Разработка поршневых ступеней с линейным приводом для малорасходных компрессорных агрегатов и исследование их рабочих процессов Громов Антон Юрьевич

Введение к работе

Актуальность работы

Задача улучшения тактико-технических характеристик атомных подводных лодок на протяжении десятилетий сохраняет свою актуальность, несмотря на достигнутый существенный технический прогресс. Одним из приоритетных направлений развития подводного военно-морского флота является улучшение функции скрытности лодки от систем обнаружения противника, в большей степени определяемой снижением вибраций и шумов, создаваемых ее основными агрегатами. Задача улучшения виброшумовых характеристик подводной лодки обретает все большую значимость ввиду недавней переориентации многих отечественных и западных флотов на выполнение боевых задач в прибрежных водах, что накладывает более жесткие требования к маскировке подводного судна.

Введение ужесточенных требований к уровню вибраций и шумов обуславливает необходимость совершенствования и модернизации в данном направлении различных механизмов и установок лодки. К таким работам можно отнести создание поршневых малорасходных (до 0,5 нм³/мин) компрессорных агрегатов среднего давления с улучшенными виброшумовыми характеристиками для использования в составе системы жизнеобеспечения.

Как показал опыт ведущих отечественных предприятий по изготовлению компрессорной и холодильной техники морского применения, достижение современных требований по виброшумовым характеристикам для традиционной конструкции поршневой машины на базе кривошипно-шатунного механизма привода затруднительно и без значительного ухудшения массогабаритных и энергетических характеристик установки не представляется возможным. В связи с этим, необходим поиск принципиально других конструктивных подходов и схемных решений.

Одним из таких решений могло бы стать применение поршневых ступеней с линейным приводом. Актуальность данного направления обусловлена возможностью существенного улучшения виброшумовых характеристик компрессорного агрегата относительно аналогов при отсутствии ухудшения показателей по массе, габаритам и энергоэффективности.

Степень разработанности проблемы

Предварительные оценки конструкции поршневых ступеней с линейным приводом позволяют ожидать не только значительного улучшения виброшумовых характеристик компрессорных агрегатов на их базе, но и увеличения ресурса их работы, повышения надежности и ремонтопригодности. С другой стороны, существенные отличия в режимных и конструктивных параметрах такой ступени, по сравнению с традиционными быстроходными, могут сказаться на показателях эффективности рабочих процессов компрессорного агрегата.

В настоящее время накоплен значительный опыт по моделированию рабочих процессов поршневых компрессоров, что нашло отражение в многочисленных публикациях (Прилуцкий И.К., Фотин Б.С., Хрусталёв Б.С., Федоренко С.В., Твалчре-лидзе А.К., Рыжиков Л.Н., Иванов В.А., Науменко А.И., Воропай П.И. и др.). Вопросам эффективности работы поршневых компрессорных агрегатов применительно к

условиям эксплуатации на транспортных средствах и в составе мобильных установок, также посвящено значительное количество публикаций (Пластинин П.И., Сакун И.А., Хисамеев И.Г., Верный А.Л., Френкель М.И., Захаренко С.Е., Берман Я.А., Агурин А.П., Тарасов В.М., Юша В.Л. и др.).

Освещенные в литературе методики и результаты исследований не позволяют сделать выводы о применимости поршневых ступеней с линейным приводом в компрессорной технике и тем более сформулировать рекомендации по их проектированию. Существенное отличие условий протекания в них рабочих процессов требует доработки и верификации существующих методик расчёта и их адаптации к новому объекту.

Объектом исследования является поршневая компрессорная ступень с линейным приводом, для которой частота перемещения поршня составляет 20–250 циклов в минуту, а отношение хода поршня к диаметру цилиндра - от 1 до 20. Линейный привод поршневой ступени – совокупность устройств, обеспечивающих возвратно-поступательное движение исполнительного органа и присоединенного к нему поршня при сравнительно большом ходе (200 мм и более) и малых скоростях перемещения.

Предметом исследования являются рабочие процессы поршневой компрессорной ступени с линейным приводом, при которых изменение внутренней энергии и параметров состояния рабочего газа определяются изменением объема рабочей камеры ступени, течением рабочего газа через клапаны в закрытом и открытом состоянии и через уплотнения в цилиндро-поршневой группе, нестационарной теплопередачей через элементы конструкции, формирующие рабочую камеру ступени.

Целью диссертационной работы является улучшение виброшумовых характеристик малорасходных компрессорных агрегатов среднего давления путем применения поршневых ступеней с линейным приводом.

Для достижения поставленной цели, в ходе работы необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать уточнённую методику расчёта рабочих процессов поршневой
ступени с линейным приводом.

1. Разработать методику экспериментального исследования рабочих процессов поршневой ступени с линейным приводом и стенд для её реализации.

2. Теоретически и экспериментально исследовать рабочие процессы поршневой ступени с линейным приводом и определить их отличительные особенности по сравнению со ступенью существующих быстроходных аналогов.

4. Выполнить параметрический анализ влияния конструктивных и режимных факторов на эффективность рабочих процессов поршневой ступени с линейным приводом.

5. Разработать рекомендации по проектированию малорасходных компрессор-ных агрегатов среднего давления на базе поршневых ступеней с линейным приводом.

6. Выполнить исследование виброшумовых характеристик малорасходного компрессорного агрегата среднего давления на базе поршневых ступеней с линейным приводом.

Методы исследования. Метод экспериментального исследования влияния режимных и конструктивных параметров поршневой компрессорной ступени с линейным приводом на её интегральные характеристики. Метод экспериментального исследования рабочего процесса поршневой компрессорной ступени с линейным приводом на основе измерения быстроизменяющихся параметров состояния газа в рабочей камере ступени. Математическое моделирование рабочего процесса поршневой компрессорной ступени с линейным приводом и его реализация численным методом конечных разностей.

Научная новизна работы:

1. Обоснована применимость существующей методики численного расчета рабочих процессов поршневой быстроходной компрессорной ступени для расчёта рабочих процессов поршневой ступени с линейным приводом.

2. Выявлено перераспределение доли влияния процессов теплопередачи и течения газа на эффективность рабочих процессов поршневой ступени с линейным приводом по сравнению со ступенью существующих быстроходных аналогов.

3. Обоснована и доказана возможность сжатия газа в одной поршневой ступени с линейным приводом от атмосферного давления до давления 2,0 – 3,0 МПа при температурах нагнетания не превышающих 400…450К и приемлемых значениях показателей эффективности рабочего процесса.

4. Впервые выполнена теоретическая оценка влияния конструктивных и режимных факторов на эффективность рабочих процессов поршневой ступени с линейным приводом.

Практическая значимость:

5. Разработаны рекомендации по проектированию поршневых ступеней с линейным приводом, позволяющие создавать на их базе малорасходные компрессорные агрегаты среднего давления альтернативные существующим по массе и габаритам.

6. Экспериментально доказана возможность улучшения виброшумовых характеристик малорасходных компрессорных агрегатов среднего давления путем применения поршневых ступеней с линейным приводом.

3. Разработаны новые технические решения, направленные на улучшение
виброшумовых характеристик малорасходных компрессорных агрегатов среднего
давления на базе поршневых ступеней с линейным приводом, новизна которых под
тверждена патентом РФ на изобретение.

Достоверность результатов исследования обусловлена применением верифицированной методики расчёта, основанной на фундаментальных законах термодинамики и теплопередачи; сопоставлением результатов расчёта с результатами других авторов и с результатами эксперимента; результатами оценки погрешности экспериментального исследования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты уточнения и верификации методики расчёта рабочих процессов
поршневой ступени с линейным приводом.

2. Результаты теоретического и экспериментального исследования рабочих
процессов поршневой ступени с линейным приводом.

3. Результаты параметрического анализа влияния конструктивных и режимных
факторов на работу поршневых ступеней с линейным приводом и рекомендации по
их проектированию и применению в компрессорной технике.

4. Результаты исследования виброшумовых характеристик малорасходного
компрессорного агрегата среднего давления на базе поршневых ступеней с линейным
приводом.

Личный вклад автора состоит в выполнении расчётно-параметрического анализа влияния конструктивных и режимных факторов на работу поршневых ступеней с линейным приводом (п.7 списка работ, опубликованных автором по теме диссертации). Автор участвовал в разработке и верификации уточненной методики расчета рабочих процессов поршневой ступени с линейным приводом (п.2 и п.3 списка работ, опубликованных автором по теме диссертации), а также в проведении исследований по оценке эффективности ее рабочих процессов (п.1 списка работ, опубликованных автором по теме диссертации рассматриваемой ступени) и температурного состояния конструктивных элементов цилиндра (п.4 списка работ, опубликованных автором по теме диссертации). С участием автора выполнена разработка запатентованной конструкции опытного образца малорасходного поршневого компрессорного агрегата среднего давления с улучшенными виброшумовыми характеристиками (п.9 списка работ, опубликованных автором по теме диссертации).

Реализация результатов работы. Результаты работ внедрены на предприятии ООО «Научно-технический комплекс «Криогенная техника» г. Омск при модернизации разработанного компрессорно-теплообменного модуля КВО.9667.00.000 для систем жизнеобеспечения подводных лодок, а также в учебный процесс кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология» ФГБОУ ВО «Омский государственный технический университет» (ОмГТУ).

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались на XVII Международной научно – технической конференции по компрессоро-строению (Казань, 2017); на VII Международной научно-технической конференции «КАЗАХСТАН – ХОЛОД 2017», (Алматы, 2017); на Международной научно – технической конференции «Техника и технология современного нефтехимического и нефтегазового производства «Oil and gas engineering»», (Омск, 2015, 2017); на VII Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2015); на заседаниях научно-технических советов ООО «Научно-технический комплекс «Криогенная техника» и ФГБОУ ВО «Омский государственный технический университет» (Омск, 2017).

Работа выполнена в рамках госбюджетных НИОКР «Разработка промышлен
ной технологии производства перспективных компрессорно-теплообменных модулей
систем жизнеобеспечения подводных лодок» (государственный контракт №

13411.1400099.09.010 от 08 мая 2013 г.); «Создание перспективных одноступенчатых компрессорных агрегатов высокого и среднего давления с повышенным ресурсом работы для систем жизнеобеспечения автономных подводных объектов» (соглашение о предоставлении субсидии от 15.11.2015 г. № 14.577.21.0203).

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Результаты проведенного в диссертации исследования соответствуют следующим пунктам паспорта специальности «05.04.06 – Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы»:

7. Методы расчета объектов вакуумной, компрессорной техники, пневмоагре-гатов и пневмосистем (в диссертации ведется разработка уточненной методики расчета рабочих процессов поршневой ступени с линейным приводом);

8. Математическое моделирование рабочих процессов и динамики объектов вакуумной, компрессорной техники, пневмоагрегатов и пневмосистем (в диссертации проводится численное моделирование рабочих процессов поршневой ступени с линейным приводом с учётом нестационарных процессов теплопередачи через конструктивные элементы поршневой ступени);

4. Исследование систем объектов вакуумной, компрессорной техники, пневмо-агрегатов и пневмосистем (в диссертации проводится теоретическое и экспериментальное исследование рабочих процессов поршневых ступеней с линейным приводом, а также исследование виброшумовых характеристик малорасходного компрессорного агрегата среднего давления, созданного на их базе).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных печатных работ, в том числе 8 статей, из которых 4 статьи - в изданиях, рекомендованных ВАК России, 1 статья – в изданиях, индексируемых в базе данных «Scopus» и 1 патент на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 147 наименований, 1 приложения. Общий объем диссертации 213 страниц, включая 104 рисунка и 18 таблиц.