Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСГАНОВКА
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Основные гипотезы рабочего процесса вихревой ступени 15
1.2 Анализ результатов исследования вихревых машин в режиме привода 17
1.3 Выводы и задачи исследования 23
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ ВИХРЕВОГО ПНЕВМОПРИВОДА С ВНУТРЕННИМ ПЕРИФЕРИЙНЫМ КАНАЛОМ
2.1 Анализ преимуществ новой схемы проточной части пневмопривода 26
2.2 Особенности рабочего процесса вихревой ступени, работающей в режиме пневмопривода. Структура КПД 34
2.3 Основные зависимости для расчетного режима работы вихревого пневмопривода с внутренним периферийным каналом с интегральной оценкой потерь в проточной части 53
2Л Методика расчета вихревого пневмопривода
с внутренним периферийным каналом 61
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
3.1 Цели и задачи экспериментального исследования 68
3.2 Описание экспериментального стенда 69
3.3 Модель ступени вихревого пневмопривода с- внутренним периферийным каналом и модель ступени с внешним периферийным каналом 78
3.4 Методика исследования 85
3.5 Погрешности измерений 90
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПНЕВМОПРИВОДА ВИХРЕВОГО ТИПА И ИХ АНАЛИЗ
4.1 Сравнение эффективности нового типа проточной части 94
4.2 Влияние основных геометрических параметров проточной части ступени с внутренним периферийным каналом.
4.2.1 Влияние угла установки лопаток. 96
4.2.2 Влияние угла наклона лопаток. 98
4.2.3 Влияние относительного шага между лопатками /числа лопаток/ 98
4.2.4 Влияние относительной длины проточной части -О- 102
4.3 Влияние основных газодинамических параметров ЮЗ
4.4 Влияние зазоров 108
4.5 Механические характеристики пневмопривода.
4.6 Пусковые характеристики ИЗ
4.7 Основные рекомендации по проектированию вихревого пневмопривода с внутренним периферийным каналом 118
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 120
ЛИТЕРАТУРА 122
- Основные гипотезы рабочего процесса вихревой ступени
- Анализ преимуществ новой схемы проточной части пневмопривода
- Цели и задачи экспериментального исследования
- Сравнение эффективности нового типа проточной части
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-85 годы и на период до 1990 года", утвержденных ХХУІ съездом КПСС, поставлена в частности задача ^'сосредоточить усилия на повышении качества, надежности, экономичности и производительности, уменьшении шума и вибраций машин, оборудования и других изделий машиностроения, снижении их материалоемкости и энергопотребления..." Это относится и к созданию пневматических приводов, находящих все более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Такие их важные преимущества, как взрыво и пожаробезопасность, способность работать в тяжелых климатических условиях, надежность, длительный срок службы и другие в отдельных случаях являются определяющими при выборе типа привода. Основной недостаток пневмоприводов -довольно низкий КПД, составляющий 20-30$, а с учетом энергии, подводимой к компрессорам и потерь в коммуникациях величина его снижается до 5-15% [l6J .
В СССР серийно выпускаются в основном шестеренные, поршневые, ротационные и турбинные пневмоприводы. Каждый тип обладает своими преимуществами и недостатками [-^ J . Шестеренные просты по конструкции, надежны, но имеют наибольшую массу и габариты. Поршневые обладают сравнительно высоким КПД, но из-за наличия большого числа кинематических пар быстро изнашиваются. Ротационные являются самым распространенным типом пневмоприводов с небольшой массой и габаритами, но им свойственен довольно низкий КПД. Ввиду наличия трущихся частей они быстро изнашиваются и, кроме того, как правило работают со смазкой и поэтому загрязняют окружающую среду масляными аэрозолями. Недостатком их является и то, что ротационный пневмопривод имеет негарантированный запуск, что вызывает необходимость предусматривать специальные конструктивные мероприятия. Существенными преимуществами обладает другой тип пневмоприводов - турбинные. Непосредственно преобразуя энергию сжатого воздуха в механическую работу, эти машины работают с "сухой" проточной частью, не загрязняя рабочее тело - воздух маслом, способны развивать значительные мощности.
Следует отметить, что ниже речь пойдет о так называемых "малоразмерных" /маломощных/ приводах агрегатов, а не о мощных турбоприводах основных двигательных установок, литература по теории и проектированию которых достаточно обширна. Малоразмерные турбоприводы имеют свою специфику расчета и проектирования | IIJ . К достоинствам турбинных малоразмерных пневмоприводов следует отнести также кинематическую простоту их конструкции - они имеют единственным подвижным элементом рабочее колесо, совершающее простое вращательное движение, что обуславливает малые габариты, вес, высокую эксплуатационную надежность, простоту обслуживания, низкую стоимость. Главные их недостатки -высокооборотность и относительная сложность изготовления. Воздушные микротурбоприводы известных типов /осевые, радиальные/ работают в зоне 20000-75000 об/мин I 16 J - Высокие обороты обуславливают применение специальных опор, редукторов, что усложняет и удорожает установку. Для снижения оборотов применяют парциальные и многоступенчатые турбоприводы. Но парциаль-ность значительно снижает КПД машины 18 I , а увеличение числа ступеней усложняет конструкцию. Для микротурбоприводов характерны также сравнительно низкие пусковой и номинальный моменты. В этом смысле более перспективным представляется использование вихревых машин в режиме пневмопривода.
Вихревой пневмопривод, являясь машиной, обратной по дейст-ствию вихревому компрессору, относится к приводам турбинного типа и, обладая всеми преимуществами последних, позволяет исключить при прочих равных условиях основной их недостаток -высокооборотность. Так, при примерно равных расходах воздуха и . снимаемой мощности оборотность вихревого пневмопривода на порядок ниже, чем у центростремительной турбины, а по сравнению с ротационно-пластинчатым двигателем он обладает более высоким КПД и исключает его недостатки Г 31J . В таблице I приведены сравнительные характеристики различных пневмоприводов I 16 J , в том числе и вихревого, исследованного в настоящей работе.
Конструктивная схема ступени вихревого двигателя с боковым каналом представлена на рис. I.B. Ступень состоит из рабочего колеса I с лопатками 2, установленного в корпусе 3 с малыми торцевыми зазорами. В корпусе выполнен кольцевой канал 4, разделенный в одном месте перемычкой 5 /отсекатель/. Рабочее тело /газ, жидкость/ подводится и отводится через входной 6 и выходной 7 патрубки. Лопатки рабочего колеса и канал в корпусе в совокупности образуют проточную часть ступени. В отличие от других типов турбоприводов частицы рабочего тела в проточной части вихревого привода многократно взаимодействуют с лопатками колеса, отдавая ему свою энергию. Это обусловлено особым, продольно-вихревым движением частиц в проточной части. Согласно имеющимся на сегодня теоретическим и экспериментальным данным, чем интенсивнее организовано вихревое движение частиц рабочего тела в проточной части машины /будь то пневмопривод ,, либо компрессор или насос/, тем эффективнее ее работа Г 5 J . Продольно-вихревое движение частиц является базовым при обмене энергией между рабочим телом и колесом. Организация вихревого движения существенным образом зависит от геометрии проточной части. В настоящее время известно достаточно большое количество типов проточных частей вихревых машин, различающихся между собой по
Сравнительные характеристики пневмоприводов
Характеристика пневмопривода
Тип пневмопривода ротационные ! турбинные і вихревые
Мощность, КВТ
Частота вращения, об/мин
Расход свободного воздуха на I квт мощности, кг/мин
Коэффициент расширения воздуха
Относительная масса, кг/квт расположению кольцевого /рабочего/ канала корпуса /периферийное, боковое и т.д./, количеству каналов, профилю меридионального /поперечного/ сечения проточной части и пр. Отдельные виды известных типов проточных частей вихревых машин представлены на рис. 2.В: а/ - с боковым каналом; б/ - с периферийно-боковым каналом; в/ - с периферийным каналом; г/ - с внутренним периферийным каналом [4J ; д/ - с двухсторонней проточной частью и прямоугольным профилем меридионального сечения; е/ - с периферийно-боковым каналом и центральным обтекателем [з
На организацию вихревого движения влияют также различные геометрические параметры ступени /углы наклона, число лопаток, отношение диаметра проточной части к диаметру колеса и др./. Необходимо отметить, что в настоящее время накоплено сравнительно мало экспериментального и теоретического материала по исследованию вихревых машин в режиме турбопривода. Их преимущества, о которых говорилось выше, дают повод для дальнейшего исследования этих машин в этом режиме, повышения их эффективности.
Одним из способов повышения эффективности ступени вихревого привода, в частности, является интенсификация вихревого движения в проточной части с внутренним периферийным каналом, в соответствии с предложенной схемой на рис. 2.В г .
Пневмопривод вихревого типа может оказаться весьма перспективным для современных турбо-компрессорных агрегатов небольшой мощности /в особенности работающих со взрыво и пожароопасными, агрессивными средами/. Для них вопрос привода, как правило, требует отдельном проработки, т.к. диапазон чисел обо-
Рис. 2.В ротов здесь выше, чем у электродвигателей и ниже, чем у турбин известных типов. В этом смысле вихревой привод может быть использован без усложняющих установку редукторов ГI5J . Сравнительные низкооборотносгь и высокое отношение пускового момента к номинальному делают возможным применение привода, например в качестве пневмостартеров для мощных дизелей, работающих в тяжелых климатических условиях. Возможность срабатывать сравнительно большие перепады давлений в одной ступени, при умеренных числах оборотов выгодно отличает пневмопривод вихревого типа от известных пневмоприводов турбинного типа /осевых, радиальных/, что также расширяет перспективу их применения. Например, вихревая турбина может использоваться для детандерного расширения газа, что может найти применение для целей охлаждения.
class1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСГАНОВКА
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ class1
Основные гипотезы рабочего процесса вихревой ступени
Вихревая машина есть машина обратимая, т.е. имеет возможность работать как в режиме компрессора /насоса/, так и в режиме пневмопривода. Есть все основания предположить, что эту возможность обеспечивает качественно один и тот же рабочий процесс, процесс обмена энергией между рабочим телом и колесом. Это подтверждается имеющимися теоретическими и экспериментальными данными 15, 5, 35J .
Хотя в настоящее время существует в основном две гипотезы рабочего процесса в вихревой машине /регенеративная и турбулентная/, однако подавляющее большинство теоретических и экспериментальных работ основываются на одной - регенеративной. Термин "вихревые" не является общепринятым для этого типа машин. В иностранной литературе встречаются и другие названия, например "регенеративные", турбулентные", "фрикционные" и т.д.
Подробный анализ и классификация существующих гипотез даны в работах Бондаренко Ю.А. и Анохина В.Д Г8, 2 J . Регенеративная гипотеза [2, 5, 7, б, 9, 17, 20, 21, 23, 24, 33, 36, 37, 38, 42, 53, 54, 58J предполагает наличие в проточной части вихревой ступени организованного циркуляционного течения рабочего тела - продольно-вихревого движения, являющегося базовым при обмене энергией между рабочим телом и колесом. При этом ряд авторов I 5 J не исключают возможности передачи энергии и за счет вихрей и турбулентных пульсаций. Турбулентная гипотеза Г 39, 40, 41, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 55, 56, 57J продольно-вихревое движение либо отрицает, либо признает несущественным. Считается, что обмен энергией происходит либо за счет возникновения касательных напряжений между рабочим телом в канале и колесом 140, 41, 51, 52, 55, 56, 571 , либо за счет интенсивного перемешивания рабочего тела, находящегося в канале и в межлопаточном пространстве колеса Г39, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 501 .
Существование двух гипотез можно объяснить сложностью структуры потока и многообразием проточных частей машин. К тому же подавляющее большинство работ посвящено вихревым машинам, работающим на жидкости, тогда как сжимаемость рабочего тела, как это будет показано ниже, существенно меняет картину течения в проточной части.
Таким образом, вопрос выбора рабочей гипотезы процесса становится в зависимость от типа проточной части и вида рабочего тела. Основным недостатком турбулентной гипотезы является то, что из большинства работ ей посвященных, не следует конкретных рекомендаций по улучшению проточной части ступени, анализа влияния ее типа на эффективность машины. Хотя практически спроектировано и работает много промышленных образцов с конкретным типом проточной части, выполненным по конкретным рекомендациям, основанным на турбулентной гипотезе 19, 39, 48І .
Анализ преимуществ новой схемы проточной части пневмопривода
Как уже указывалось ранее, большинство работ рассматривает рабочий процесс вихревого привода, исходя из положений регенеративной гипотезы. Эта гипотеза успешно подтверждается экспериментально. В отличии от турбулентной - регенеративная гипотеза не только объясняет рабочий процесс ступени, но и указывает пути его совершенствования. Один из главных путей совершенствования рабочего процесса вихревого пневмопривода - это интенсификация продольно-вихревого движения газа /базового движения при передаче энергии/, т.е. увеличение числа контактов газа с колесом на длине проточной части. В этом смысле эффективность вихревого пневмопривода в значительной степени зависит от типа его проточной части.
Выше было отмечено, что проточная часть с периферийным каналом имеет наихудшие показатели в режиме привода I 5, 26 J . Объясняется это влиянием поля центробежных сил и гидравлических сопротивлений на интенсивность продольно-вихревого движения рабочего тела в канале ступени. Проанализируем это влияние для двух типов проточных частей - с внешним периферийным и внутренним периферийным каналом.
Кроме влияния типа проточной части на характер действия поля центробежных сил необходимо учесть и влияние этого типа проточной части в случае работы на сжимаемой среде, в отличии от несжимаемой. Сжимаемость среды обуславливает неравномерную плотность потока в различных точках проточной части.
Цели и задачи экспериментального исследования
Как указывалось ранее в настоящее время отсутствует какая-либо общая теория пневмопривода вихревого типа, охватывающая всевозможные типы проточных частей и учитывающая влияние различных геометрических параметров на его характеристики. Это обуславливается значительной сложностью структуры потока, многократностью взаимодействия рабочего тела с колесом, двоякой кривизной канала, сжимаемостью среды, перетечками и пр. Теоретический учет всех факторов чрезвычайно сложен, поэтому в основу инженерных методов расчета вихревого привода с конкретной схемой проточной части могут быть положены в настоящее время только результаты эксперимента. Учитывая ранее изложенные доводы, указывающие на несомненную перспективность пневмопривода вихревого типа вообще и с внутренней периферийной проточной частью в частности, в данной работе ставилась цель исследования вихревой ступени с новым типом проточной части с внутренним периферийным каналом, в режиме пневмопривода. Каких либо результатов исследования ступеней с внутренним периферийным каналом в настоящее время неизвестно.
В задачи экспериментального исследования входило: а/ сравнение эффективности нового типа проточной части; б/ выявление влияния основных геометрических и газодинамических параметров ступени на ее эффективность /углов наклона и установки лопаток, относительного шага - числа лопаток, относительной длины проточной части; коэффициента расхода, относительной окружной скорости вращения колеса, степени расширения газа в ступениполучение механических характеристик ступени с новым типом проточной части, в частности отношения пускового момента к номинальному исследование работы ступени на нерасчетном режиме /в режиме раскрутки инерционных масс.
Сравнение эффективности нового типа проточной части
В соответствии с положениями изложенными в разделе 2.1, были проведены сравнительные испытания двух ступеней вихревого пневмопривода с двумя различными типами проточных частей - с внешним и внутренним периферийным каналами /см. раздел 3.3/. Как уже говорилось, геометрические параметры сравниваемых ступеней были эквивалентными, и близки к оптимальным. Ступени испытывались при одинаковом числе оборотов п=3500 об/мин /. Задачей исследования являлось выявление "чистого влияния типа проточных частей. На рис.4.1. представлены экспериментальные зависимости от коэффициента расхода для двух рассматриваемых типов проточных частей. Разница в КПД практически на порядок. Кроме того, для проточной части с внешним периферийным каналом зона изменения КПД достаточно широка. Все это подтверждает соображения, изложенные в разделе 2.1, о влиянии типа проточной части на работу вихревого двигателя, работающего на сжимаемой среде. Поскольку действие центробежных сил в схеме с внешним периферийным каналом выражается в снижении интенсивности продольно-вихревого движения и сосредоточении массы газа на периферии проточной части /т.е. в канале/, то передача энергии от газа колесу происходит в основном только за счет турбулентного обмена и касательных напряжений. Эффективность такого обмена сравнительно мало изменяется в широкой зоне по у Полученные данные согласуются с результатами, приведенными в работах 5, 26J . В схеме с внутренним периферийным каналом зона максимальных значений КПД имеет явно выраженные границы.
