Введение к работе
Актуальность проблемы.
Работа пневмо- и гидросистем зачастую сопровождается интенсивными гидродинамическими и виброакустическими процессами, проявляющимися в виде повышенных пульсаций рабочих сред, вибраций механических элементов и излучаемым шумом. Одним из основных источников колебаний и шума в данных системах являются насосные и компрессорные агрегаты. Наиболее остро проблема виброакустической нагруженности пневмо- гидросистем возникает при применении насосов и компрессоров объёмного типа, принцип работы которых предполагает порционность, неравномерность подачи рабочей среды. Это приводит к повышенному виброакустическому воздействию на персонал, снижается надёжность и ресурс агрегатов и арматуры, дестабилизируется работа устройств автоматики, повышается статическая погрешность систем, снижается их динамическое качество, ухудшаются условия контроля состояния гид-ро- и пневмосистем из-за затруднения измерения параметров рабочих процессов, интенсифицируются кавитационные процессы, приводящие к эрозионному разрушению насосов и агрегатов. Так, ресурс топливного насоса двигателей НК-25 и НК-32 вследствие повышенной нагруженности составляет всего 20-300 ч. при требуемых 800 ч. Стенд поверки расходомеров ООО «Метрология и автоматизация», содержащий две воздуходувки Рутса, излучает шум до 120 ДбА при требуемых 80 ДбА. На уфимском НПЗ «Новоойл» виброактивность винтовых компрессоров вызывает интенсивные колебания напорных трубопроводов и дестабилизацию работы систем измерения и контроля технологических процессов каталитического производства.
В связи с вышесказанным весьма актуальным представляется разработка методик расчёта пульсаций давления и расхода в насосах и компрессорах объёмного типа, обеспечивающих прогнозирование и разработку мероприятий по снижению их динамической нагруженности.
Цель исследования. Создание методик расчёта пульсаций давления и расхода в насосах и компрессорах объёмного типа с учётом их конструктивных особенностей и разработка на этой базе мероприятий, обеспечивающих снижение динамической нагруженности агрегатов.
Задачи исследования.
Разработка модели гидродинамических процессов в шестеренном насосе, учитывающей динамические процессы в запертом объёме, двухфазность и пульсации давления рабочей среды.
Разработка профиля разгрузочных канавок в торцевых подпятниках шестеренного насоса для снижения заброса давления рабочей среды в запертом объёме.
Экспериментальное определение эффективности конструктивных мероприятий по улучшению динамических характеристик шестеренного насоса.
Разработка математической модели и методики расчёта газодинамических процессов в винтовом компрессоре с целью формирования геометрии окна нагнетания устройства, обеспечивающего минимальные пульсации расхода рабочей среды.
Разработка математической модели и методики расчёта газодинамических процессов в воздуходувке Рутса и глушителя её выхлопа.
Объектом исследования являются динамические процессы во всасывающих и нагнетающих магистралях насосов и компрессоров объёмного типа.
Предметом исследования является управление пульсациями давления и расхода рабочей среды в насосах и компрессорах объёмного типа за счёт изменения конструктивных особенностей агрегатов с целью снижения их динамической нагруженности.
Методы исследований. Работа выполнена с использованием численных методов и экспериментальных исследований, результаты которых обрабатывались на многоканальной измерительной системе LMS Mobile. Расчёт динамических процессов в исследуемых агрегатах, а также эффективности мероприятий по улучшению виброакустических характеристик проводился с помощью численных моделей.
Научную новизну работы определяют разработанные автором математические модели гидро газовых процессов в насосах и компрессорах объёмного типа, позволяющие рассчитывать пульсации давления и расхода, а также методика проектирования профиля разгрузочных канавок в торцевых подпятниках шестеренного насоса.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель шестеренного насоса, позволяющая рассчиты
вать гидродинамические процессы в агрегате, учитывающая наряду с конструк
тивными и режимными параметрами машины динамические процессы в запер
том объёме, отличающаяся от существующих моделей учётом двухфазности
рабочей среды, пульсаций давления во всасывающей и нагнетающей магистра
лях и учётом двухступенчатого дросселирования потока при соединении запер
того объёма с полостями нагнетания и всасывания.
Методика проектирования профиля разгрузочных канавок в торцевых подпятниках шестеренного насоса с целью обеспечения минимальных динамических нагрузок на узлы агрегата.
Математическая модель и методика расчёта винтового компрессора, учитывающая его конструктивные и режимные параметры, свойства рабочей среды и позволяющая выбирать геометрию нагнетательных окон компрессора, обеспечивающую его минимальную пульсационную производительность.
Математическая модель и методика расчёта воздуходувки Рутса, учитывающая её конструктивные и режимные параметры, а также свойства рабочего газа, позволяющая рассчитывать мгновенную производительность устройства.
Практическая ценность.
Разработанная численная модель шестеренного насоса позволяет на этапе проектирования определить амплитуду пульсаций давления и расхода на входе и выходе насоса, а также пульсации давления в запертом объёме, наличие кавитации с учётом профиля разгрузочных канавок. Модель шестеренного насоса позволила создать методику проектирования профиля разгрузочных канавок, снижающих динамическую нагруженность агрегата.
Разработаны общие принципы расчёта мгновенного расхода насоса и компрессора объёмного типа, позволяющие сформировать общий алгоритм расчета насоса и компрессора объёмного типа.
Разработана численная модель мгновенной подачи газомасляной смеси винтового компрессора, что позволяет на этапе проектных работ или расчётов прогнозировать амплитуду пульсаций расхода на выходе из компрессора, что используется при разработке профиля окна нагнетания, обеспечивающего снижение динамических нагрузок за счет уменьшения неравномерности подачи газа.
Практическая ценность работы подтверждена актами внедрения ЗАО "НИИтурбокомпрессор" (г.Казань), ОАО "Метрология и автоматизация" (Самара), Вроцлавского технического университета (г. Вроцлав, Польша), Института акустики машин (Самара).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 3 международных, 2 всероссийских конференциях и на 1 международном семинаре.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ: 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 8 тезисов докладов. Получен патент на полезную модель.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, приложения, заключения, списка литературы из 101 наименования. Общий объём диссертации 120 страниц, 97 рисунков и 5 таблиц.
