The study of reciprocating compressors at the department "Vacuum and compressor technology"

Full Text

Сильфонные поршневые компрессоры стали первой научно-исследовательской разработкой в этой области после выделения кафедры 95 из кафедры «Холодильные и компрессорные машины и установки» в 1961 г. (А. Н. Волчков). Работа носила пионерский характер, так как микрома шин подобного типа тогда не существовало. Был проведен анализ основных электромагнитных и механических схем герметизации рабочей полости цилиндра, который показал, что наиболее эффективно герметизацию на существовавшем уровне развития техники и технологии можно осуществить при помощи сильфона. Были созданы экспериментальные установки, позволившие исследовать основные потери в поршневом микрокомпрессоре, связанные с утечками через поршневое уплотнение, потери на механическое трение и потери от дросселирования газа в органах распределения. В результате предложена оригинальная конструкция компрессора с сильфонной схемой герметизации и создан поршневой микрокомпрессор с сильфонным уплотнением рабочей полости. В ходе этой работы был уточнен метод расчета гидро- формованного сильфона с учетом переменности толщины стенки и усовершенствован расчет торообразных оболочек методом степенных рядов, проведено экспериментальное исследование напряженного состояния тонкостенного металлического сильфона в специфических для микрокомпрессоров условиях работы.

Компрессор К -1 был внедрен в производство на Сумском насосном заводе.

Математическая модель поршневого компрессора была разработана впервые в СССР в конце 60-х начале 70-х годов П.И. Пластининым и А.К.Твалчрелидзе.

Модель описывала работу многоступенчатого компрессора с цилиндрами двойного действия и впервые позволила смоделировать индикаторные диаграммы действительного компрессора, а также получить зависимости производительности, потребляемой мощности и удельного расхода энергии от его основных размеров и параметров. С се помощью была решена задача оптимизации основных геометрических размеров многоступенчатых поршневых компрессоров и определены принципиально новые положения: с увеличением числа оборотов коленчатого вала оптимум удельного рас хода энергии становится более ярко выраженным; оптимальные значения отношения хода поршня к диаметру цилиндра двух- и многоступенчатых компрессоров значительно отличаются от значений таковых для одноступенчатых машин.

Эти положения обусловили развитие конструкций поршневых компрессоров на несколько десятилетий не только в СССР, по и за рубежом. Разработанная математическая модель многоступенчатого поршне вою компрессора используется до сих пор.

Дальнейшие исследования поршневых компрессоров на кафедре были в основ ном связаны с совершенствованием математических моделей происходящих в них процессов и с созданием уникальных конструкций.

Регенеративный характер теплообмена между газом и стенками цилиндра был принят при разработке математической модели поршневого компрессора, что позволило принципиально по-новому подойти к проектированию быстроходных поршневых компрессоров, а имен но выполнить цилиндры без охлаждения.

Межступенчатое охлаждение газа исследовалось с точки зрения взаимодействия ступеней сжатия и межступенчатых теплообменников. Была разработана математическая модель поршневого комп рессора общего назначения, позволившая имитировать «входные» и «выходные» параметры межступенчатого тепло обменника и определить их влияние на экономичность компрессора. При помощи численного эксперимента на модели была выявлена зависимость между удельным расходом энергии в компрессоре и основными параметрами работы межступенчатого теплообменника. По разработанной методике был спроектирован и изготовлен новый холодильник для серийно изготовлявшегося компрессора 2ВМ4-24/9. 

Влияние коротких трубопроводов на работу поршневых компрессоров было изучено в связи с отсутствием методов их расчета и невозможностью использовать в этом случае разработанные методы газодинамики неустановившихся потоков.

Предложена методика расчета колебания давления в полостях, соединенных коротким трубопроводом, основанная на инерционном движении столба газа в этом трубопроводе.

Оценка ненаблюдаемых параметров работы компрессора была следующей областью применения разработанных на кафедре математических моделей поршневых компрессоров. Известно, что коэффициенты расхода и теплоотдачи в ходе рабочих процессов меняются. Методика определения значений этих величин в динамике отсутствовала. На кафедре был проведен комплекс исследований по

оценке значений динамических коэффициентов расхода и теплоотдачи от газа к стенкам цилиндра, получаемых из математической модели путем идентификации динамики рабочего процесса. Разработка принципиально новой математической модели с использованием динамических коэффициентов позволила с достаточной степенью точности модели - ронять изменение температуры газа внутри рабочей полости цилиндра.

Экспериментальное определение полей температур рабочих полостей поршневых компрессоров с цилиндрами двойного действия диаметром от 125 до 620 мм по пилило задавать граничные условия при разработке математических моделей для компрессоров этого типа.

Не плоскопараллельное движение пластин кольцевых клапанов впервые в России было исследовано на кафедре Э5. Трех мерная модель движения пластины кольцевого клапана как системы с распределенными параметрами позволила исследовать влияние неоднородностей как внутренних (неоднородности самого клапана), так и внешних (неоднородности потока) на движение клапанной пластины. Было доказано, что пластина кольцевого клапана может двигаться не плоскопараллельно. При таком движении возникает эффект «хлыста», значительно увеличивающий скорость удара пластины о седло. Кроме того, наклонное движение пластины может привести к увеличению запаздывания закрытия шпана, т.е. к ухудшению объемных и энеретических характеристик компрессора.

Исследование объемных компрессоров с внутренним теплоотводом (с впрыском жидкости) было проведено совместно кафедрой Э5 и Омским политехническим институтом. Математическая модель рабочих процессов поршневого компрессора с впрыском жидкое и как в рабочую полость, так и во всасывающий трубопровод позволила определять изменение термодинамических параметров газовой и жидкостной фа з рабочего тела. Были получены основополагающие для последующего развития машин этого типа вы воды: увеличение количества впрыскиваемой жидкости, уменьшение с дисперсности и температуры уменьшают индикаторную мощность, но увеличивают потери мощности в газораспределительных органах и затраты мощности на впрыск жидкости, что обусловливает наличие оптимальных соотношений между пара метрами впрыскиваемой жидкости; уменьшение производительности компрессора при впрыске жидкости не посредственно в цилиндр вызвано увеличением продолжительности процесса расширения, несмотря на интенсивное охлаждение всасываемого газа; экономичность компрессора увеличивается при впрыске жидкости, имею щей прежде всего низкую плотность и затем высокую теплоемкость и теплоту парообразования; интенсивное охлаждение сжимаемого газа путем впрыска жидкости позволяет увеличить относительное повышение давления в ступени компрессора до 8—9, при этом индикаторный изотермический КПД имеет максимальное значение; с увеличением частоты вращения коленчатого вала эффективность впрыска жидкости уменьшается.

В связи с этим была разработана методика расчета оптимальных количеств впрыскиваемой слабо испаряющейся жидкости, обеспечивающих максимальную производительность и КПД комп рессора, а также общая методика расчета поршневого компрессора с внутрен ним теплоотводом. Впоследствии эти исследования были положены в основу докторской диссертации В.Е.Щербы.

Исследования технического уровня компрессорных машин. проводившиеся на кафедре, позволили разработать методы объективной оценки эффективности и качества компрессоров, не зависящие от субъективного выбора аналога. Эти методы дают возможность сравнивать компрессоры различных типов и определять области наиболее эффективного приме нения компрессорных машин конкретного типа. Разработанная на этой основе методика аппроксимации неизвестной формы взаимосвязи переменных на ЭВМ используется в настоящее время для решения многих инженерных и экономических задач. Были предложены также методики определения параметрической совместимости компрессорных машин и принципиально новый метод вероятностной комплексной оценки технического уровня с учетом всех известных, выпускаемых в мире компрессорных машин. Это позволило установить обоснованные сроки переаттестации компрессоров.

Система разработки математических моделей объемных компрессоров с использованием библиотек каркасов и модулей, предложенная П. И. Пластининым и Ф.Н.Смирновым. отвечает требованиям безболезненности изменения структур и составляющих модулей. При этом пони мается, что изменения программного продукта безболезненны, если они не нарушаю работоспособности отлаженных ранее версий программы, сопроводи тельной документации и не влекут за со

бой необходимости изменения окружения (существующих текстов программ и других первичных документов). Предусмотрено, что сборка программы для конкретной математической модели будет осуществляться посредством диалога пользователя с так называемым конфигуратором программ, во время которого пользователь задает исходные данные для расчета, а конфигуратор предлагает набор необходимых модулей и каркасов с учетом их совместимости и после одобрения пользователем - компоновку про граммы. В рамках этих работ был пред ложен язык образования идентификаторов физических величин и модулей. Исследования по созданию системы продолжаются.

Автоматизированная система измерений, сбора, хранения и обработки параметров поршневого компрессора (АСИ ПК), созданная на кафедре, была первой в России. АСИ П К соответствует требованиям ГОСТа и норм SO. Она даст возможность автоматизировать экспериментальное исследование быстроменяющихся давлений в рабочих полостях компрессора и динамики движения запорных органов самодействующих клапанов. Контроль параметров осуществляется с дистанционного пульта управления, расположенного в отдельном помещении. Разработанное программное обеспечение позволяет использовать АСИ ПК в составе сети ЭВМ. Параметры компрессора могут быть выведены на экран монитора и представлены в виде мнемосхемы, протокола, графиков и диаграмм.

Исследования поршневых компрессоров с управляемым законом движения поршня показали принципиально новое направление их совершенствования. Предсказанный ранее путь в этом направлении (разработка новых механизмов движения), был реализован русским изобретателем В.А.Конюховым. Исследования, проведенные на кафедре, показали, что существуют такие законы движения поршня, при которых значительно снижаются потери энергии в клапанах, и что имеются пути дальнейшего повышения КПД компрессора с управляемым законом движения поршня.

Более подробную информацию о приведенных в статье исследованиях и разработках, а также о библиографических источниках, в которых опубликованы их результаты, можно получить в МГТУ им.

Н.Э. Баумана на кафедре «Вакуумная и компрессорная техника» по адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская, д. 5, факультет « Энергомашиностроение», кафедра Э-5.

Тел. (095) 263-68-75

About the authors

P. I. Plastinin

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com

Dr. tech. sciences, prof.

References

Supplementary files