Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0203

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0203
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет"
Название доклада
Создание перспективных одноступенчатых компрессорных агрегатов высокого и среднего давления с повышенным ресурсом работы для систем жизнеобеспечения автономных подводных объектов
Докладчик
Юша Владимир Леонидович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель исследования: создание перспективных одноступенчатых компрессорных агрегатов высокого и среднего давления для систем жизнеобеспечения автономных подводных объектов и других технических объектов, обеспечивающих значительное увеличение ресурса работы (в 5–10 раз за счёт увеличения времени цикла и снижения температурных и знакопеременных напряжений в конструкции), повышение компактности, технологичности и ремонтопригодности (до 50% за счёт применения унифицированных малогабаритных агрегатов и элементов проточной части), по сравнению с существующими компрессорными агрегатами высокого давления.
Основные задачи, решаемые в ходе выполнения исследований:
- разработка безсмазочной квазиизотермической компрессорной ступени с давлением нагнетания в одной ступени до 10МПа;
- разработка программ и методик исследовательских испытаний макетных образцов основных элементов одноступенчатых компрессорных агрегатов высокого и среднего давления;
- выполнение патентных исследований;
- выполнение исследовательских испытаний безсмазочной квазиизотермической компрессорной ступени с предоставлением рекомендаций по конструированию таких ступеней.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность решаемой проблемы состоит в получении средних и высоких давления (более 5 МПа) в одной ступени с интенсивным внешним охлаждением при допустимой температуре нагнетаемого газа – 454 К.
Новизна исследований обусловлена отсутствием в настоящее время экспериментальных данных по параметрам состояния газа в рабочей камере тихоходных длинноходовых ступеней с отношением хода поршня к диаметру цилиндра более 10 и временем цикла более 0,5 с. Для исследования рабочих процессов поршневых воздушных тихоходных длинноходовых компрессоров с линейным приводом разработан стенд с целью получения экспериментальных данных по параметрам состояния газа в рабочей камере, а также выполнена верификация разработанной математической модели рабочего процесса тихоходной длинноходовой ступени на основании полученных результатов экспериментальных исследований. Для измерения давления применён датчик ДД16,0, а для измерения мгновенной температуры газа разработан датчик температуры на базе “бусинкового” термистора. Получены экспериментальные зависимости мгновенных параметров состояния газа (давления и температуры) в рабочей камере при водяном охлаждении цилиндра для различных режимов работы и без охлаждения рабочей камеры.
Получено экспериментальное подтверждение возможности сжатия газа до давлений более 5МПа в одной ступени. Экспериментально подтверждено существенное влияние внешнего охлаждения на температурный режим такого компрессора.
Описание исследования

Теоретические исследования

Исследуемым объектом является тихоходная длинноходовая ступень поршневого компрессора без смазки.

Проблема расчёта рабочих процессов тихоходных длинноходовых ступеней заключается в том, что отсутствуют данные по определению (расчёту) коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности рабочей камеры. Поскольку такие данные могут быть получены только для конкретных параметров ступени,  универсальной формулы в настоящее время не существует.

К тому же в тихоходных ступенях отсутствует возможность, из-за длительности цикла, пренебречь утечками – расчёт эквивалентных зазоров должен быть достаточно точным. Проведены экспериментальные исследования, получены экспериментальные данные по величине зазоров в цилиндропоршневой группе и клапанах, что нашло отражение в разработанной математической модели.

Для упрощения математической модели приняты следующие допущения:

  1. Непрерывность среды (сжимаемого газа);
  2. Гомогенность сжимаемого газа;
  3. Отсутствие влаги в сжимаемом газе;
  4. Одновременность изменения параметров рабочего тела по всему рабочему объёму;
  5.  Изменение потенциальной и кинетической энергии газа пренебрежимо мало;
  6. Давление рабочего газа в полостях всасывания и нагнетания имеет постоянное значение;
  7. Учитывается только конвективный теплообмен;
  8. Процесс теплопередачи принимается как квазистационарный;
  9. Постоянство коэффициента теплоотдачи на внутренних поверхностях рабочей камеры;
  10. Постоянство коэффициента теплоотдачи на внешних поверхностях.

В данной методике расчёта используется методы Рунге – Кутты. Наиболее известным из этих методов является классический четырёхэтапный метод четвёртого порядка точности. Этот метод обладает высокой точностью (на четыре порядка выше, чем у метода Эйлера). Погрешность данного метода не превышает 4 – 5%. Данная методика реализована в программном пакете PASCAL.

Экспериментальные исследования

Для исследования рабочих процессов поршневых воздушных тихоходных длинноходовых компрессоров с линейным приводом разработан стенд с целью получения экспериментальных данных параметров состояния газа в рабочей камере. В состав экспериментального стенда входит линейный привод (гидравлический), непосредственно ступень поршневого компрессора с системой охлаждения, система автоматизации и система сбора данных.

Для получения экспериментальных данных был использован датчик давления ДД16,0 и датчик температуры, выполненный на базе “бусинкового” термистора.

Для измерения температуры в настоящее время широко используются терморезисторы. Принцип действия их основан на том, что все полупроводники и проводники имеют температурный коэффициент сопротивления. Причем следует отметить, что все методы и некоторые полупроводники обладают положительным ТКС, при повышении температуры их сопротивление понижается. Термистор – это термометр сопротивления, выполненный на основе смешанных оксидов переходных металлов, классифицируются по типу температурного коэффициента сопротивления (положительным и отрицательным ТКС). При решении данной задачи применён термистор бусинкового типа (0,01) мм.

Экспериментальные исследования длинноходовой тихоходной ступени проводился при следующих условиях однозначности: геометрические условия -  диаметр цилиндра - 0,02 м; ход поршня – 0,2 м;  граничные условия – температура охлаждающей среды – 298К, охлаждающая среда – вода; физические условия – сжимаемый газ - воздух; начальные условия – начальная температура газа – 298 К, давление всасывания – 0,1 МПа, давление нагнетания – 1,5 - 10 МПа.

При установившемся режиме фиксируются характеристики с термопар  с помощью милливольтметра и тарировочных характеристик термопар (определяется температура стенок).

С помощью цифрового осциллографа на монитор персонального компьютера  выводятся графики изменения температуры и давления внутри полости цилиндра.

 Эксперимент проводится с интенсивным охлаждением водой путем прокачки воды насосом через полость в рубашке цилиндра.

Результаты исследования

Разработан и изготовлен макетный образец квазиизотермической тихоходной длинноходовой ступени.

Разработан экспериментальный стенд, позволяющий в автоматическом режиме снимать одновременно параметры газа в рабочей камере и интегральные характеристики ступени. Все данные выводятся на экран осциллографа и дублируются для дальнейшего анализа в виде графиков в удобном интерфейсе на мониторе персонального компьютера .

Получены результаты предварительных экспериментальных исследований тихоходной длинноходовой ступени с давлением нагнетания в одной ступени до 5,5МПа. Результаты свидетельствуют о снижении температуры нагнетаемого газа при данных условиях на 200-250 К по сравнению с существующими быстроходными ступенями. В связи с малым мёртвым объёмом (менее 1%) в длинноходовой ступени падение коэффициента подачи в зависимости от степени повышения давления по сравнению с быстроходными ступенями носит менее выраженный характер. Изменение коэффициента подачи до давления 5,5МПа – 0,99…0,97.

Необходимо отметить, что существующие компрессорные агрегаты позволяют получать сжатый газ с давлением до 1МПа в одной ступени. В разработанной ступени при проведении предварительных испытаний получено давление 5,5 МПа в одной ступени. При дальнейших испытаниях предполагается получить давление 10МПа в одной ступени сжатия.

По результатам экспериментальных исследований проведена корректировка разработанной математической модели в плане определения коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности рабочей камеры и введены, полученные экспериментально, значения эквивалентных зазоров в цилиндро-поршневой группе и клапанах для определения действительных утечек.

Для определения коэффициента теплоотдачи использована Формула Прилуцкого: 

a = λ×(ρ)xWхD1-хэкв

где  λ, μ, Dэкв и W – текущие значения соответственно коэффициента теплопроводности, динамической вязкости, эквивалентного диаметра цилиндра и условной скорости газа в рабочей камере; х– эмпирический коэффициент, для поршневых компрессоров чаще этот коэффициент принимается равным – 0,6.

Проведённые экспериментальные исследования установили, что для данной ступени при коэффициенте х=0,2 расхождение значений мгновенной температуры газа полученное экспериментально и при использовании данной методики не превышает 7,5 %.

Уравнение коэффициента теплоотдачи приобретает вид:

a = λ×(ρ)0,2W0,2D0,8экв

Разработанная математическая модель позволяет получать параметры сжимаемого газа с адекватной погрешностью: для мгновенного давления в рабочей камере – 2%; для температуры газа в рабочей камере не более 10 % .

Таким образом, основные достигнутые результаты:

- разработан и изготовлен экспериментальный стенд для испытаний тихоходной длинноходовой ступени для получения средних и высоких давлений;

- изготовлен макетный образец тихоходной длинноходовой ступени для получения давлений более 5 МПа;

- разработана и верифицирована методика расчёта рабочего процесса тихоходной длинноходовой компрессорной ступени. 

Практическая значимость исследования
Полученные результаты показывают возможность применения длинноходных тихоходных компрессорных агрегатов для получения чистого воздуха сжатого до давления 5-10 МПа в одной ступени в таких отраслях как медицина, военная и пищевая промышленность без использования громоздких многоступенчатых агрегатов. Применение линейного привода и большое время рабочего цикла по сравнению с компрессорами имеющим вращающиеся части делает агрегаты бесшумными, с минимальной вибрацией и более длительным сроком службы. Данные особенности позволяют найти их применение в местах, где вышеперечисленные параметры играют решающую роль.
В перспективе многорядные тихоходные компрессорные агрегаты могут быть использованы, как альтернатива мембранным и многоступенчатым поршневым компрессорам, благодаря отсутствию дополнительного оборудования, такого как межступенчатые и концевые охладители, за счёт сжатия газа в одной ступени. Таким образом, удастся улучшить массогабаритные характеристики и уменьшить стоимость компрессорной установки
Проведённые исследования и расчёты предполагают возможность изготовления целой линейки тихоходных длинноходовых компрессорных агрегатов с небольшой производительностью удовлетворяющих требованиях по безопасности (по температуре нагнетаемого газа). Унификация компрессорных ступеней в перспективе также снизит стоимость агрегатов, позволит легко производить замену агрегатов, не потребует сложной и дорогостоящей подготовки производства для запуска в серию.
Варианты компоновки таких агрегатов могут быть весьма разнообразны для получения требуемой производительности: рядное исполнение, L–образное расположение, расположение по дуге. То есть появляется достоинство - возможность расположение агрегата в соответствии с конфигурацией помещения, корпуса и т.д - компактность. Перспективным направлением производства может стать применение единого линейного привода для компрессорного агрегата, собранного из унифицированных ступеней.
Постер

Poster_template_TS.ppt