинам маглозаполненного типа. Как будет рассмотрело далее, зубья отсекателя образуют с винтовыми канавками щели практически с параллельными стенками, что позволяет повысить сопротивление этих щелей в рабочей части ВКО по сравнению со щелями, образованными винтами двухроторной ВКМ. Причем, глубину щелей ВКО, а, следовательно, и их сопротивление, можно регулировать за счёт изменения толщины зуба отсекагеля, что не будет оказывать существенного влияния на теоретическую производительность машины. Экспериментальные исследования, результаты которых будут приведены ниже, полностью подтвердили данное утверждение. Зацепление рабочих элементов ВКО по взаимному расположению их осей и другим характеристикам аналогично зацеплению элементов глобоидной червячной передачи, хотя имеется и целый ряд отличий, касающихся силового взаимодействия зубьев, их формы, особенностей нарезания и ряда других фактороз.

Сравнение рабочих характеристик дзухроторныч и однороторных винтовых компрессоров приводит к выводу, что однероторные винтовые компрессоры го целому раду эксплуатационных и энергетических характеристик способны успешно конкурировать с двухроторными машинами. Отмечены такие преимущества ВКО, как:

- более низкая температура нагнетания;

- пониженный уровень шума (на 10 - \ 5дб);

- меньшая металлоёмкость;

- лучшие объёмные характеристики;

- более эффективная система регулирования производительности.

На основе анализа научных публикаций и рассмотрения проблемы создания отечественных однороторных винтовых компрессоров сформулированы цели диссертации и основные направления исследований.

Анализ основных процессов в рабочей части однороторного винтового компрессора, позволили выявить следующие особенности:

- рабочие процессы в ВКО происходят при переменных термодинамических паоаметрах и являются нестационарными;

- все процессы происходят при переменной массе компримирусмой среды;

- на параметры вешестза в рабочей части ВКО существенно з гиягот протечки компримируемой среды через зазоры между рабочими органами компрессора;

- рабочие процессы в компрессоре периодически повторяются и длятся

тысячные доли секунды;

- при значительных окружных скоростях рабочих органов ВКО параметры ком]ipiLMирусмой среды могут иметь различные значения в пределах одной иолосги, а на характер течения рабочего вещества через щели может оказывать влияние подвижность их стенок.

Следует отметить, что одним из основных факторов, влияющих на объёмные потерн, является сопротивление зазоров в рабочей части ВКО, которое ь свою очередь определяется эффективными сечениями щелей (зазоров). Эффективное сечЬние не равнозначно собственно сечению щелей, так как между высотой щели и её глубиной существует своя зависимость для каждого конкретного типа щели. При постоянной величине параметров щелей коэффициент подачи будет возрастать при увеличении объёма рабочих полостей, '-идраиличе-ского диаметра центрального винта, а также уменьшении степени повышения давления.

Большое влияние на объёмные потерн оказывает окружная скорость центрального винта, причём с увеличением окружной скорости уменьшается относительная величина протечек, однако, при этом растут газодинамические потерн в рабочей части компрессора. Поэтому дня винтовых машин существует такой понятие, как оптимальная окружная скорость рабочих органов.

Вышеперечисленные факторы влияют на действительную объёмную производительность ВКО, в то время как теоретическая объемная производительность зависит от диаметров рабочих органов, относительной длины врезной части центрального винта, размеров зуба отсскагеля, передаточного числа, числа заходов центрального винта и частоты- его вращения.

Разработанная методика расчёта теоретической объёмной производительности ВКО позволяет рассчитывать машины с различными геометрическим параметрами. В основу методики иоложепа теорема Гюльдена, позволяющая определять объём тела вращения некоторой плоской фигуры, а следовательно объём винтовой полости центрального винта.

Теоретическая объемная производительность ВКО определяется выражением:

Vh =fe,^|5(a>-(a)ifa, (1)

о

где к - число зубчатых отсекателей; Zj - число заходов центрального винта; «I - частота вращения винта; а - угол поворота винт;., S(а) - площадь зуба ог-секателя в осевой плоскости, находящаяся в зацеплении с винтом и зависящая от утла поворота винта; г(а) - кратчайшее расстояние от оси вращения винта до центра тяжести площади зуба отескателя S(а).

Апробация методики расчёта теоретической объёмной производительно-

сти ВКО производилась при создании экспериментального В КО, а также при проектировании компрессоров с окружным профилем зуба для Ташкентского завода "Компрессор" и фирмы "Палмис" (г. Екатеринбург).

При рассмотрении силовых факторов в ВКО, отмечается, что схема сил и моментов, действующих на рабочие органы винтового однороторного компрессора, существенно отличается от схемы нагрузок в двухроторноч винтовом компрессоре типа "Лисхольм". Это различие связано прежде всего с тем, что оси вращения рабочих органов BICO перекрещиваются в пространстве, в то время как в ВКМ они параллельны. Существенные коррективы в определение суммарных действующих сил вносит то обстоятельство, что процессы компри-мнрования рабочей среды в ВКО происходят одновременно в двух симметричных областях. Отмеченные особенности приводят к тому, что центральный винт однороторного компрессора полностью разгружен от действия радиальных сил и практически от действия осевых сил тоже. Зубья отсекателей подвержены воздействию изгибающих напряжений, а опоры отсекателей воспринимают как осевые, так и радиальные нагрузки.

Исследование сил и моментов, действующих на рабочие органы BICO, позволило создать методику нх расчёта, которая даёт возможность рассчитывать деформации рабочих органов компрессора, минимально безопасные зазоры между ними и тем самым гарантировать необходимую прочность и долговечность наиболее ответственных узлов машины.

Рассмотрены основные принципы построения рабочей части ВКО. Отмечено, что практически все однороторные винтовые компрессоры, выпускаемые в настоящее время зарубежными фирмами, имеют прямоугольную фо,,му зуба отсекателей в плоскости, перпендикулярную осям их вращения.

Для нарезания подобного профиля необходимо обеспечить вращение заготовки центрального винта с угловой скоростью Cüj, а режущий инструмент должен вращаться вокруг оси вращения отсекателя с угловой скоростью 0)2 • Необходимым условием при нарезании такого профиля является наличие постоянной кинематической связи между вращением заготовки и иструмента. Кинематическая связь должна обеспечивать постоянство передаточного числа

гу = со1/со2 =г2М,

где zt - число заходов винта; z2 - число зубьев отсекателей. Нарезание винтов с прямоугольной формой зуба возможно только на дорогостоящих специальных станках, которых отечественная промышленность не имеет. По этой причине до настоящего времени в России и СНГ не удалось наладить выпуск ВКО типа "Zimmern" с прямоугольной формой зуба. Поиски упрощения технологии изготовления центрального винта ВКО привели к принципиально новой форме зуба - окружной, что составило предмет изобретения. В качестве исходного

контура при построении рабочих органов компрессора предложена окружность, причем, если режущую кромку инструмента в виде тела вращения расположить в плоскости, проходящей через ось вращения заготовки винта, то можно нарезать винт как токарным, так и фрезерным способом. В первом случае режущая кромка инструмента затачивается по дуге окружности, во втором - используется коническая фреза. Наиболее прогрессивным является фрезерный способ нарезания винтов, которое может производиться на ряде фрезерных станков с числовым программным управлением, а также на обрабатывающих центрах типа ИР-320 отечественного производства. При расчёте конических фрез должно выполняться условие:

) > 90°-угаах

где угол _/ - угол наклона боковой плоскости фрезы к нормали (град); Утах -максимальное значение угла наклона боковой стенки винтовой канавки к плоскости вращения фрезы (град).

В основу методики расчёта н проектирования зубьев отсекателей окружного профиля положен численный метод, а принцип решения состоит в определении местоположения взанмосопрягаемых точек рабочих органов ВКО в каждый отрезок времени с момента их входа в зацепление. Координаты любой точки на зубе отсекателя, а также любой точки внадины винта в трехмерной системе координат можно рассчитать с помощью системы уравнений:

х = г08тасоБ(р2 +

У =

А,

• + г0соза

$1Пф2

а„+г0мпаяпф2 -в^ + гоипаяпфз -

ГА.

ГА,

+ г0со$а

СОБ(р

СОБ

ф2

V

г1

- + г0со8а

СОвф2

вт! ф2 — 2\)

(2)

где - диаметр начальной окружности зубьев отсекателя; - межосевое расстояние; г0 - радиус зуба отсекателя в плоскости, проходящей через ось вращения винта; ф2 - угол поворота отсекателя; а - угол, определяющий положение заданной точки на контуре зуба относительно его оси симметрии; г, и 22 - числа зубьев винта и отсекателя.

С помощью данной методики был произведен расчёт профиля зуба отсе-кателя опытного ВКО, имеющего следующие геометрические параметры: -4; г2 = 5; = 100 мм; а№ = 130 мм; гд = 30 мм.

В качестве базовой поверхноста зуба отсекателя выбран винтовой столб,

т.е. винтовая поверхность постоянного осевого хода А = Щ2а№ - £)

Профиль зуба отсекателя верхней кромкой лежит в осевой плоскости винта, а теоретический зазор 3 между впадиной винта и зубом отсекателя в этой плоскости равен 0. Отклонение действительного контура зуба отсекателя ВКО от базового (винтового столба) представлено на рис. 2. На рис. 2а показана величина зазора (подрезания) между профилями канавки вшгта н зуба отсекателя для различных положений последнего; на рис. 26 приведена огибающая семейства кривых, представленных на рис. 2а; на рис. 2в показана величина подрезания зуба отсекателя по его толщине для различных точек контура. На базе изложенной методики разработаны программы для фрезерных станков с Ч11У, позволяющие сравнительно просто нарезать зубья отсекателен.

В работе рассмотрены два характерных профиля рабочих органов ВКО (прямоугольный и окружной), а также классифицированы основные зазоры в рабочей части машины. Особый интерес представляют зазоры в ВКО с окружным профилем зуба, так как экспериментальный компрессор имел именно этот профиль. При вращении рабочих органов компрессора величина зазора между ними будет перераспределяться и составит величину 5,-, переменную по дугам образующих окружностей (рис. 3).

В винтовом компрессоре маслозаполненного типа минимальная величина зазора определится толщиной слоя масла при наличии устойчивого масляного клина.

Величина зазора в каждой точке профиля зуба определяется формулой:

где е - эксцентриситет; 80 - средний зазор в щели при отсутствии эксцентриситета; ср - угол между линией, параллельной оси вращения винта, и линией, соединяющей центры О, и 02- Таким образом, задача определения величины 5, решается с помощью ЭВМ достаточно просто. Более сложным является закон изменения конфигурации рассматриваемой щели по её глубине, так как эта щель образована либо двумя криволинейными поверхностями, либо прямолинейной со стороны зуба и криволинейной со стороны канавки винта, в зависимости от технологии изготовления зубьев отсекателей.

5, = 50 - гетер,

(3)

8, мм 1,6

0,8

а)

-0,8

110

8, мм

1,6 0,8

60

0

б)

-0,8

8, мм О

-0,4

-0,8

110

60

в)

г;=-Юмм

Фа=-44,1°

<Р2=16,8°

-60' а,град

г;=-юмм

/

Г __/

Ч

-60

Т.[ =-5 мм

,7. ¡=-5 мм

г; 2Т,'=-10мм

а, град

НО 90 60 30 0 о, град

|"нс.2 Оноюнение действительною контура зубаотсекателя ВКО 01 исходного

Винт

Рис.3. Зацепление рабочих органов ВКО

Нейтральный вши' ВКО имеет гмобоидцую нарезную часть, поэтому углы наклона стенок винтовых канавок изменяются как но его длине, так и но кривым, образующим профиль канавки. Закон изменения конфигурации шели б, по глубине достаточно сложен, поэтому для практических целей н расчётах целесообразно использовать усредненные параметры этой щели.

Расчёт протечек через щели в В1СМ обычно производится s- предположении о стационарности течения колшршшруемой среды и без учёта движении офаничивтощих эти щели поверхностей, скорости движения которых зависят как от их конфигураций, так и от исходных скоростных параметров.

Разработаны две математические модели расчёта протечек компримнруемой среды через щели в рабочей части ВКО с учётом подвижности их стенок. В качестве базовых использовались уравнения неразрывности, движения и сохранения энергии. При решении поставленной задачи предполагалось, что высота щелей 8,- мала по сравнению с их глубиной £i, течение компримпруе-мой среды - ламинарное, а комплекс (8,/(¡) Re — также мал.

Первая модель позволяет производить расчёты протечек для компрессоров сухого сжатия. Эта задача становится актуальной, так как совсем недавно на рынке холодильных ВКО появился компрессор фирмы "Мс. Quay", работающий без подачи масла в рабочую часть. Появление новых материалов и технологий значительно расширяет возможность применения ВКО, ь рабочую часть которых вместо масла подаётся жидкая фаза компримнруемой ере; ы. Via базе разработанной математической модели была составлена программа расчёта для ЭВМ, которая позволила методом численного эксперимента определить протечки компримнруемой среды через отдельно взятые щели, суммарные протечки, а также коэффициент подачи компрессора. Расчёты проводились для опытной модели компрессора "ЛИР", изготовленной на Барнаульском котельном заводе в середине 50-х годов.

Сравнение экспериментальных данных компрессора "ЛИР" с данными численного эксперимента представлены на рис. 4.

На базе второй математической модели была разработана методика расчёта протечек комнримируемой среды в рабочей части маслоза юлненного ВКО с окружной формой зуба. Наиболее сложной является задача определения протечек между зубом отсекателя и впадиной винта.

В результате проделанных исследований был определён следующий порядок вычислений:

1. Устанавливается дискретность точек по углу поворота отсекателя V)/ и угловой координате ф на кромке зуба.

2. Осуществляется цикл интегрирор чщя по »¡/, в ходе которого выполняются требуемые вычисления.

3. Определяется объём полости винтовой канавки за зубом огсскагелн, равный объёму рабочей полости сжатия при данном положении зуба.

X

0,95

0,90 0,85 0,80

И )

1

'i s» (

>

2,5

3 ян

Рис. 4. Зависимость коэффициента подачи А, от внешней степени давления 7tjj . Рабочая среда - воздух; Рвс - 0,1МПа; Vh = 1,83 м3/с; гг =3,2.

Ч» - эксперимент;

© - протечки рассчитаны по методике автора; О - протечки рассчитаны по методике И.А. Сакуна

4. Определяется перепад давления Ар между полостями перед и за зубом 0|секагеля, плотность паромасляпои смеси в посети сжатия р и температура смеси - Т:

. А^=^с{И-Н'тах)№)Г-1}. (4)

Р^Рвс + ЬцРмУ^УткУЧч). (5>

(6)

В этих формулах: Твс - параметры газа или пара при всасы-

вании, У(- 'Сшах) ~ полный объём полости сжатия, п - показатель политропы процесса сжатия в рабочей полости, р^ - плотность масла, _ концентрация масла в паромасляпои смеси.

5. Осуществляется цикл интегрирования по ф, в ходе которого определяются геометрические и кинематические характеристики щели.

В связи с трудностью определения точного значения величины эксцентриситета е, расчёты производятся для ряда значений в области от 0,1 до 0,9.

Расчётами установлено, что увеличение е в заданных пределах приводит к росту протечек через щель п 1,4 + 1,6 раза и увеличению неравномерности расхода но ф при сохранении качественной картины распределения протечек.

Значения Щ, соответствующие одним и тем же значениям ЛР|]р, при фиксированном угле ф н различных значениях ф определялись методом хорд, после чего подсчитыпался удельный расход по дуге скр:

= (7)

В дальнейшем удельный расход суммировался по углу ф, а потом и по углу у.

Составляющая коэффициента подачи ВКО, соответствующая этим протечкам, определялась с помощью выражения:

= 1 - I й(ф, Ушах )]' («)

УФ

Расчётные значения коэффициента подачи X, в сравнении с экспериментальными данными, представлены и таблице 1.

_Таблица 1

Рабочая среда Коэффициент подачи А,

1! кн = 1

Расчёт Эксперимент Расчёт Эксперимент Расчёт Эксперимент

Аммиак 0,9» 0,92 0,90 0,87 0,87 0,83

Воздух 0,90 0,87 0,84 0,79 0,79 0,73

Кроме количественных значении протечек через щели н рабочей части ВКО, программа расчёта позволяла получить качественную картину течения рабочей среды через щелн с учётом подвижности их стенок.

На рис. Ь показаны изолинии отношения средней скорости течения ком-нримируемой среды через щель к скоро:тн движения стенки щели.

V

Рис.5. Изолинии величины \Уц/и в щели, образованной винтом и зубом отсекателя

Значения 1Г0 соответствуют средней скорости течения жидкой фазы через щель, и - относительная скорость заданной точки на поверхности винта. Символы зависимости ^/1/ от углов <р и расшифровываются следующим образом:

"У" 0,5 5 0,6 0,7 1 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9

Сммлол 6 7 | 8 9 А В С /) в О Н / J

Выполненные теоретические исследования позволили спроектировать и изготовить опытный образец ВКО и перейти к снятию его экс/чрнментальных характеристик. Поскольку испытания проводились как на аммиаке, гак и на воздухе, то дано описание экспериментальных стендов и их особенностей.

Сленд для экспериментальных исследований холодильного ВКО был смонтирован в компрессорном цехе Ленмясокомбината (АО "Самсон") на базе компрессорного агрегата 83-900 (фирмы УЕВ КиЫаШотаО, а испытания воздушною ВКО проводились на специальном стенде 1ДС926У АиОТ "КБ Арсмаш". Экспериментальные исследования приводились на ВКО с наружными диаметрами рабочих органов П11 = В12 = 160 мм и исходном диаметре контура зуба

60 мм, при базовой частоте вращения центрального винта и, - 49,5с"'. Число зубьев центрального винта г, — 4; у отсскателя г2 = 5; геометрическая степень сжатия компрессора Ег = 2,6; теоретическая объёмная производительность Ук = 0,061м3/сек.

При испытании холодильного компрессора на аммиаке температура кипения изменялась от - 29 до - 5°С, а температура конденсации Тк от 283 до ЗОЗК при величине перегрева рабочей среды на всасызании компрессора ДГВС = ЮК.

Основные характеристики холодильного ВКО представлены на рис. 6, 7, 8 и сопоставлены с характеристиками серийно выпускаемых компрессоров 5ВХ-350/4АС и МЭ 1024. Двухроторнын компрессор 5ВХ (г. Казань) имеет теоретическую обьёмнуто производительность = 0,234 м3/с при и, = 2950об/мин и диаметре винтов £>/1(2) = 200мм, а однороторный винтовой компрессор марки МБ 1024 (фирма "Огаззо") имеет V/, = 0,234 м3/с при и, = 2970об/мин и 0/1(2) = 240мм.

Сравнительные характеристики приводятся для следующих условий:

- рабочая среда - аммиак;

- температурный перегрев на всасывании Д7ЦС = 10К;

-- температура кипения Г0 = 243К;

- геометрическая степень сжатия Ег = 2,6.

На рис. 6 приведены зависимости коэффициента подачи X от внешней степени повышения давления лн, на рис 7 - зависимости эффективного коэффициента полезною действия Це от лн, а на рис. 8 - зависимости холодильного коэффициента е от температуры конденсации.

■ч- г-н Ч

и < s i^4

( вко "С 1 —. i»

5ВХ -

0 2 4 6 ' 8 7t

Рис,6. Зависимость коэффициента подачи л от внешней степени повышении давления лн

Рис.7. Зависимость эффективного КПД Г|е от внешней степени повышения давления тс„

5 ;

I

4

3 2

1 303 298 293 288 283 Тк,К

Ряс.8. Зависимость холодильного коэффициент Е ог температуры конденсации Тк

Из этих зависимостей следует, что основные рабочие характеристики опытного ВКО ни в чем не уступают характеристикам двухроторного компрессора и несколько ниже параметров серийного однороторного компрессора, что связано прежде всего с.малой теоретической объёмной производительностью (малыми диаметрами вшгга и отсекателей) опытного компрессора.

Целыо испытаний опытного ВКО на воздухе явилось получение объёмных и энергетических характеристик для оценки основных теоретических показателей компрессора.

Испытания проводились при давлении всасываемого воздуха Рв =0,1МГ1а, температура всасывания Гв соответствовала температуре окружающей среды, частота вращения центрального вшгга /¡( = 50с"1. В качестве жидкой фазы использовалось масло турбинное Т22 с температурой на входе в компресс /м =40° С, а расход масла составлял 36 л/мин. На рис. 9 и 10 показаны зависимости коэффициента подачи ВКО X от внешней степени повышения давления Лн, а также удельной мощности от тсн. Знаками (х) отмечены параметры серийного винтового компрессора (311Ф) при пи = 7.

Анализ результатов испытаний опытного образца ВКО при указанных условиях показал, что действительная объемная производительность компрессора изменялась от 3,4 до 2,52 м3/мин, при изменении внешней степени повышения давления Ка от 2 до 9. Удельная потребляемая мощность при давле-

кВт

нии нагнетания Ра =0,7МПа составила = 6,5 —:-, что является нем мин

плохим показателем для машин объёмного сжатия.

Из сравнения показателей А. и Л'уд для ВКО и серийного винтового

(двухроторного) компрессора марки ЗИФ-ПВ-5 (АО "Арсенал"), имеющего теоретическую производительность =0,09м3/с (почти на 30 % выше, чем опытный ВКО), следует, что при ТСИ = 7 опытный ВКО имеет коэффициент подачи выше на 5-6 %, а удельная мощность при этом ниже на 25-27 %. Отсюда очевидно, что компрессоры подобного типа могут успешно применяться в передвижных компрессорных станциях.

Рис.9. Зависимость коэффициента подачи ВКО А. от внешней степени повышения давления лн

Рис.10, Зависимость удельной мощности ВКО о г (.пешней степени повышения давления тт„

На основании экспериментальных исследований могут быть сделаны следующие выводы:

- значения коэффициента подачи к ВКО с окружным профилем зуба достаточно высокие и лежат в диапазоне 0,7 - 0,95, так как окружной профиль зуба обеспечивает более плотные щели между рабочими органами ВКО при устойчивом гидродинамическим слое смазки; коэффициент подачи можно повысить за счёт уменьшения величины зазоров в рабочей части ВКО до 0,05 - 0,06 мм, а также корректировки профиля зубьев отсекателей;

- полученные значения эффективного КПД Г]е также достаточно высокие и составляют Г|е = 0,48 - 0,68; повысить Т)е по мнению автора можно путем оптимизации окон всасывания и нагнетания ВКО, а также применением более совершенной системы впрыска жидкой фазы в рабочие полости компрессора,

- величина холодильного коэффициента £ исследуемого ВКО практически не отличается от значения Е двухроторного сериь.юго компрессора 5ВХ-350/4АС при работе на К7Г' в режимах ТК =(278 +303)К, ДГВС = 10К и £г =2,6, хотя теоретическая обьёмная производительность ВКО составляет всего 25 % от производительности двухроторного компрессора;

- полученные значения А^д, в исследуемом диапазоне ГК и 7'0 лежат в интервале 12-27 кВт, Ые в интервале от 23 до 40 кВт, в диапазоне от 54 до 199 кВт, а е-- в интервале от 1,5 до 8; полученные характеристик]: позволяют сделать вывод о высокой конкурентноспособности ВКО с окружной формой рабочих органов.

Настоящая работа указывает на ряд объективных предпосылок для организации серийного производства ВКО а нашей стране. Наличие теоретических решений по профилированию и изготовлению' рабочих органов ВКО, обладающих мировой нопизной, обеспечивает патентоспособность и конкурентноспособность машины, имеющей окружной профиль рабочих органов, на мировом рынке с ВКО традиционного профиля.

Эффективность ВКО с окружной формой зуба рабочих органов может быть повышена путём совершенствования как конструкции, так и технологии изготовления компрессора:

- уменьшением стоимости изготовления ВКО за счёт совершенствования технологии изготовления рабочих органов, снижения материалоёмкости, а также унификации подшипниковых узлов и уплотнений;

- упрощением конструкции машины включая технологичность сборки;

- экспериментальной проверкой и доводкой всех новых элементов методом моделирования и поэтапных испытаний;

- оптимизацией величин зазоров в рабочей части компрессора;

- уплотнением зазоров в машине путем нанесения на элементы рабочих органов специальных покрытий, например, содержащих дисульфит молибдена:

- оптимизацией геометрических параметров компрессора (числа заходов центрального винта, углов подъёма винтовой линии, основных диаметров и числа зубьев опсекателен);

- заменой масла, идущего иа впрыск в холодильный ЪКО, другими жид-копями, позволяющими улучшить очистку компримируемой среды и увеличить Т1;, компрессора;

- применением новых конструкционных материалов и новых технологий их обработки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований созданы теория и методика расчёта и проектирования В КО с принципиально новым (окружным) профилем рабочих органов, а также определения протечек компримируемой среды через щели в рабочей части машины, с учётом подвижности их стенок. Все полученные результаты справедливы как для холодильных компрессоров, так и для ВКО, работающих на воздухе.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Разработана математическая модель рабочей части ВКО. Результаты расчётов, проведённых в широком диапазоне температур и давлений для R717, хорошо согласуются с опытными данными. Это заключение можно отнести тахже и к опытному ВКО при работе на воздухе. Методика расчёта рабочей част» компрессора может быть использована в системах автоматического про-Ct. .нровання машин подобного типа.

2. Разработанная модель протечек компримируемой среды через щели между рабочими органами ВКО с учётом подвижности стенок щелей позволяет с ьыеокой степенью точности прогнозировать ожидаемый коэффициент подачи компрессора для данной рабочей среды и условий сжатия.

3. Впервые создал и испытан однороторный винтовой компрессор с принципиально новым профилем рабочих органов (окружным). Применение окружного профиля обеспечивает не только упрощение процесса изготовления и сборки рабочих органов ВКО, но и повышает коэффициент подачи за счет более эффективного уплотнения полостей сжатия и нагнетания, а также повышения устойчивости масляного клина, образующегося между кром;ой зуба от-секатглл и поверхностью впадины центрального винта за счёт разных скоростей при вращении последних.

4. Разработана и апробирована технологическая схема изготовления рабочих органов ВКО на универсальных металлообрабатывающих станках, что на сегодняшний день является самым важным фактором для подавляющего большинства предприятий нашей страны, производящих компрессоры.

5 Разработанная математическая модель зацепленил рабочих органов ВКО позволила создать методику расчёта инструмента для их изготовления, а

также программы для станков с ЧПУ и ряд технолог ически;; приспособлений.

6. Подтверждена работоапомбъссп. ошдгиего ВКО при рь.боте на ам-ыишге и воздухе.

7. Объёмные 1/ энергетические харшсгеристщси ВКО с окружным профи-леи 'j>ña рабочих органов, полученные в результате выполненных исследовании, доказывают кошгурсгпьуш споеобиоггь этих машин в сравнении с ВКМ и ВКО традиционного профиля. При оценка исрсп&сшвиости исследуемого компрессора, следует учесть его технологичность и Солее низкую себестоимость пронзиодства.

8. На основании проделанной ра15оты спроектирован "и изготовлен образец воздушного ВКО с окружной формой зуба для Ташкентского завода "Kotinoeceop". В настоящее время коыыерческая фирма "Палмне" (г. Екатеринбург) гйтоаат базу дат серийного производства компрессоров данного Tima.

9. Вьтолиешше исследования позволили получить целый ряд конкретных рекомендаций для расчета н проектирования винтовых однороторыых компрессоров, а такке упростить технологию изготовления и удешевить их производство.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Сакуп H.A., Прон lili В .A., Oicviiea В.Л. Компримирсвшше легких газоз в вюггевыз: компрессорных машинах. // Интенсификация процессов н

оборудования пищевых произардств:Ме;квуз.с0.науилр.Л.:ЛТШ<П,1978,с.19-22.

2. Пронин В.Л. Исследование влияния потерь рабочей среды'в разгрузочной камере винтового компрессора па его коэффициент подачи. // Интенсификация посцессов и оборудования пищевых производств: Ме:хвуз. сб. науч тр. Л.: Л'пЬсГГ, 1979, с. 47—49.

3. Пронин В.А. Конструктивные особенности холодильных одиоротор-ных мштошх компрессоров. // Сборник докладов Ш ВНТК по холодильному машиностроению, JJ. 1980.

4. Пропан В.А'. Методика расчёта сил и моментов в еннтозом ксмпрес-соре с регулятором производительности золотникового типа. // Интенсификация процессор -и- оборудования, пищевих производств: Межвуз. сб. науч. тр. Л.: ЛТИХП, 1980; с. 111-114.

5. Пронин В.А., Пекарев В.И. Однороторные внитозые компрессоры. -Холодильная тгхннкг, 1982, ífe 10, с. 56-57.

6. Пропни В.А., Желябов В.Л., Коваленко В.Б. Определение теоретической производительности однороторного винтового компрессора. // Холодильные машины и трансформаторы. Термогазодннаыические процессы холодильных машин: Межвуз. сб. науч. тр. - Л.: ЛТИХП 1984, с. 76-80.

7. Пронин В.А., Желябов В.Л., Коваленко В.В. Особенности расчёта теоретической производительности однороторного компрессора - Депонированные рукописи, ВИНИТИ -19£4, № 9.

8. Пронин В.А., Желябов BJI., Коваленко В.В. Определение теореткче-

ской производительности однороторного винтового компрессора. // Холодильная техника и технология. Республиканский научно-технический сборник. Выпуск № 41 - Киев: Техника, 1985, с. 7-11.

9. Пронин В.А., Желябов В.Л., Коваленко В.В. Анализ и методика расчёта сил и моментов, действующих на рабочие органы однороторного винтового компрессора. // Холодильные машины и термотрансформаторы: Межвуз. сб. науч. тр. - Л.: ЛТИХП, 1985, с. 117-123.

10. Пронин В.А., Желябов В.Л., Коваленко В.В. К вопросу применения однороторных винтовых компрессоров в судовых холодильных установках. // Интенсификация работы холо; щьных установок: Тезисы докладов науч го-техническом конференции. - Владивосток: Дашьрыбвтуз, 1985, с. 6-8.

I i. Пронин В.А., Желябов В.Л., Коваленко В.В. К вопросу расчсосновных параметров однороторного винтового компрессора. Повышение технического уровня, надежности и долговечности компрессорных установок: Тезисы докладов VII Всесоюзной научно-технической конференции по компрсссоро-строснию. - 1985, с. 174-175.

12. Пронин В.А., Коваленко В.В., Новиков Д.И. Установка для исследования торцевых уплотнений винтовых и центробежных компрессоров. // Повышение технического уровня, надежности и долговечности компрессоров и компрессорных установок: Тезисы докладов VII Всесоюзной научно технической конференции. - Казань, 1985. с. 322-323.

13. Пронин В.А., Желябов В.Л., Коваленко В.В. К вопросу определения геометрических параметров щелей в рабочей части однороторного винтового к< шрессора. // Интенсификация производства и прпмсгеиля искусственного холода: Тезисы докладов Всесоюзной научно-техннческс.й конференции - Л.: ЛТИХП, 1986, с. 15.

14. Пронин В.А., Желябов В.Л., Коваленко В.В. Классификация рабочих зазоров в однороторном винтовом компрессоре и определение их геометрических параметров. // Повышение эффективности холодильных машин и тсрмотрансформаторов: Межвуз. сб. научн. тр. - Л.: ЛТИХП. 1986, с. 51-56.

15. A.c. 1224448 (СССР). Однороторная винтовая машина. / В.А. Пронин, В.Л. Желябов, В.В. Коваленко. - Опубл. в Б.И., 1986, № 4.

16. Пронин В.А., Коваленко В.В. Система впрыска масла для однороторного винтового компрессора. // Повышение эффективности компрессорных и тенлоиснользующпх холодильных машин: Межвуз. сб. .науч. тр. IL: ЛТИХП, 1987, с. 84-87.

17. Пронин В.А., Коваленко В.В., Исаев Ю.А. Применение винтовых однороторных компрессоров в холодильных машинах для предприятий агропромышленного комплекса. // Искусственный холод в отраслях агропромышленного комплекса: Тезисы докладов Всесоюзной научно-практической конференции. Кишинев. - М. 1987, с. 4.

18. A.c. 1359485 (СССР). Однороторная винтовая машина. / В.А. Пронин,

В Л. Желябов, D.B. Коваленко. - Опубл. в B.Ii., 1987, №46.

19. Пронин В.Л., Коваленко В.В., Исаев Ю.А. Методика расчёта теоретической производительности однороторного винтового компрессора с окружным профилем зуба отсекателя. // Совершенствование процессов машин и аппаратов холодильной техники; Межвуз. сб. науч. тр. - Л., ЛТИХП, 1988, с. 5-8.

20. А.с 1432270 (СССР). Однороторнан винтовая машина. / В.А. Пронин, LI.В, Коваленко, C.B. Зайцева. - Опубл. н Б.И., 1988, № 39.

21. Ден Г.П., Пронин В.А., Воеводский A.A. Определение протечек ком-нремируемой среды через щели в рабочей части однороторного винтового компрессора. // Создание компрессорных машин и установок, обеспечивающих интенсивное развитие отраслей топливно-энергетического комплекса : Тезисы докладов VII Всесоюзной научно-технической конференции. Часть 1. - Сумы, 1989, с. 125.

22. Ден Г.Н., Пронин В.А., Воеводский A.A. Расчёт коэффициента подачи маслозаполненного однороторного винтового компрессора. // Интенсификация технологических процессов в рыбной промышленности: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. Часть 1. - Владивосток, 1989, с. 8.

23. Пронин В.А., Коваленко В В., Исаев Ю.А. Винтовой однороторный компрессор с окружным профилем винта. // Создание компрессорных машин и установок, обеспечивающих интенсивное развитие отраслей топливно-энергетического комплекса. Тезисы докладов VII Всесоюзной научно-технической конференции. Часть 1.-Сумы, 1989, с. 121-122.

24. A.c. 1479692 (СССР). Огсекатель однороторной винтовой машины•/ В.А.Пронин, В В. Коваленко, Ю.А. Исаев. - Опубл. в Б.И., 1989, № 18.

25. Ден Г.Н., Пронин В.А., Воеводский A.A. К расчёту протечек через зазоры между полукруглым зубом отсекателя и винтом однороторного маслозаполненного винтового компрессора. // Исследование и совершенствование конструкций холодильных машин. Межвуз. сб. Науш. тр. - Л., ЛТИХП, 1990 с. 52-59.

26. Пронин В.А., Коваленко В.В. Однороторный винтовой компрессор. Рекламно-информационный лнсток № 9-90. Ленинградский межотраслевой территориальный центр научно-технической информации и пропаганды, 1990.

27. A.c. 1813924 (СССР). Однороторная винтовая машина. / В.А. Пронин, В.В. Коваленко. - Опубл. в Б.И., 1991, № 21.

28. Воеводский A.A., Ден ГН., Пронин В.А. Расчёт протечек через щель между зубом отсекателя и ротором маслозаполненного однороторного винтового компрессора. // Процессы холодильных машин и установок низкопотенциальной энергетики. Межвуз сб. науч. тр. - Л.: Л'ГНХП, 1992, с. ЗУ 44.

29. Пронин В.А. Результаты испытаний однороторного винтового компрессора на воздухе и пути повышения его энергетических характеристик. // Повышение технического уровня, надежности и долговечности компрессоров и компрессорных установок: Тезисы докладов X Международной конференции

по компресорной технике. - Казань, 1995, с. 64.

30. Пронин В.А. К вопросу проектирования и изготовления рабочих органов винтовых однорогорных компрессоров с окружным профилем зуба. - Холод и пищевые производства: Тезисы докладов Международной научно - технической конференции. - СПб., 1996, с. 25.

31. Пронин В.А., Носков А.Н. Особенности проектирования рабочих ор-lano» винтовых однороторных компрессоров с окружным профилем зуба. Компрессорная техника и пневматика, 1996. Выи. 1-2(10 11), с. 60 63.

.у