Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0068

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0068
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет"
Название доклада
Разработка и проектирование энергетических машин объемного действия нового типа с повышенно интенсивным теплообменом в зоне рабочих органов
Докладчик
Щерба Виктор Евгеньевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью данного проекта является создание принципиально новых конструктивных схем, компоновок и образцов источников энергии сжатых газов и жидкостей под давлением путем их агрегатирования на единой платформе и с единым источником механической энергии (гибридных энергетических машин). Такие машины позволят снизить материалоемкость источников энергии ориентировочно на 30%, а за счет использования рабочей жидкости для активного охлаждения компримируемого газа поднять КПД компрессорных машин ориентировочно на 5%, и в отдельных случаях за счет исключения активного трения в рабочих органах увеличить экономичность до 7%.
Общей задачей проекта является изучение границ возможности совмещения рабочих процессов и конструкций компрессоров и насосов (агрегатирование с разной степенью совмещения рабочих камер) с целью существенного повышения КПД компрессоров средней и малой производительности с одновременным снижением общей материалоемкости агрегата.
Актуальность и новизна исследования
На производство энергии в виде сжатого газа, которая используется в машиностроении, нефтехимической, пищевой, фармацевтической промышленности, металлургии и др. только стационарными машинами в развитых странах тратится около 10% всей вырабатываемой электроэнергии, что, например, для России ориентировочно равно потреблению всей железнодорожной сети страны. Ежегодно в России выпускается более 120 тыс. единиц крупного оборудования, служащего для создания жидкости под давлением. В то же время, подавляющее большинство предприятий по обработке материалов и созданию различного рода продукции одновременно используют и газ и жидкость под давлением, которые производятся отдельными машинами, и большая часть которых работает по принципу получения потока рабочей среды под давлением за счет изменения ее объема – машины объемного действия. Это не только создает большие сложности в компоновке оборудования и линий питания, но и не дает возможности кардинально улучшить энергетические характеристики системы гидро- и пневмоснабжения широкого класса предприятий. Таким образом, разработка и создание гибридных энергетических машин объемного действия нового типа, предназначенных для производства энергии в виде сжатых газов и жидкостей под давлением, с уменьшенной материалоемкостью (до 30 %, за счет агрегатирования двух машин компрессора и насоса), с повышенной энергоэффективностью (не менее 5%, за счет использования жидкостного охлаждения стенок рабочей камеры и тела рабочего органа компрессорной секции) по сравнению с не агрегатированными машинами, является весьма актуальной задачей.
Описание исследования

В рамках выполнения работ по Соглашению, на первом этапе:

  • проведен аналитический обзор современной научно-технической литературы, затрагивающей научно-техническую проблемутехнических и технологических решений конструкций агрегатированых машин для сжатия газов и жидкостей, и дано обоснование выбора направления исследования; 
  • проведены патентные исследования по направлению «Машины объемного действия поршневого и ротационного типов для одновременного и попеременного сжатия газов и жидкостей»;
  • проведены теоретические исследования путей создания гибридных энергетических машин объемного действия.
  • разработаны схемы совместной работы агрегатов поршневой ГЭМОД и ротационной ГЭМОД для сжатия газов и жидкостей (одновременно и попеременно) и дано описание режимов работы; 
  • разработана методика расчета рабочих процессов компрессорной и насосной полостей в гибридных энергетических машинах объемного действия в сопряженной постановке;
  • разработана математическая модель, моделирующая рабочие процессы поршневой ГЭМОД; 
  • разработана ЭКД на экспериментальный образец поршневой ГЭМОД;
  • изготовлен экспериментальный образец поршневой ГЭМОД.

На втором этапе:

  • разработана математическая модель, моделирующая рабочие процессы ротационной ГЭМОД и проведен выбор рациональных значений основных конструктивных параметров;
  • разработана ЭКД на экспериментальный образец ротационной ГЭМОД;
  • разработана ЭКД на испытательный стенд для поршневой ГЭМОД.

На третьем этапе:

  • разработана ЭКД на испытательный стенд для ротационной ГЭМОД;
  • Изготовлен испытательный стенд для поршневой ГЭМОД;
  • Разработана программа и методики испытаний экспериментального образца поршневой ГЭМОД;
  • Разработана программа и методики испытаний экспериментального образца ротационной ГЭМОД;
  • Изготовлен экспериментальный образец ротационной ГЭМОД.

На четвертом этапе:

  • изготовлен испытательный стенд для ротационной ГЭМОД;
  • проведены испытания экспериментального образца поршневой ГЭМОД на стенде;
  • проведены испытания экспериментального образца ротационного ГЭМОД на стенде;
  • разработано программное обеспечения  по расчету рабочих процессов, расходных и энергетических  характеристик гибридных энергетических машин объемного действия по заданным параметрам (давление, производительность, свойства окружающей среды), включающая разработку программной документации и  испытание программного обеспечения (по ГОСТ 19.102-77). 
Результаты исследования

В результате работ по Соглашению были разработаны и изготовлены две перспективные конструкции экспериментальных образцов гибридных энергетических машин объемного действия (ГЭМОД), а именно поршневая и ротационная ГЭМОД. Для проведения исследований экспериментальных образцов были разработаны и собраны испытательные стенды, которые позволяют проводить испытания нагнетательного блока ротационной и поршневой ГЭМОД. 

По разработанным программам и методикам были проведены испытания экспериментальных образцов ПГЭМОД и РГЭМОД. В результате проведенных испытаний было установлено, что:

- экспериментальные образцы ПГЭМОД и РГЭМОД спроектированы и изготовлены на высоком научно – техническом уровне с применением перспективных технологий;

- технические решения, использованные в экспериментальных образцах ПГЭМОД и РГЭМОД, обеспечивают выполнение предъявляемых к ним требований, в соответствии с ТЗ;

- экспериментальные образцы ПГЭМОД и РГЭМОД работоспособны, их технические характеристики соответствуют требованиям ТЗ;

Таким образом, цели испытаний – определение и подтверждение технических характеристик и показателей назначения, заданных по ТЗ, экспериментального образца ПГЭМОД и РГЭМОД, достигнуты полностью. 

Кроме того, было разработано программное обеспечение «Расчет рабочих процессов гибридных энергетических машин объёмного действия». Программное обеспечение позволяет получать сведения о рабочих процессах нагнетательного блока ГЭМОД, а так же оно позволяет строить  индикаторные диаграммы рабочих полостей, диаграммы движения запорных элементов самодействующих клапанов, рассчитывать производительность насосной и компрессорной полости, мгновенную и интегральную подачу газа и жидкости. Результаты расчетов выводятся в виде графиков и таблиц. Причем область вывода графиков позволяет отображать более одной функции. Разработанное ПО прошло успешно все испытания и введено в эксплуатацию.

Полных аналогов проводимым по проекту работам в настоящее время в мировой практике нет. Основные направления мирового машиностроения, занимающегося разработкой энергетических машин объемного действия, связаны с повышением качества выпускаемой продукции (повышение надежности, работоспособности и т.д.) за счет применения новых материалов, компьютеризации управления этими машинами и улучшения их эргономических свойств. Все эти работы направлены на повышение конкурентоспособности продукции за счет совершенствования второстепенных показателей и не предполагают качественного положительного изменения основных характеристик – материалоемкости и потребления энергии. 

Результаты работы полностью соответствуют Техническому заданию проекта и план-графику исполнения обязательств.

Практическая значимость исследования
Гибридные энергетические машины объемного действия нового типа с повышенно интенсивным теплообменом в зоне рабочих органов, предполагается использовать:
1. При производстве энергии сжатого воздуха и жидкости под давлением в различных отраслях народного хозяйства, в основном – в обрабатывающем оборудовании, в т.ч. для привода рабочих и вспомогательных элементов роботов и манипуляторов, приводов основного и вспомогательного движений режущего инструмента, в фиксирующих, транспортирующих и позиционирующих устройствах.
2. На предприятиях технического обслуживания и ремонта различных видов техники (привод пневматического и гидравлического инструмента, зажимных приспособлений, гидравлических подъемников и прессов).
3. В бытовой сфере (распыление и перекачка жидкостей).
4. В качестве агрегатов для подачи распыленного топлива в котельных установках и двигателях внутреннего сгорания.
Созданные математические модели и разработанные методики расчета поведения газовой и жидкостной фаз в рабочих объемах и уплотнениях гибридных машин, могут применяться для исследования рабочих процессов других типов объемных машин (компрессоров и насосов).