Содержание к диссертации
Введение
1. Классификация конструкций газожидкостных агрегатов и анализ методов расчета протекающих в них рабочих процессов19
1.1. Классификация конструкции. 19
1.2. Процессы и функции объекта исследования 24
1.2.1. Схемы и рабочие процессы газожидкостных агрегатов с совмещнными газовой и жидкостной полостями .29
1.2.2. Схемы и рабочие процессы газожидкостных агрегатов с разделнными газовой и жидкостной полостями 34
1.3. Возможное применение газожидкостных агрегатов 45
1.3.1. Автотранспортная и автотракторная техника 45
1.3.2. Постановка задач исследования .47
1.3.3. Производство ремонта и обслуживания технических объектов .49
1.4. Обоснование конструкции объекта и постановка задач исследований50
1.4.1. Обоснование и выбор конструкции объекта исследования 50
2. Математическая модель рабочих процессов газожид костного агрегата 58
2.1. Анализ известных методик расчет рабочих процессов газовой полос-ти .58
2.2. Анализ известных методик расчет рабочих процессов жидкостной полости 61
2.3. Анализ известных методик расчет расходных характеристик самодействующих газовых и жидкостных клапанов 65
2.3.1. Метод расчета самодействующих обратных клапанов жидкостной полости .65
2.3.2. Метод расчета самодействующих обратных клапанов газовой полости .67
2.4. Математическая модель рабочих процессов поршневого газожидкостного агрегата 70
2.4.1. Основные допущения, принимаемые при построении математической модели, и их обоснование70
2.4.1.1. Основные допущения, принимаемые при построении методики расчета процессов, происходящих в газовой полости .71
2.4.1.2. Основные допущения, принимаемые при построении методики расчета процессов, происходящих в жидкостной полости .76
2.4.2. Расчет рабочих процессов, происходящих в газовой полости 78
2.4.2.1. Уравнения сохранения энергии и массы .79
2.4.2.2. Уравнение состояния газа 82
2.4.3. Расчет рабочих процессов, происходящих в жидкостной полости .82
2.4.3.1. Расчет процессов сжатия и расширения, происходящих в жидкостной полости 83
2.4.3.2. Расчет процессов всасывания и нагнетания, происходящих в жидкостной полости 85
2.4.3.3. Расчет процессов, происходящих в гладком сплошном поршневом уп-лотнении .89
2.4.3.4. Расчет процессов, происходящих в поршневом уплотнении с буферной канавкой 92
2.5. Математическая модель рабочих процессов газожидкостного агрегата и особенности ее реализации 99
3. Экспериментальные исследования рабочих процессов газожидкостного агрегата.104
3.1. Цели и задачи экспериментальных исследований 104
3.2. Описание конструкции поршневого газожидкостного агрегата и экспериментального стенда106
3.2.1. Описание конструкции газожидкостного агрегата 107
3.3. Методика измерения основных мгновенных и интегральных характеристик газожидкостного агрегата 116
3.3.1. Измерение расходных характеристик .116
3.3.2. Измерение теплонапряженности стенок цилиндра и клапанной плиты 117
3.3.3. Давление в линиях всасывания и нагнетания жидкости и газа 120
3.3.4. Переменное давление в газовой и жидкостной полостях 121
3.3.5. Частота вращения коленчатого вала и положение одной из «мертвых то-чек» .124
3.3.6. Положение линии раздела жидкости и газа в зазоре между поршнем и цилиндром .127
3.3.7. Измерение геометрических размеров деталей и сопряжений газожидкостного агрегата .130
3.4. Подтверждение адекватности математической модели рабочих процессов 133
3.5. Исследование влияния буферной канавки на пусковые характеристики аг-регата .138
3.6. Определение теплонапряжнности цилиндра газожидкостного агрега-та 141
4. Параметрический анализ рабочих процессов поршневого газожидкосного агрегата и вопросы реального проектирования 145
4.1. Анализ влияния частоты возвратно-поступательного движения поршня на характеристики газожидкостного агрегата .146
4.2. Анализ влияния отношения давления нагнетания к давлению всасывания в газовой и жидкостной полостях на характеристики газожидкостного агрега-та151
4.3. Анализ влияния величины и формы радиального зазора в поршневом уплотнении на рабочие процессы газожидкостного агрегата .154
4.3.1. Гладкое щелевое уплотнение .154
4.3.2. Гладкое щелевое уплотнение с буферной канавкой 157
4.4. Вопросы реального проектирования поршневого газожидкостного агрега-та 159
4.4.1. Газожидкостный агрегат для ремонта и обслуживания автотранспортной техники .177 5.
Заключение и основные выводы .188
Список литературы 191
Приложения 202
- Обоснование конструкции объекта и постановка задач исследований
- Основные допущения, принимаемые при построении математической модели, и их обоснование
- Описание конструкции поршневого газожидкостного агрегата и экспериментального стенда
- Анализ влияния отношения давления нагнетания к давлению всасывания в газовой и жидкостной полостях на характеристики газожидкостного агрега-та
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из наиболее широких тенденций современного проектирования является расширение функциональных возможностей объектов самого разного назначения. Это связано с экономией ресурсов путем снижения общей материалоемкости изделий и придания им свойств, позволяющих экономить энергию. При этом, как правило, в созданных гибридах используются конструкции с единой или близкой технологической основой.
Применение гибридных машин преследует следующие основные цели:
-
Создание многофункциональных машин с целью повышения оперативности и снижения времени на выполнение производственных операций.
-
Уменьшение общей материалоемкости оборудования и приборов различного назначения с целью снижения их стоимости.
-
Сокращение пространства, требуемого для размещения оборудования, с целью снижения издержек на строительство и эксплуатацию производственных помещений.
-
Снижение затрат на производство за счет исключения из технологического процесса транспортных операций.
-
Экономия энергии (увеличение КПД) за счет использования взаимного влияния свойств отдельных агрегатов гибрида.
На протяжении последних двух столетий в промышленной и бытовой технике используются устройства и механизмы, действие которых основано на изменении рабочего объема. Это, прежде всего, агрегаты, предназначенные для поднятия давления в рабочей среде с последующим ее перемещением потребителю.
Так, например, широко востребовано одновременное использование жидкостей и газов под давлением при работе технологического оборудования, что удовлетворяется использованием отдельно гидростанций и компрессоров, что усложняет общую компоновку оборудования, ухудшает его массогабарит-ные характеристики и повышает стоимость. Таким образом, существует целесообразность создания агрегатов, совмещающих одновременно функции источника сжатого газа и жидкости под давлением.
Создание таких машин путем простого агрегатирования двух изолированных объектов не даст значительного положительного эффекта, который может быть получен за счет совмещения конструкций компрессора и насоса в едином гибриде, в котором жидкость, нагнетаемая насосом, используется для охлаждения и герметизации рабочих полостей компрессора, что должно оказать положительное влияние на протекающие в нем рабочие процессы.
Основная сложность создания газожидкостных агрегатов заключается в существенных различиях физико-механических свойств рабочих тел, причм различия могут достигать нескольких порядков (плотность, динамическая вязкость) и поэтому совмещение в одном компактном агрегате с единой рабочей полостью и насоса и компрессора представляет значительную сложность, в связи с чем такие машины в настоящее время промышленностью не выпускаются.
В частности, одним из путей решения задачи объединения насоса и компрессора является конструкция поршневой машины с газовой и жидкостной полостями, разделенными бесконтактным щелевым уплотнением. Исследованию щелевых и безмасляных уплотнений посвящено достаточно много работ (Э.А. Васильев, А.И. Голубев, В.А. Марцинковский, Г.В. Макаров, Г.А. Никитин, Г.Н. Ден, И.И. Новиков, В.П. Захаренко, И.А. Сакун, А.А. Шейпак, С.А. Шейнберг, Ю.В. Пешти, И.Х. Карагусов, А.В. Бородин, А.П. Болштян-ский, В.А. Лесуков, P. Ernst, B. Lamprater, R. Angst и др.). Однако все они посвящены расчету движения в щелях разного профиля одной среды (жидкости или газа), в то время как у исследуемого агрегата возможно одновременное нахождения двух сред (жидкой и газообразной), находящихся под разным давлением.
Таким образом, поиск и научное обоснование технических решений, позволяющих объединить в едином цилиндре машины объемного действия насос и компрессор, являются весьма актуальными.
Целью данного исследования является создание газожидкостного агрегата с гладким и профилированным поршневым уплотнением между газовой и жидкостной полостями, и математической модели для расчета его рабочих процессов.
Результаты данной диссертационной работы положены в обоснование выполнения исследований, проводимых при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) RFMEFIBBB14X023.
Для решения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
-
Разработать математическую модель рабочих процессов газожидкостного агрегата с рабочими полостями переменного объема, сопряженными через гладкую и профилированную концентричную щель, позволяющую производить расчеты внешних характеристик агрегата и анализировать влияние режимных и конструктивных факторов на его работу.
-
Провести параметрический анализ рабочих процессов с целью выявления влияния основных конструктивных и режимных соотношений на характеристики агрегата.
-
На основе проведенного анализа предложить схемные решения конструкций газожидкостных агрегатов, позволяющие улучшить протекание их рабочих процессов и расширить их область применения.
Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования и анализа, термодинамики, механики жидкости, параметрического анализа. При проведении эксперимента проводились: тензометрия быстро меняющегося давления, термометрия деталей конструкции, расходометрия.
Научная новизна. Получены результаты исследования предложенной конструктивной схемы газожидкостного агрегата с гладким и профилированным поршневым уплотнением, доказывающие его работоспособность и возможность создания гибридных конструкций, в которых за счет использования авто-4
номной системы жидкостного охлаждения цилиндропоршневой группы улучшены характеристики газовой (компрессорной) полсти и снижена общая материалоемкость системы снабжения потребителя газом и жидкостью под давлением.
В том числе:
1. Разработана и экспериментально подтверждена математическая модель газожидкостного агрегата, основанная на сопряжении процессов, происходящих в газовой и жидкостной полостях, с процессами, протекающими в гладком и профилированном поршневом уплотнении, позволяющая проводить расчеты параметров и характеристик агрегата.
-
Выявлено влияние основных режимных (частоты вращения коленчатого вала, отношений давления нагнетания и давления всасывания газовой и жидкостной полости) и конструктивных параметров на рабочие и интегральные характеристики газожидкостного агрегата.
-
Определены рациональные значения параметров газожидкостного агрегата, определяющие его эффективную работу, в том числе экспериментально доказано положительное влияние буферной канавки на пусковые режимы агрегата (Патент РФ № 118371).
Практическая ценность:
Состоит в том, что дано теоретическое и экспериментальное обоснование возможности создания машин нового типа - поршневых газожидкостных агрегатов с гладким и профилированным поршневым уплотнением.
В том числе:
1. На уровне изобретения (Патент РФ № 2518796) разработана конструк
ция поршневого газожидкостного агрегата, работающего одновременно как
с жидкостью, так и с газом, выполняющего одновременно и попеременно
функции насоса и компрессора и предназначенного для механизации работ в
условиях ремонтных подразделений, в том числе - станций технического об
служивания и ремонта автотранспортной техники. Параметры газожидкостного
агрегата согласованы с ОАО «ОМСКЛАДА».
2. Спроектирован и изготовлен экспериментальный образец поршневого
газожидкостного агрегата с воздушным и жидкостным охлаждением, снабжен
ный измерительной аппаратурой, позволяющий экспериментально исследовать
особенности его функционирования при различном конструктивном выполне
нии цилиндропоршневой группы на разных режимах работы. Стенд внедрн
в учебный процесс кафедры «Гидромеханика и транспортные машины» ОмГТУ
при изучении дисциплины «Машины объемного действия».
-
Предложены варианты конструкций газожидкостного агрегата, которые могут использоваться на стадии разработки технического задания, технического предложения, технического проекта и эскизного проектирования.
-
Определены основные режимные и конструктивные параметры, обеспечивающие работоспособность и экономическую эффективность агрегата.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель течения разделенных границей раздела жидкой и газообразной сред в гладкой и профилированной щели подвижного в осевом направлении поршневого уплотнения при переменном давлении обеих сред, адаптированная в общую математическую модель основных рабочих процессов, протекающих в полостях поршневого газожидкостного агрегата.
-
Результаты параметрического анализа влияния основных режимных и конструктивных параметров на рабочие процессы и интегральные характеристики газожидкостного агрегата.
-
Результаты экспериментальных исследований теплонапряженности и пусковых режимов агрегата.
4. Конструктивные и пневмогидравлические схемы газожидкостных агрегатов с гладким и профилированным поршневым бесконтактным уплотнением.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на регулярных научных семинарах кафедры ГМиТМ ОмГТУ (2006-2013 гг.), на межкафедральном семинаре ОмГТУ (2011 г.), на Всероссийской молодежной НТК «Россия молодая» (Омск, 2009 и 2010 гг.), на Международной НТК «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2009 г.), на Международной НТК «Вакуумная техника и технология» (2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ (4 статьи, 5 докладов на конференциях различного ранга, в том числе 4 статьи в изданиях перечня ВАК, получены один патент на изобретение и один патент на полезную модель).
Структура и объем диссертации. Работа состоит из оглавления, введения, четырех глав, заключения и общих выводов, приложений и списка литературы, содержащего 104 наименования использованных первоисточников. Общий объем работы - 207 страниц, содержит 85 рисунков. В приложении представлены фотографии элементов и узлов модельного газожидкостного агрегата и его внешний вид, тарировочные графики термисторов.
Обоснование конструкции объекта и постановка задач исследований
При существующей классификации научно-исследовательских работ данное исследование следует отнести к разряду поисковых, поскольку в нем речь идет не о совершенствовании уже существующего промышленного изделия, а об обосновании конструкции и описании ее рабочих процессов, как вновь создаваемого объекта техники.
Из всех вышеописанных вариантов что-то определенное можно сказать только об агрегате, изображенном на рис. 1.2.12, но и здесь следует оговориться в том плане, что на настоящий момент такие конструкции пока в промышлен ности не используются, и нет опыта их эксплуатации, подтверждающего на практике выводы и рекомендации, сделанные в работе [45]. Поэтому при опре делении перспектив использования такого технического решения можно уве ренно опираться только на результаты промышленного применения аналогов, использованных авторами [45-47] при построении газожидкостного агрегата. Это ротационные компрессоры с катящимся ротором, достаточно подробное описание рабочих процессов которых сделано в монографиях [21, 22]. В част ности, авторы этих книг на основании экспериментальных исследований и промышленного применения утверждают, что такие машины могут работать только в присутствии относительно большого количества смазочно охлаждающей жидкости в цилиндре, и, прежде всего – для уплотнения зазоров между ротором и цилиндром (радиальные, торцевые) и между боковыми поверхностями разделительной пластины и торцовыми крышками цилиндра. Расход жидкости для этой цели может составлять 100-300 граммов в час и более. При этом значительное количество жидкости выносится через нагнетательный клапан в линию нагнетания, и существует определенное ограничение этого количества, связанное с возможностью гидроудара.
Таким образом, если пытаться применять подобный агрегат в открытой системе, например, для привода пневмоинструмента, отработанный газ в котором выбрасывается в атмосферу, то окажется, что придется использовать в линии нагнетания эффективные отделители жидкости, которую впоследствии нужно сепарировать от водяного конденсата и направлять назад в масляный бак, из которого она попадает снова в агрегат. Такая система, безусловно, очень сложна, и предполагает применение сложных сепараторов (вплоть до использующих мембранные технологии).
Кроме того, применение в одном цилиндре сразу двух разнесенных по окружности разделительных пластин приведет к тому, что наружная обойма ротора сможет качаться только по одной из них, а по другой она вынуждена будет проскальзывать, изнашивая сопряжение «рабочий торец пластины – наружная обойма ротора», что приведет к увеличению утечек и перетечек жидкости.
Есть еще один отрицательный аспект, который всегда будет препятствовать широкому применению такой конструкции – это необходимость приложения значительных усилий, прижимающих пластины к обойме ротора.
Сила, с которой пружина действует на пластину в направлении ротора, определяется из условия обеспечения минимально необходимого усилия прижатия и динамики самой пластины, во многом определяемой законом ее перемещения и массой, а также перепадом давления на торцах пластины и силами трения, возникающими из-за перепада давления на ее плоскостях (рис. 1.4.1).
Давление над пластиной P3 организуют различным образом [21, 22, 49]. В одном случае в теле пластины изготавливают отверстие, которое в определенный момент соединяет полость сжатия с пространством над пластиной, и в этом случае в этом пространстве образуется некоторое среднее давление, близкое к давлению нагнетания. Однако чаще всего эту полость соединяют непосредственно с линией нагнетания. Рис. 1.4.1. Обобщенная схема основных сил и давлений, действующих в зоне полости разделительной пластины в i - тый момент времени:
Точка (проекция линии) такта ротора и пластины кон Р3 – давление в пазу над пластиной; р1 – распределение давления в щелевом зазоре между пластиной и пазом со стороны жидкости; р2 – то же со стороны газа; Р1 – давление жидкости; Р2 – давление газа; FI - сила инерции пластины; FР – сила, действующая со стороны пружины; FT – сила трения
Таким образом, давление на верхний торец пластины всегда зависит от давления нагнетания (чем оно больше, тем сильнее прижимается пластина к поверхности ротора). Такое конструктивное выполнение узла пластины позволяет автоматически поддерживать минимально необходимое усилие ее прижатия к поверхности ротора для предотвращения значительных утечек и перетечек. Если усилие будет слишком маленьким, то пластина во время ухода ротора вниз может не «догонять» его, что приведет к большим перетечкам в начале процесса сжатия между серповидными полостями компрессора. Если усилие будет слишком большим, то в узлах сочленения ротора с ведущим валом и этого вала со своими подшипниками появятся слишком большие контактные давления, приводящие к повышению температуры в зоне трения, быстрому износу и потере точности сопряжения ротора с цилиндром. Последнее, в свою очередь, способствует снижению экономичности агрегата.
Поскольку в газожидкостном агрегате общего назначения давления рабочих сред может быть разным, понадобится устройство, которое должно будет подключать полость над пластиной то к линии нагнетания жидкости, то к ли нии нагнетания газа, что усложнит конструкцию. Если же заложить в устройство априори большее усилие за счет пружины, произойдет быстрый износ поверхностей той пары ротора и пластины, которые вынужденно скользят одна относительно другой, и подшипников, центрирующих ротор.
Все эти сложности и недостатки привели к тому, что сами авторы конструкции смогли предложить ее применение лишь в периодически действующем агрегате – системе пуска холодного двигателя внутреннего сгорания [4].
Использование разделительной пластины в качестве органа для работы с жидкостью (рис. 1.2.11) помимо сложности, обусловленной значительным количеством жидкости, попадающей в сжатый газ, имеет такие же недостатки относительно прогноза ресурса работы из-за очевидно больших усилий, действующих на разделительную пластину, необходимых для успешной работы агрегата в промышленном диапазоне давлений жидкости.
Учитывая выше перечисленные проблемы с работой в качестве газожидкостного агрегата роторной пластинчатой машины, ее также нецелесообразно принимать в качестве базовой модели для исследования.
Выше, в разделе 1.2.2 (рис. 1.2.8, 1.2.9) были приведены рассуждения, результатом которых можно считать отказ на данном этапе решения проектной задачи от использования демпферной полости под поршнем.
Таким образом, по существу – методом исключения, при выборе объекта исследования, следует отдать предпочтение поршневой конструкции, схема которой изображена на рис. 1.2.2а.
Основные допущения, принимаемые при построении математической модели, и их обоснование
Рассматривая роль допущений при построении математических моделей, авторы [7], основываясь на работах П.И. Пластинина, утверждают, что детализировать происходящие явления можно до бесконечности (в переносном смысле этого слова), увеличивая число рассматриваемых факторов, не имеющее предела в физическом мире.
Обратный процесс «огрубления», напротив, имеет достаточно четко выраженный предел, границей которого является, например, предположение о том, что все элементы объекта абсолютно неподвижны (по крайней мере, относительно поверхности земной коры), находятся в термомеханическом равновесии и полностью изолированы от окружающей среды.
Очевидно, что при определении значимых (учитываемых моделью) факторов намного удобнее «наращивать» их номенклатуру и количество от этого «нулевого» предела. При этом следует иметь в виду, что степень приближения модели к реальному физическому объекту далеко не пропорциональна количеству учитываемых методами расчета явлений.
Вполне вероятна как раз обратная картина - привлечение второстепенных, малозначащих факторов может настолько «размыть» результаты расчетов, что исследователь окажется не в состоянии проделать анализ в соответствии с целью, которую он ставил перед математической моделью. В связи с этим разработчик методов расчета должен постоянно искать компромисс между излишней детализацией и излишним огрублением. Именно эта задача и решается в процессе принятия допущений.
Процессы, происходящие в рабочих полостях газожидкостного агрегата весьма сложны, являются неустановившимися и при настоящем уровне знаний полный учет всех составляющих этих процессов невозможен и нецелесообразен, в связи с чем подавляющее большинство исследователей машин объемного действия производят их упрощенное рассмотрение, основанное на обоснованных допущениях [7, 12, 58, 59, 63, 64, 69, 74 и др.]. Основным критерием принятия какого-либо допущения является его влияние на получаемый и преследуемый результат.
Так, например, если целью исследования является изучение параметров привода агрегата, то совершенно не имеет смысла подробно описывать процесс динамики контакта запорного органа с седлом, поскольку его влияние на усилия, передаваемые от рабочего органа (например – поршня) к механизму привода незначительны.
1. Газовая среда непрерывна и подчиняется законам, справедливым для идеального газа
В рассматриваемом агрегате изменение состояния рабочего тела производится путем плавного изменения объема камеры сжатия, а скорость перемещения поршня не может быть более 10 м/с, в связи с чем разрывов газовой среды в рабочей камере не образуется (см., например, [61]).
Как уже отмечалось, предполагаемое максимальное давление газовой среды в ступени агрегата не превысит 12-14 бар, что дает возможность использовать для расчетов уравнения, справедливые для определения параметров состояния идеальных газов [12, 61, 62].
2. Распределение давлений и температур в контрольных объемах однородно
В рабочих полостях газовой части агрегата осуществляется деформационное, тепловое и массообменное взаимодействие,. каждый из которых вызывает неравномерность распределения давлений и температур в контрольном объеме, которая подтверждена рядом экспериментальных работ.
Так, неравномерность поля температур в рабочей полости цилиндра воздушного поршневого компрессора производительностью 50 м3/мин достигает 20-25 С. Неравномерность поля давления в рабочей полости цилиндра невелика. Это объясняется большой скоростью распространения волн сжатия и расширения и незначительными размерами контрольного объема.
Вследствие того, что в настоящее время отсутствуют надежные и достаточно простые методы расчета полей температур и давлений в контрольных объемах компрессоров объемного действия, а также, учитывая их незначительный градиент, данное допущение следует считать приемлемым.
3. Давление газа в полостях всасывания и нагнетания компрессорной полости имеют постоянное значение Колебания давления в полостях всасывания и нагнетания всегда приводят к увеличению затрат энергии на работу компрессора, и это допущение может быть использовано только для относительно тихоходных машин [76, 77], в то время как, например, при частоте возвратно-поступательного движения поршня 50 с"1 ошибка в определении КПД достигает 7-8 % [78]. В случае с газожидкостным агрегатом трудно предположить, что частота движения поршня составит более 25 с-1 (обычная частота движения для поршневых насосов - около 10 с-1), в связи с чем данное допущение следует признать обоснованным. Кроме того, авторы [78] отмечают, что такое допущение не влияет на характер изменения параметров компрессора.
4. Приводной вал агрегата вращается равномерно Неравномерность вращения приводного вала приводит к колебаниям агре гата и повышению его шумовых характеристик. Обычно, для исключения этого вредного явления увеличивают инерцию вращающихся масс, используют про тивовесы, гасители колебаний и т.д. В связи с этим данное допущение является общепринятым, а один из крупнейших отечественных специалистов в области математического моделирования поршневых компрессоров П.И. Пластинин [61] даже не рассматривает эту проблему подробно.
Описание конструкции поршневого газожидкостного агрегата и экспериментального стенда
Традиционно [90, 91 и др.] экспериментальные исследования на стадии изучения свойств нового объекта техники, для которого разработана математическая модель рабочих процессов, преследует следующие цели:
1. Подтверждение справедливости принятых допущений и адекватности разработанных методов расчета реально протекающим физическим процессам.
2. Определение неизвестных коэффициентов (например, коэффициентов расхода газо- и гидрораспределительные органов) и получение дополнительных параметров, расчет которых на данном этапе знаний об объекте принципиально невозможен, вызывает непреодолимые затруднения или просто нерационален в связи с существующими неопределенностями в условиях расчета.
Относительно справедливости принятых допущений, принятых при построении методов расчетов рабочих процессов газовой и жидкостной полостей, а также соединяющих их круговых щелей различной конфигурации, следует заметить, что они являются типичными и широко используемым при построении методик расчета машин объемного действия в поршневом исполнении.
Исследование адекватности результатов математического моделирования рабочих процессов реально протекающим физическим явлениям, как правило, производится сравнением расчетных и экспериментальных данных [7, 43, 45, 56, 63 и др.]. При этом для машин объемного (периодического) действия основными критериями адекватности чаще всего служат точность совпадения расчетных и реальных индикаторных диаграмм рабочих полостей и расходных характеристик объекта исследований (производительности), отражающих весь комплекс происходящих в рабочих полостях агрегата процессов.
При необходимости иногда экспериментально исследуются и отдельные узлы объекта, параметры которых трудно поддаются расчету, или их влияние на внешние характеристики агрегата настолько велико, что результаты экспериментов представляют собой самостоятельную ценность.
К первым относятся, например, клапанные устройства или форсунки для впрыска жидкости (см., например, [63]), для которых опытным путем определяются коэффициенты расхода, ко вторым - характеристики узлов, во многом определяющих работоспособность конструкции (см., например, [74]).
В данном случае, очевидно, что кроме сравнения индикаторных диаграмм и расходных характеристик, полученных расчетным и опытным путем, в качестве задачи экспериментальных исследований неизбежно следует необходимость изучения теплонапряженности цилиндропоршневой пары. Эта задача появляется в связи со следующими обстоятельствами:
1. Одно из преимуществ газожидкостного агрегата – снижение температу ры цилиндропоршневой группы за счет участия в его рабочих процессах жид кости, которая не только омывает низ поршня и щелевой зазор между ним и цилиндром (по крайней мере – частично), но и может быть направлена в ру башку цилиндра и клапанную головку, что, несомненно, сможет существенно снизить не только температуру деталей, но и будет способствовать приближе нию процесса сжатия газа к изотермическому и, соответственно, к повышению экономичности работы газовой полости. В связи с этим необходимо оценить, насколько возможно снижение температуры деталей цилиндропоршневой группы в данном агрегате, что, учитывая большую сложность расчета нестационарного теплообмена в сравнительно сложных условиях, следует сделать опытным путем.
2. При разработке рекомендаций по практическому проектированию ново го устройства, как правило, проводиться параметрический анализ влияния ре жимных и конструктивных параметров на внешние характеристики изучаемого объекта, который удобно осуществлять с использованием адекватной реальным процессам математической модели. При этом в математическую модель долж ны вводиться сведения о теплонапряженности цилиндропоршневой груп 105 пы, без которых невозможно рассчитать теплообмен между газом и стенками рабочей газовой камеры. Кроме того, разработанная математическая модель предусматривает расчет сопряжения газовой и жидкостной полостей через гладкую сплошную или ступенчатую (с буферной канавкой) щель, и при этом на каждом шаге вычислений рассчитывается положение раздела фаз, которое определяет не только возможность попадания газа в жидкость или наоборот, но и количеств жидкости в нагнетаемом газе, или газа в нагнетаемой жидкости. Последнее очень важно с точки зрения сферы применения исследуемой конструкции. В то же время, учитывая, что в реальных конструкциях будут использоваться весьма малые (сотые доли миллиметра) радиальные зазоры (соответственно – в экспериментах – тоже), количество газа или жидкости, проникшее через зазор в смежную полость могут быть настолько малы, что практически не повлияют на индикаторную диаграмму полостей в пределах погрешности их построения опытным путем, в связи с чем результат расчета положения фаз в зазоре также должен быть проверен экспериментально.
Таким образом, задачами экспериментальных исследований являются:
1. Получение индикаторных диаграмм газовой и жидкостной полости.
2. Определение расходных характеристик агрегата по газу и жидкости.
3. Определение теплонапряженности стенок рабочего объема газовой полости.
4. Подтверждение методики расчета сопряжения газовой и жидкостной полости через щель в поршневом уплотнении.
Очевидно, что для выполнения поставленных задач газожидкостный агрегат должна удовлетворять следующим требованиям:
1. Конструкция цилиндропоршневой группы должна полностью соответствовать расчетной схеме.
2. Размеры цилиндропоршневой группы не должны вызывать затруднений при монтаже датчиков фиксации мгновенных величин давления в газовой и жидкостной полостях, датчиков температуры цилиндра.
3. Производительность обеих полостей (по жидкости и газу) не должна требовать использования уникальных или сложных методов и аппаратуры измерения расхода.
4. Должна существовать возможность изменения частоты вращения привода в пределах, характерных для поршневых компрессоров и насосов.
5. Конструкция агрегата должна позволять плавно изменять давления нагнетания газовой и жидкостной полости.
Все эти требования были выполнены при проектировании и изготовлении газожидкостного агрегата, подлежащего экспериментальным исследованиям.
Описание конструкции газожидкостного агрегата
При проектировании и изготовлении узлов газожидкостного агрегата использовались элементы модельного образца поршневого компрессора, описанного в [7], а именно:
- кривошипно-шатунный привод с радиусом кривошипа 22,5 мм (ход поршня 45 мм);
- масляный картер;
- крейцкопфный механизм;
- клапанная головка с двумя всасывающими и двумя нагнетательными клапанами и фильтром всасываемого воздуха;
- ресивер емкостью 5 литров с предохранительным клапаном, манометром и дросселем на выходе для плавной регулировки давления нагнетания;
- набор шкивов и трехфазный электродвигатель переменного тока мощно стью 1 кВт с частотой вращения 1440 мин-1.
Анализ влияния отношения давления нагнетания к давлению всасывания в газовой и жидкостной полостях на характеристики газожидкостного агрега-та
Обычный диапазон отношений давления нагнетания к давлению всасывания (степень повышения давления ек = рн/рв) машин объемного действия, сжимающих различные газы, находится в диапазоне 3 - 8, при этом с точки зрения максимальной экономичности считается ек = (3-4). Предположительно, на первом этапе освоения конструкции газожидкостного агрегата в основном с целью подвода смазки под давлением, перекачки жидкостей, сборочно-разборочные и монтажные работы с применением пневмоинструмента, давление нагнетания газовой полости будет находиться в пределах 3-8 бар при всасывании воздуха из атмосферы, в связи с чем расчеты следует провести для % = (3-8). В результате проведенных вычислений установлено следующее: С увеличением 8к растет количество отводимой от газа теплоты в процессе сжатия, увеличиваются утечки им перетечки в связи с ростом перепада давления, в том числе и потерянной с ними энергии, и, несмотря на увеличение отводимой теплоты, наблюдается, хотя и незначительный, рост показателя политропы конечных параметров При увеличении 8к происходит снижение относительных потерь давления и работы как в процессе всасывания, так и в процессе нагнетания (рис. 4.2.3 и 4.2.4)
С увеличением Ек. происходит рост показателя политропы конечных параметров процесса обратного расширения, также как и показателя политропы конечных параметров процесса сжатия, растет относительная работа, подводимая в процессе сжатия, данная зависимость имеет параболический характер, и при 8к= 8 работа, подводимая в процессе сжатия, более чем на 25% превышает работу цикла. Кроме того, рост 8к приводит к увеличению процесса обратного расширения и сокращению процесса всасывания, т.е. к снижению коэффициента подачи Х0. Кроме того, с увеличением Бк происходит рост утечек сжимаемого газа (уменьшается коэффициент подачи ХР) и увеличению подогрева всасываемого газа (снижается коэффициент подачи Xt).
Все вышеперечисленные факторы приводят к заметному снижению общего коэффициента подачи и КПД газовой полости с увеличением 8К (рис. 4.2.5 и 4.2.6).
Проведенный численный анализ также позволил установить, что изменение 8К при выбранном радиальном зазоре в цилиндропоршневой паре (20 мкм) никак не сказывается на работе жидкостной полости. Так, изменение объемного КПД последней во всем исследованном диапазоне 8к колеблется в пределах 0,1%, изменение индикаторной мощности практически отсутствует, утечки и перетечки жидкости не изменяются. При увеличении 8к свыше 6-ти, поступление жидкости из жидкостной полости в компрессорную через гладкое щелевое уплотнение цилиндропоршневой пары прекращается. В то же время сжимаемый газ во всем рассмотренном диапазоне 8к не прорывается из газовой полости в жидкостную.
Параметрический анализ рабочих процессов, происходящих в жидкостной полости, проведен для наиболее ожидаемых на первом этапе проектирования агрегата давлений - давление всасывания 0,1 МПа (1 бар), давление нагнетания - в диапазоне от 0,8 до 3 МПа (от 8 до 30 бар). При этом приняты: частота вращения коленчатого вала 500 мин-1; давление всасывания газовой полости 0,1 МПа (1 бар), давление нагнетания 0,8 МПа (8 бар); радиальный зазор между поршнем и цилиндром 20 мкм.
Численное моделирование работы газожидкостного агрегата показало следующие результаты:
При увеличении Єн (SH = PHJPBW) при соответствующем росте индикаторной мощности наблюдается практически линейный рост утечек и перетечек в неплотностях и уплотнениях агрегата (в сумме до 10% при SH = 30) и снижаются относительные потери работы в процессах всасывания и нагнетания (примерно в 5 раз), а объемный КПД снижается соответственно утечкам и перетечкам на 10% (рис. 4.2.7). При этом начиная с 8н = 10 начинается прорыв жидкости через поршневое уплотнение в газовую полость машины (рис. 4.2.8).
