Содержание к диссертации
Введение
1. Поршневые детандер-компрессорные агрегаты. состояние вопроса. цель и задачи работы 14
1.1. Преимущества совмещения компрессорных и детандерных ступеней
в составе детандер-компрессорного агрегата (ДКА) 14
1.2. Области применения детандеров и детандер-компрессорных агрегатов 15
1.3. Поршневые детандеры. Конструкции. Современное состояние. Тенденции повышения технического уровня 23
1.4. Формулировка научной и технической проблем 35
1.5. Основные задачи исследования 41
2. Конструкция детандер-компрессорного агрегата.экспериментальный стенд. методика эксперимента... 43
2.1. Цель и задачи эксперимента 43
2.2. Конструкция детандер-компрессорного агрегата 44
2.3. Экспериментальный стенд. Методика эксперимента 47
2.4. Предварительные испытания детандер-компрессорного агрегата 54
2.4.1. Порядок пуска агрегата 54
2.4.2. Предельно допустимая величина начального давления газа 56
2.43. Анализ контрольных индикаторных диаграмм. Оценка адекватности расчетных и экспериментальных данных 57
2.4.4. Особенности работы детандерной ступени при рн-* рк 64
2.4.5. Контрольные тепловые испытания детандерной ступени 67
2.4.6. Результаты испытаний модернизированной детандерной ступени 71
3. Моделирование рабочих процессов в компрессорных и детандерных ступенях ДКА 82
3.1. Введение 82
3.2. Общие допущения 84
3.3. Математическая модель второго уровня 85
3.4. Математическая модель третьего уровня 97
4. Расчетно-теоретическии анализ работы ступеней ДКА . 102
4.1. Анализ работы компрессорных ступеней 102
4.1.1. Согласование работы ступеней в составе агрегата 102
4.1.2. Методика оценки герметичности клапанов в закрытом состоянии . 103
4.1.3. Герметичность ступеней при износе уплотнительных колец 111
4.1.4. Динамика потоков газа в уплотнении поршней тронкового типа 119
4.1.5. Методика оптимизации конструкции уплотнительных узлов 125
4.1.6. Оценка интенсивности теплообмена в ступенях с различным объёмом рабочего цилиндра 130
4.1.7. Влияние начальной плотности газа на теплообмен в ступени 133
4.1.8. Особенности динамики движения пластин ленточных клапанов с упругим ограничителем (ЛУ).
Методика оптимизации конструкции клапанов 139
4.2. Анализ работы детандерной ступени 149
4.2.1. Сравнительный анализ рабочих циклов 149
4.2.2. Температурное поле в цилиндре детандерной ступени в процессах выхлоп-вытеснение 153
4.2.3. Оценка интенсивности теплообмена
в ступенях с различным объёмом рабочего цилиндра 163
4.2.4. Оценка интенсивности теплообмена в ступенях с постоянным
объёмом цилиндра и частотой вращения вала 178
4.2.5. Влияние величины начальной плотности газа 182
4.3. Особенности совместной работы компрессорных и детандерной ступеней ДКА20-10/1С при переменном давлении на входе в детандерную ступень рн 185
4.4. Автономные малорасходные детандер-компрессорные агрегаты на многорядных высокооборотных базах 190
Заключение 192
Литература
- Области применения детандеров и детандер-компрессорных агрегатов
- Экспериментальный стенд. Методика эксперимента
- Математическая модель второго уровня
- Динамика потоков газа в уплотнении поршней тронкового типа
Введение к работе
Создание прогрессивных образцов новой техники в современных условиях неразрывно связано с разработкой более совершенных методов расчета и их практического применения на стадии проектирования. Это позволяет выявить и глубже изучить особенности протекающих физических процессов, обосновать наиболее приемлемый вариант конструкции машины, сократить затраты на подготовку и проведение натурного эксперимента при модернизации существующих или доводке вновь создаваемых машин нового поколения и прогнозировать их технико-экономические показатели при работе на номинальном и не расчетных режимах.
Широкое использование в различных отраслях народного хозяйства сжатых газов, различных по составу и параметрам, немыслимо без применения компрессорных и расширительных машин. Они широко используются в различных технологических процессах и составляют основу криогенных и холодильных установок. От их совершенства в первую очередь зависит эффективность работы и надежность установки в целом. По существующим оценкам [58] до 15% вырабатываемой электроэнергии тратится на привод компрессоров. При этом на долю поршневых компрессоров приходится до 60% от указанной величины. Применение расширительных машин (детандеров), использующих предварительно сжатые в компрессорах газы, способствует возврату затраченной при сжатии мощности в диапазоне от 5 до 30%.
В свете сказанного разработку, создание и внедрение в производство прогрессивных конструкций компрессорных и расширительных машин с улучшенными, теоретически обоснованными и подтвержденными натурным экспериментом технико-экономическими показателями следует отнести к одному из важнейших направлений развития науки и техники.
Анализируя современные тенденции, можно отметить все более широкое использование в установках различного назначения детандер - компрессорных агрегатов (ДКА), представляющих собой совокупность однотипных по конструкции компрессорных и детандерных ступеней монтируемых на серийно выпускаемых многорядных базах. Такое конструктивное решение позволяет сократить сроки технологической подготовки новых машин к производству, снизить их удельные массо - габаритные показатели, уменьшить номенклатуру комплектующих узлов, повысить безопасность эксплуатации при сохранении показателей эффективности и надежности на современном уровне.
Учитывая тенденцию по снижению габаритных размеров и удельной металлоемкости вновь создаваемых машин, в качестве основного объекта исследования автором были выбраны высокооборотные малорасходные поршневые ДКА низкого давления. Такой подход позволил минимизировать затраты на разработку и изготовление комплектующих объекта исследований и проведение натурного эксперимента.
Известно, что эффективность машин объемного действия снижается по мере уменьшения их мощности (холодопроизводительности). Исходя из этого, в работе особое внимание уделяется развитию методик расчета, обеспечивающих раскрытие физической сущности протекающих в рабочих камерах ДКА газодинамических, тепловых и механических процессов и позволяющих получать на стадии проектирования более обоснованные рекомендации по оптимизации конструкции детандер-компрессорного агрегата и входящих в его состав сборочных единиц, узлов и элементов.
К основным методическим разработкам, изложенным в работе, относятся: 1. Апробирование прогрессивной (по мнению автора) методики расчета рабочих процессов в детандерных ступенях ДКА [32], учитывающей струйно-вихревой характер движения газа в цилиндре, впускной и выпускной полостях. Научная новизна и практическая значимость данной методики состоит в том, что на стадии проектирования появляется возможность получения и анализа дополнительной информации о полях локальных скоростей газа, давлений и температур в рабочем объеме цилиндра и примыкающих полостях. 2.Развитие методики расчета ленточных (полосовых) клапанов компрессорных ступеней ДКА. Новизна разработки состоит в корректировке взаимосвязи формы профиля жесткого ограничителя подъёма пластин клапана с величинами перемещения крайних и центральной точек клапанных пластин в динамике. Методика апробирована при расчете ленточных клапанов как при наличии, так и при отсутствии в конструкции клапана упругого ограничителя. 3.Совершенствование и апробирование методики расчета рабочих процессов в уплотнительных узлах поршней. Новизна разработки заключается в учете износа уплотнительных колец в процессе эксплуатации и связанных с этим изменений в работе компрессорных и детандерных ступеней.
Вторым направлением работы является создание опытного образца автономного малорасходного высокооборотного детандер компрессорного агрегата на Ш - образной базе (ДКА20-10/1С) без смазки цилиндров и механизма движения унифицированного с компрессором специального назначения СКАВ 6, выпускаемым объединением ОАО «Компрессор».
Рабочему проектированию и изготовлению ДКА предшествовал расчетно-теоретический анализ ряда возможных вариантов исполнения компрессорных и детандернои ступеней агрегата, выполненный с использованием указанных выше методик расчета. Основное внимание при проведении численного эксперимента было уделено оптимизации конструкции ступеней агрегата, в основу которой закладывались требования обеспечения заданных техническими условиями на проектировании параметров агрегата и максимальной эффективности и надежности его работы.
В ходе численного эксперимента: 1.Рассмотрена целесообразность применения в составе детандернои ступени одно - и двухклапанной систем газораспределения, укомплектованных самодействующими клапанами, и обоснована наиболее приемлемая из них при создании детандеров с начальным давлением газа рн 1.0МПа; 2.На модели изучено влияние геометрических размеров компрессорных и детандерных ступеней агрегата на эффективность его работы; 3.У становлена качественная и количественная взаимосвязь газодинамических и тепловых процессов в цилиндре детандерной ступени;
4.Выявлены особенности динамики газовых потоков в уплотнениях тронковых поршней различного конструктивного исполнения;
5.Найдены оптимальные геометрические параметры самодействующих клапанов компрессорных и детандерной ступеней, соответствующие номинальному режиму работы детандер компрессорного агрегата.
Результаты предварительного расчетного анализа использованы при рабочем проектировании ступеней опытного образца ДКА.
Третьим направлением работы является создание экспериментального стенда и проведение предварительных натурных испытаний детандерной ступени агрегата . На этом этапе решались следующие задачи: 1.Регистрация текущих и интегральных параметров, соответствующих работе опытного образца агрегата на номинальном и нерасчетных режимах; 2.Сравнение результатов предварительного расчета с данными эксперимента; 3.Анализ теплового состояния основных теплообменных поверхностей детандерной ступени агрегата на основе экспериментальных данных; 4.Корректировка конструкции детандерной ступени с учетом полученных экспериментальных данных. 5.Обоснование адекватности разработанных математических моделей.
На завершающей стадии работы на конкретных примерах показаны возможности и целесообразность применения созданных методик расчета в расчетной практике организаций, связанных с разработкой (модернизацией), изготовлением и эксплуатацией компрессорных и расширительных машин.
Указанный комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ выполнялся в соответствии со следующими программными документами: 1. Основные направления работ по программе Международной академии холода (МАХ).
2. Рекомендации международных и всероссийских конференций и семинаров по компрессорной, холодильной и криогенной технике.
3. Программа ОАО «Газпром» - «Создание прогрессивных технологий и технических средств в области использования СПГ в качестве моторного топлива и энергоносителя на 1997 - 2005 гг.».
4. Программа «Холод без фреонов», предложенная Конгрессом МИХ.
5. Проект программы «Промышленный холод».
До комплексных исследований, выполненных автором или при его непосредственном участии, имелись лишь отдельные разработки, связанные с созданием поршневых детандер - компрессорных агрегатов [12,19,88,92,93, 95], имеющих общий механизм движения для привода поршней компрессорных и детандерных ступеней. Их можно разделить на две основные группы: І.Детандерная ступень агрегата питается от внешнего источника сжатого газа, а компрессорная ступень в составе ДКА выполняет функцию «тормоза» [88]. 2.Источником сжатого воздуха на входе в детандерную ступень агрегата является компрессорный модуль, состоящий из одной или нескольких компрессорных ступеней. В этом случае имеем дело с автономным детандер -компрессорным агрегатом, рабочие параметры которого всецело определяются расходом и давлением газа на выходе из компрессорного модуля ДКА [11].
В настоящей работе основное внимание уделено детандер-компрессорным агрегатам второй группы. Автором выполнено разноплановое (численный анализ и натурный эксперимент) исследование автономного многорядного детандер-компрессорного агрегата с «сухим» картером. В результате получены сведения о тепловом состоянии элементов ряда детандерной ступени с поршнем дифференциального типа, о направлении тепловых потоков и их интенсивности, о целесообразности организации внутренней теплоизоляции выхлопной полости, введения водяного охлаждения направляющей дифференциального поршня (крейцкопфа ряда детандерной ступени) и установки теплоизоляторов между направляющей крейцкопфа и базой агрегата.
В процессе работы над диссертацией опубликовано 9 печатных трудов.
Отдельные методические разработки внедрены в расчетную практику ряда проектных организаций и промышленных предприятий, а также используются в учебном процессе СПбГУНиПТ при изучении ряда специальных курсов («Машины низкотемпературной техники», «Расширительные машины» и др.), при дипломном и курсовом проектировании и в научно-исследовательской работе студентов кафедры «Криогенная техника».
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам ОАО «Компрессор» за участие в технической экспертизе сборочных и рабочих чертежей ДКА, в изготовлении и монтаже элементов экспериментального стенда и проведении предварительных испытаний опытного образца, а также профессорско-преподавательскому составу кафедры «Криогенная техника» за практические советы и конструктивную критику на различных этапах работы над диссертацией.
Области применения детандеров и детандер-компрессорных агрегатов
Выполненный анализ показал, что на существующих нормализованных базах современных компрессоров, сжимающих различные газы до давления нагнетания рнг 40 МПа , могут быть созданы унифицированные детандер -компрессорные агрегаты следующего функционального назначения (рис. 1.1): 1 .Автономные, экологически чистые источники холодного воздуха с начальным давлением на входе в детандерную ступень рн= 0.6... 3.0 МПа и с конечным давлением на выходе детандернои ступени агрегата рк равным атмосферному при конечной температуре газа в диапазоне 233 ... 143 К. Область давлений характерная для криогенных установок Детандер - компрессорные агрегаты для воздухоразделительных установок среднего и высокого давления [69], работающие при давлении на входе в детандерную ступень рн =2.0.. .20 МПа и конечном давлении рк =0.3.. .О.бМПа.
Примером подобного применения ДКА может служить предложенная к.т.н., доцентом Горбенко А.Л. (СПбГУНиПТ) схема воздухоразделительнои установки среднего давления, предусматривающая отбор газообразного азота из нижней колонны. В состав ВРУ входит многоцелевой детандер-компрессорный агрегат (см. рис. 1.2), состоящий из блока компрессорных ступеней, сжимающих воздух, и двух детандерных ступеней (воздушной и азотной) с приводом от единого механизма движения.
Согласно предложенной схеме весь перерабатываемый воздух подвергается предварительному разделению в нижней колонне. При этом часть газообразного азота отбирается из нижней колонны и после подогрева и последующего расширения в азотной ступени 7 ДКА присоединяется к потоку отходящего из верхней колонны азота. По мнению автора в этом случае повышается эффективность процесса разделения воздуха в установках, предназначенных для получения технологического кислорода в аппарате двукратной ректификации за счет уменьшения количества флегмы, подаваемой из нижней колонны в верхнюю. Преимуществом предложенного варианта (по сравнению со схемой с вводом газообразного воздуха в верхнюю колонну) автор считает более простое исполнение ректификационной колонны.
В компрессорном блоке ДКА (см. рис. 1.2) воздух сжимается до давления 1.2...3.0 МПа. После основного теплообменника большая часть потока воздуха расширяется в детандерной ступени 5 до давления примерно 0.6 МПа. Колонна предварительного разделения воздуха работает под давлением 0.55...0.6 МПа, а колонна низкого давления - при 0.13...0.14 МПа. В нижней колонне происходит предварительное разделение воздуха с получением азотной флегмы, содержащей 0.3...0.5% кислорода. Часть газообразного азота из конденсатора - испарителя отводится на азотную детандерную ступень ДКА; предварительно газ подогревается в азотном теплообменнике 8 до температуры примерно 130 К за счет теплообмена с потоком воздуха, идущего на разделение в нижнюю колонну. Давление перед азотной детандерной ступенью 0.6 МПа.
При расширении азота в детанденой ступени ДКА его давления снижается до 0.13 МПа, а температура - до 85 К. Далее этот поток присоединяется к потоку отходящего из верхней колонны азота.
Поршневые и турбодетандеры [12, 39, 106], утилизирующие энергию сжатого природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) магистральных трубопроводов и выполняющие функции газового двигателя - источника механической энергии. Целесообразность их применения в данном случае диктуется тем фактором, что широко распространенное на магистральных ГРС многократное дросселирование газа приводит к дополнительным затратам мощности, достигающим согласно [64] примерно 2.5 кВт на единицу массового расхода газа (кг/ч) по трубопроводу.
К числу первых подобных разработок условно можно отнести газомотокомпрессоры [ПО], вал которых конструктивно объединяет одну или несколько компрессорных ступеней и двигатель внутреннего сгорания.
Примером прямого использования энергии сжатого природного газа могут служить мощные детандер - генераторные агрегаты (ДГА) широко известных отечественных фирм АО "НИИТУРБОКОМПРЕССОР" и "КРИОКОР" [21,36], представляющие собой совокупность турбодетандера - двигателя и генератора электроэнергии. Созданные агрегаты работают в области положительных температур, рационально используя энергию сжатого природного газа. 4.Малорасходные газовые детандер - компрессорные агрегаты, входящие в состав много служебных установок [11, 12, 23, 93]. К ним можно отнести автомобильные газонаполнительные компрессорные станции (АГНКС), разрабатываемые, например, в АО «РУМО» (г. Н. Новгород) [105] и ООО «УРОМГАЗ» (г. Екатеринбург) [1]. Расход газа через детандерную ступень указанных ДКА лежит в диапазоне 450...700 нм3/ч при начальном давлении рн = 2.0...7.5 МПа.
Экспериментальный стенд. Методика эксперимента
При разработке экспериментального стенда учитывались требования по его использованию не только в научно-исследовательских работах различной направленности аспирантов кафедры КРИОГЕННАЯ ТЕХНИКА, но и в учебном процессе при выполнении плановых лабораторных работ, а также при решении отдельных задач исследовательского плана в ходе курсового и дипломного проектирования.
Принципиальная схема экспериментального стенда показана на рис.2.3. В соответствии с ней в боковых рядах опытного образца детандер-компрессорного агрегата 1 вместо компрессорных ступеней смонтированы детандерные ступени с тронковым поршнем (заимствованы от поршневого детандера ДП70 [58]), а в вертикальном ряду - экспериментальная детандерная ступень с дифференциальным поршнем из алюминиевого сплава.
В ходе эксперимента функции компрессорных ступеней исследуемого агрегата выполнял стационарный компрессор ЭК-16, обеспечивавший подачу сжатого воздуха на вход экспериментальной детандерной ступени в количестве до 2.5 м /мин с давлением рн 0.8 МПа. Боковые цилиндры объекта исследования работали на холостом ходу и являлись по существу дополнительными источниками теплоты (механическое трение в парах «цилиндр-поршень»), подводимой к детандерной ступени через картер.
Сжатый воздух после предварительной осушки в концевом холодильнике компрессора ЭК-16 направляется на вход 2 блока осушки ОСВ-3000 [80]. В состав блока входят: фильтр очистки от механических примесей EAM650-F10, водомаслоотделитель ЦФ5-03, электромагнитные клапаны, осушительные (регенераторные) баллоны, глушитель шума и регулируемое дроссельное устройство
Полный цикл работы блока осушки состоит из 4 стадий; циклограмма состояния электромагнитных клапанов на каждой из стадий работы блока осушки приведена в таблице 2.2. Степень осушки воздуха, потребляемого детандернои ступенью, можно изменять. Для этого, воздействуя на дроссельное устройство 9, увеличивают или уменьшают количество воздуха, используемое при регенерации.
Управление блоком осушки (ручное и автоматическое) осуществляется управляющим модулем, расположенным на лицевой панели.
Щит управления детандера представлен на рис.2.4. С него производится дистанционное включение и отключение исследуемого агрегата и защита его электродвигателя от перегрева. На щите управления индицируется наличие электропитания: работа агрегата - лампы зелёного цвета; нештатные ситуации - лампы красного цвета. Блок осушки укомплектован двумя измерительными комплексами 2ТРМ1 и УТК38, управление которыми вынесено на специальный щит.
Микропроцессорный измеритель-регулятор 2ТРМ1, работающий совместно с датчиками различного типа (термопреобразователи или унифицированные источники сигнала), выполняет функции контроля и управления технологическими процессами и позволяет осуществлять: - измерение давлений; - независимое регулирование двух измеряемых величин по двухпозиционному (релейному) закону; -регулирование одной измеряемой величины по трёхпозиционному закону (с двумя «уставками» и двумя устройствами управления на канале контроля); - контроль и регулирование разности двух измеряемых величин; - отображение текущего значения измеряемого параметра на встроенном светодиодном цифровом индикаторе; - формирование выходного тока 4-20 мА для регистрации или управления исполнительными механизмами по П - закону; - произвольное указание диапазона измерения. Восьмиканальный измеритель типа УКТ38 предназначен для приёма и преобразования сигналов, поступающих от работающих с ним датчиков, в значения контролируемых ими физических величин и отображения одного из этих значений на встроенном цифровом индикаторе. При выходе фиксируемого параметра за пределы заданного диапазона в любом из каналов контроля прибор формирует сигнал «АВАРИЯ».
При проведении экспериментального исследования теплового состояния элементов детандерной ступени применялись датчики типа ТСМ 50М Wioo-Диапазон измерения температур с помощью этих датчиков -100...+200 С с разрешающей способностью 0,1 С.
В зависимости от цели и сложности поставленных при эксперименте задач возможны три основных режима функционирования прибора: работа, просмотр и программирование. В нашем случае основной задачей было измерение температур газа в характерных точках газового тракта и температур стенок элементов экспериментальной детандерной ступени.
При экспериментальном исследовании работы детандер-компрессорного агрегата важнейшим источником информации о протекающих рабочих процессах является индикаторная диаграмма, представляющая собой графическое изображение текущего давления в рассматриваемой полости в функции от угла поворота вала.
Существуют разнообразные методики регистрации текущих давлений газа, которые имеют свои преимущества и недостатки. При разработке экспериментального стенда автор ориентировался на методику записи индикаторных диаграмм с помощью индикатора МАИ 2, которая Наряду с простотой обеспечивает достаточную точность получаемой информации.
На стенде индикатор МАИ-2 установлен соосно с муфтой ДКА. При этом вал детандер-компрессорного агрегата и барабан записывающего устройства индикатора вращаются с одинаковой круговой частотой. На внешней цилиндрической поверхности муфты выполнены три «ручья» различного диаметра, посредством которых вал агрегата через клиноременную передачу связан с приводом - электродвигателем. При частоте вращения ротора электродвигателя п = 1000 об/мин = const вал агрегата может вращаться с дискретно задаваемой частотой n = 500, 1000 и 1500 об/мин, что расширяет возможности исследователя при проведении натурного эксперимента.
Математическая модель второго уровня
В настоящем разделе рассматриваются две математические модели (ММ), отличающиеся степенью сложности. Основной является уточненная автором ММ 2-го уровня [111], которая (по сравнению с ранее созданными моделями) позволяет более корректно вести численный анализ работы ступени с клапанами специфической конструкции и оценивать работу уплотнительных узлов по мере износа их элементов при эксплуатации. Вторая математическая модель[32] относится к более сложным ММ 3-го уровня. Она использована автором в сочетании с моделью 2-го уровня при изучении особенностей физических процессов в рабочей камере прямоточной детандерной ступени.
Степень сложности разрабатываемой математической модели и создаваемой на её основе программы расчета зависит от назначения ММ и принимаемых допущений, перечень и сущность которых определяются стоящей перед исследователем задачей. Анализ существующих моделей позволяет установить, что обычно принимают следующие допущения:
1. Рабочий газ - идеальный. Данное допущение упрощает расчет ступени при незначительных качественных и количественных погрешностях расчета.
2. Отсутствуют колебательные процессы в полостях, граничащих с рабочей камерой. Корректность данного допущения обеспечивается при развитых объемах полостей, присоединенных к рабочей камере.
3. Процессы массообмена подчиняются законам обратимого адиабатного истечения через неплотности элементов ступеней. Расчетная практика ряда авторов показывает достаточную корректность данного допущения.
4. Вращение вала агрегата принимается равномерным, что обеспечивается инерцией маховика с заданными параметрами. Специфические допущения будут оговариваться ниже.
Спецификой данной модели является допущение о неподвижности газа и соответствующий этому вывод о его механическом и термическом равновесии в пределах рассматриваемой рабочей камеры. При такой постановке математическая модель рабочих процессов детандерной (компрессорной) ступени описывается замкнутой системой уравнений с одной независимой переменной, в качестве которой принимают изменение угла поворота вала dtp или соответствующее ему время dr.
Модель базируется на фундаментальных законах термо- и газодинамики. Центральным среди них является уравнение сохранения энергии тела переменной массы, которое с учетом принятых допущений, обоснованных в работах [4, 86], может.быть записано в виде: где і - рассматриваемая в пределах ступени полость; j - номер полостей, граничащих с /-й. Согласно уравнению 3.1 изменение внутренней энергии газа в і-й полости d{utm ) равно алгебраической сумме внешнего теплообмена dQt со стенками рассматриваемой полости, работы совершаемой газом (над газом) и энергии dE вносимой в / -ю полость с массой газа поступающей из j -й полости или уносимой в j -ю полость с массой газа утекающей из / -й. С учетом принятых допущений при dE = h-dm и h = cp, уравнение 3.1 запишем в виде Ср-Т dm = су Т-dm + су -m-dT + p-dV — dQ и после несложных преобразований получим аг кґ-т -ік-іут - -, з.2 где V,T,m — текущие значения объема, температуры и массы газа в рассматриваемой / -й полости; dm = Am — масса газа, притекающая в / -ю рабочую полость из j -х полостей с большим давлением и температурой Т Ф Tv или утекающая из і-й полости с температурой Т = Tv в J-ю; dV = AV— изменение объема /-й полости при повороте вала на угол А р, величина которого при расчетах задается в пределах 0.2 ... 0.5 градуса.
Динамика потоков газа в уплотнении поршней тронкового типа
В ступенях поршневых компрессорах наиболее распространенным является уплотнение подвижного поршня с помощью уплотнительных разрезных колец, которые устанавливаются в поршневых канавках с заданным зазором, обеспечивающим свободное перемещение колец вокруг оси и в направлении радиуса цилиндра. Под действием газовых сил, направленных по радиусу, кольца прижимаются к зеркалу цилиндра, препятствуя протечкам газа через радиальные зазоры в паре «поршневое кольцо-зеркало цилиндра» 5Г. Газовые силы, направленные вдоль оси цилиндра, прижимают кольца к той или другой торцовой поверхности канавок в зависимости от направления результирующей газовой силы, препятствуя протечкам газа через торцовые зазоры в паре «поршневое кольцо-поверхность канавки» 5Т. Следовательно, за один рабочий цикл возможна не только смена положения поршневого кольца в канавке, но и направления потоков газа в пределах уплотнительного узла [90].
Применительно к тронковому поршню 1 ступени сжатия ДКА20-10/1С (п = 1500 об/мин, ZK = 2) возможные положения колец в поршневых канавках в течение одного рабочего цикла показаны на рис.4.8 . Приведенная на этом рисунке физическая картина динамики перемещения колец в поршневых канавках и изменений направления потоков газа в уплотнении поршня в течение одного рабочего цикла были получены путем численного анализа процессов в уплотнении поршня при использовании уточненной программы расчета ступени компрессора (см. раздел 3). Максимальный перепад давления на уплотнительном узле в целом определяется разностью давлений нагнетания и всасывания в ступени Ртах — Рнг— Ркартера 4.1J
В зависимости от величины радиальных зазоров в парах «поршневое кольцо-зеркало цилиндра» 8Т, «поршень-цилиндр» 5П.Ц и зазора в замке кольца Дз часть текущего перепада давления Арф = рц. р- ркартера срабатывается на 1-м уплотнительном кольце. Текущая величина Дріф определяется разностью давлений в цилиндре и межкольцевом объеме и равна ДріФ=Рц.ф-Рпр.ф5 4.14 где Рпр.ф - текущее давление в межкольцевом пространстве между первым и вторым кольцами, объем которого Vnp определяется зазором 6П.Ц и размером перемычки между поршневыми канавками Нк (см. рис.4.8).
Тогда текущий перепад давлений на втором кольце будет равен Р2ф " Рпр.ф — Ркартера 4.10 Анализируя приведенные на рис.4.9 текущие перепады давлений на кольцах уплотнения поршня тронкового типа, можно установить следующее: 1.В начале процесса расширения давление газа в рабочем цилиндре Рц Рпр Ркартера , ЧТО СООТВЄТСТВуЄТ ПОЛОЖЄНИЮ КОЛЄЦ В уПЛОТНЄНИИ, показанному на рис.4.8,А. Следовательно, на участке о-а (рис.4.9) газ вытекает из цилиндра в межкольцевой объем и далее в картер. При этом уплотнительные кольца под действием газовых сил прижаты к правой торцевой поверхности поршневой канавки.
2.До момента окончания процесса расширения при угле поворота вала Ф «30 давление в цилиндре сравнивается с давлением в межкольцевом объеме и при ф 30 на участке а-б (рис.4.9) газ из межкольцевого пространства вытекает в двух направлениях: Вследствие изменения направления результирующей газовой силы, действующей на торцы первого кольца, оно перемещается от правой торцевой поверхности поршневой канавки к левой, т.е. происходит "перекладка" первого уплотнительного кольца (см. рис.4.8, Б).
З.В точке б открывается всасывающий клапан и давление в цилиндре вследствие дросселирования потока газа в клапанах снижается до минимума, что способствует повышению интенсивности обратного потока газа из межкольцевого объёма в цилиндр. Истечение газа из межкольцевого объема в картер заканчивается при угле поворота вала ф »120 (точка В, рис.4.9), когда давление рпр сравнивается с давлением в картере ркартер « Ра- Таким образом, на участке а — б - в сжатый газ из межкольцевого объема вытекает в цилиндр и в картер с интенсивностью потоков пропорциональной текущим раЗНОСТЯМ Давлений Рпр - Рц И р - Ркартер.
4.В точке в (рис.4.9) при смене знака перепада давления происходит «перекладка» второго кольца. При этом на участке в - г оба кольца прижимаются к левым торцевым поверхностям поршневых канавок (рис.4.8,В), а газ (или масловоздушная смесь в машинах со смазкой) из картера перетекает в цилиндр. Приток массы газа в цилиндр из межкольцевого объема заканчивается при условии рц рпр « ркартер» что соответствует положению поршня вблизи НМТ (точка г, рис.4.9).
5.В начале обратного хода поршня (участок г-д, рис.4.9) давление в цилиндре нарастает и становится выше давления в межкольцевом объеме (рц рпр), что способствует обратной перекладке первого уплотнительного кольца. К моменту закрытия всасывающего клапана восстанавливается начальное соотношение давлений: рц Рпр Ркартер (точка д, рис.4.9); происходит обратная перекладка второго кольца и на участке д-о оба кольца прижаты к правым торцевым поверхностям поршневых канавок, а газ из цилиндра натекает в межкольцевой объем уплотнительного узла.
