Влияние промежуточного охлаждения на показатели работы турбокомпрессоров

© Л.Н. Гильянова, 2003

YAK 622.233

Л.Н. Гильянова

ВЛИЯНИЕ ПРОМЕЖ"ТОЧНОГО ОХЛАЖАЕНИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ Т"РБОКОМПРЕССОРОВ

Основным показателем, от которого зависят энергетические характеристики ударных машин, является величина давления энергоносителя в камере рабочего хода поршня. Поэтому весьма важным представляется вопрос, насколько полно используется энергия сжатого воздуха, поступающего в машину, и каковы его утечки через поршень, резко ухудшающие этот показатель.

Для большинства отечественных и зарубежных серийно выпускаемых конструкций существует прямая зависимость качества работы этих машин от величины утечек через поршень. С одной стороны, зазоры должны быть минимальны для повышения мощности и экономичности машины. С другой стороны, при ударе в деталях возникают продольные волны деформации, в результате которых поперечные размеры изменяются весьма существенно, что может привести к заклиниванию деталей. В силу этого обстоятельства зазоры приходится увеличивать. С ростом зазоров в соединениях скорость бурения для различных машин колеблется в довольно широких пределах, снижаясь до 65-70 % первоначальной скорости, расход воздуха возрастает до 1,5 раз. Из приведенных соотношений видно, что использование резерва увеличения мощности ударных машин за счет создания средств герметизации пневмо-ударного механизма далеко полностью не исчерпано и требует детального рассмотрения.

Известны попытки применения уплотнительных колец на поршне ударных машин. Однако в условиях высокочастотных импульсных нагрузок в местах установки колец появляется усилие сухого трения, пропорциональная давлению в системе, отрицательно влияющая на параметры ударной машины. Срок службы таких колец невелик и составляет порядка 25-30 часов работы. Очевидно, единственно эффективным видом герметизирующих устройств в таких условиях могут быть бесконтактные лабиринтные уплотнения.

Исследования лабиринтных уплотнений, проведенные в 1997-2002 гг., доказали их эффективность для горного оборудования [1]. Разработана и опробована в производственных условиях модель пневмоударной машины (на базе перфоратора ПК-75), обеспечивающая снижение утечек через поршень в 2 раза [2]. Скорость бурения такой машины, согласно результатам промышленных испытаний, увеличилась на 18 %. Полученный эффект объясняется наличием на поршне лабиринтных уплотнений особого профиля, которые создают высокое гидравлическое сопротивление в зазоре, что позволяет более полно использовать энергию сжатого воздуха. Кроме того, лабиринтные уплотнения, равномерно распределяя давление в кольцевом пространстве, способствуют снижению силы трения между поршнем и цилиндром (по опытным данным, на

98 %), а высокий коэффициент гидравлического сопротивления, создаваемый лабиринтами, позволяет увеличить допустимый диаметральный зазор в соединении в 2 раза без снижения энергетических показателей машины. Увеличение возможного диаметрального зазора представляет интерес и с позиции упрощения технологии изготовления цилиндро-

поршневого соединения, а также с точки зрения увеличения его срока службы. Возможно также изготовление лабиринтных уплотнений на уже изношенных поршнях с целью их повторного применения. Применение такого рода уплотнений для всего класса пневматических и гидравлических ударных машин позволило бы заметно поднять энергетические характеристики бурового оборудования без существенных материальных затрат.

Работа ударного устройства характеризуется влиянием на него большого числа факторов. Проведение экспериментальных исследований ударных машин в натурных условиях - весьма трудоемкий и дорогостоящий процесс, поэтому предпочтительнее становятся исследования, основанные на методах моделирования. Таким образом, для более углубленного изучения достигнутых результатов и распространения их на весь класс ударных машин необходимо рассмотреть математическую модель, описывающую процессы, происходящие в лабиринтных уплотнениях.

Вопросы расчета нестационарного движения теплопроводного газа в лабиринтах, как и в любых каналах сложной формы, изучены недостаточно. Трудности аналитического характера определяются весьма сложной математической постановкой (краевые задачи для нелинейных вихревых уравнений сжимаемого газа эллиптико-гиперболического типа), поэтому лишь численные методы с использованием быстродействующих ЭВМ и тщательно проведенные эксперименты позволят получить полную информацию и определить необходимые характеристики течения. Для указанного рода задач целесообразно применять методы «сквозного счета», позволяющие проводить вычисления без выделения особенностей. При этом естественно использовать здесь и нестационарные подходы (типа, например, метода «частиц в ячейках» Харлоу [3]), применение которых граничит с проведением численного эксперимента. Возможно, что отдельные локальные свойства численных решений определятся при этом недостаточно точно, но, по-видимому, только таким путем можно получить общие характеристики сложных явлений и картину течения в целом.

В методе «частиц в ячейках» область решения разбивается неподвижной (эйлеровой) сеткой, а сплошная среда рассматривается как совокупность частиц (лагранжева сетка частиц), которые движутся через эйлеровы ячейки. Частицы служат для определения параметров самой жидкости (массы, энергии, скорости), в то время как эйлерова сетка используется для определения параметров поля (давления, плотности, температуры). По указанному принципу О.М. Белоцерковским и Ю.М. Давыдовым разработаны

а

б

численные схемы нестационарного метода крупных частиц для решения газодинамических задач [4]. В модели присутствуют дифференциальные уравнения Эйлера в дивергентном виде

дрР + сИу(рЖ) = 0,

дри + Шу(рЖ ) + ддР = 0, дг 4 ’ дх

дР + шУрж )+д-Р = 0,

дг

ду

+ Шу (рЕЖ ) + Шы(рЖ ) = 0.

Здесь р - плотность потока, IV- его скорость (и V - составляющие вдоль х, у соответственно), р - давление, Е- удельная полная энергия, t - время.

Для замыкания системы (1) используется уравнение состояния

Р = P(P, Е).

Изолинии давления

Анализ контрольных тестов и результатов сравнений показывает, что погрешность расчетов методом крупных частиц не превышает 2-3 %.

На рис. 1 (а-в) демонстрируются результаты расчетов для лабиринтных уплотнений различной формы при фиксированном перепаде давлений: давление на входе принято равным 0.5 МПа, на выходе -0.2 МПа. Для рассматриваемых зазоров градиент периферийного давления вокруг поршня пренебрежимо мал по сравнению с градиентом давления вдоль поршня. Это дает право на двумерное решение задачи. Зазор в соединении принят равным 0.1 мм, что соответствует максимально допустимому зазору в цилиндропоршневом соединении; глубина лабиринта - 0.8 мм. Везде на графиках приводятся линии скорости (векторы) и изолинии давления (сплошные линии).

Наличие лабиринтной канавки значительно усложняет картину течения, вызывая деформацию потока. Струя, входящая в камеру лабиринта, расширяется, и при этом часть потока отклоняется, образуя циркуляционную зону возвратного течения с вихревой структурой. Эти зоны в рассматриваемых случаях являются замкнутыми и локализуются в глубине камеры лабиринта, отвлекая на себя часть турбулентной энергии основного потока. Поток в зонах возвратно-циркуляционного течения существенно дозвуковой и весьма разрежен (плотность и давление газа сравнительно малы). При выходе из камеры лабиринта во всех случаях имеется точка отрыва потока 5 (интересно отметить, что точка отрыва лежит несколько дальше угловой точки лабиринта). В окрестности точки отрыва образуется зона с резко пониженным давлением, коэффициент снижения давления в этой области, как минимум, равен двум. При заданных условиях лабиринт работает в критическом режиме: скорость потока на входе в уплотнение ниже скорости звука, в то время как на выходе скорость потока уже сверхзвуковая.

В процессе счета наглядно представляется последовательное развитие течения во времени. В начале расчета процесс течения явно нестационарный, наблюдаются колебания скоростных параметров, зарождение парных вихрей, скачки уплотнения. По истечении определенного времени наблюдается стабилизация процесса. Отметим, что если при расчетах в прямолинейной щелевой части уплотнения параметры потока устанавливаются сравнительно быстро, то локальные срывные области в зоне лабиринта продолжают «дышать» в процессе вычислений, что связано, по-видимому, с физической природой (нестацио-нарностью) самого явления. Применение здесь разностных схем сквозного счета нестационарного метода крупных частиц кажется особенно оправданным.

Такой численный эксперимент позволяет рассчитывать влияние различных параметров конструкций лабиринтов на работу уплотнения и, варьируя их, оптимизировать конструкцию, сравнивать различные варианты конструкций по потерям полного давления, коэффициентам расхода, колебаниям параметров. Расчеты, проводимые с обязательной калибровкой на контрольных моделях с известными

іара :вяз. ггоя П ивн $акл пщ цих 50 зд 'а и >фф іаби

КОІ

г

ю

И) ф ас с; зл 5 у

тей,

по-

}эек-

кры-

одя-

?нно

рин-

1Ь цего

отка

зб

(а >ных

буровых машин, имеющих разные энергоносители, диаметральные зазоры, размеры поршня, рабочие давления и т.д.

Создание ударных машин с лабиринтными уплотнениями, их внедрение в производство позволят при работе на обычном давлении увеличить производительность бурения. Имеющаяся тенденция перехода на повышенное давление только увеличит эффективность применения лабиринтных уплотнений в горных машинах.

осковскии государственный горный университет.

Давление рабочей жидкости в поршневой полости стойки

Несущая способность гидравлической стойки плунжерного типа повышенной несущей способности

Несущая способность гидравлической стойки типа М-138

азличных типов механи- ких мгної

Сравнение несущей способности гидравли 1ых крепеи в условиях кания кі

условиях горно

!ных крепеи ческих стоек г Ькстремалии

геологических нагрузок остро стоит необходимость использования механизированных крепей нового технического уровня и создания принципиально нового гидравлического оборудования, с улучшенными рабочими характеристиками и повышенной надежностью имеющейся гидроаппаратуры.

В очистных забоях с трудноуправляемой кровлей, склонной к зависанию и периодическому крупноблочному обрушению, имеют место повреждения механизированных крепей в следствии резких осадок кровли, средняя скорость которых составляет 126 мм/с (максимальная - до 230 мм/с), а опускание 0,7...8 мм. Время действия скачкообразного изменения нагрузки на крепь составляет 0,05-1,2с. Повышенное

кр

МПа. Резу

о, 2003

РЫШЕННОИ НЖЕРНОГО X КРЕПЕИ

дг вление, возникающее в эйках в следствии высо-енных скоростей опус->вли, достигает 70-100 пьтатом этого являются деформация, раздутие или разрыв гидроцилиндров стоек, а также повреждение манжетных уплотнений.

Для эффективного поддержания призабойного пространства необходимо применять крепи, приспособленные к динамическим нагрузкам и условиям повышенного давления. Работы по предотвращению негативных последствий резкой и скачкообразной осадки кровли на механизированные крепи идут путПм активного воздействия на систему «крепь - боковые породы», которое включает разупрочнение, закладку, рациональную отработку лав и увеличение начального распора и несущей способности мехкрепи, что приводит как к снижению нагрузок на крепь со стороны кровли,так и к

уменьшению разности между нагрузкой и несущей способностью крепи, а также путПм пассивной защиты мехкрепи, в следствии увеличения прочности всей мехкрепи.

При определении величины несущей способности крепи на характер горного давления в условиях труднообрушающихся кровель применение крепей повышенной несущей способности не исключает резкие осадки кровли, но значительно уменьшает вероятность появления деформаций крепей за счет повышения их прочности. Сопротивление крепи напрямую зависит от несущей способности применяемых в ней гидравлических стоек.

Несущую способность стойки можно повысить двумя путями:

• увеличить рабочий диаметр стойки (ее поршня);

• увеличить давление рабочей жидкости в стойке.

В первом случае увеличивается вес стойки и, следовательно, металлоемкость крепи.

Во втором случае увеличение давления в стойке двойной гидравлической раздвижности приведет к увеличению напряжений в узлах стойки, особенно в первом штоке, в котором давление в два и более раз превышает давление в цилиндре.

Данная проблема может быть решена использованием гидравлических стоек плунжерного типа с устройством для повышения несущей способности. Одна из таких стоек представлена на рис. 1. Гидростойка состоит из цилиндра 1 и плунжера 2. В плунжере 2 встроено устройство для повышения несущей способности, состоящее из штока 3 с поршнем 4, соединенных с дном цилиндра по которым передвигается плунжер 2 с удлинителем 6.

Работа гидравлической стойки плунжерного типа с устройством для повышения несущей способности осуществляется следующим образом:

При подаче рабочей жидкости под давлением Р в подвод П рабочая жидкость попадает в полость ПП и начинает давить на плунжер с силой Р1=(пБ2/4-п^/4) Р. Из полости ПП через отверстие в штоке 3 рабочая жидкость также поступает в полость ПД и давит на плунжер 2 с силой Р2=(пБ12/4) Р.

Таким образом несущая способность гидравлической стойки составляет ХР=Р1+Р2, при этом ХР> Ризв, где Ризв - несущая спо-

Рис. 1. Гидравлическая стойка плунжерного типа с устройством для повышения несущей способности

собность гидростойки известной конструкции.

При подаче рабочей жидкости в подвод П плунжер 2 может передвигаться до упора в поршень 4, при этом рабочая жидкость из полости ПШ выдавливается в отвод Ш через отверстие в плунжере 2.

При подаче рабочей жидкости под давлением Р в подвод Ш рабочая жидкость через отверстие в плунжере 2 поступает в полость ПШ устройства для повышения несущей способности и перемещает плунжер 2 до упора в дно корпуса.

При этом гидростойка складывается. Усилие складывания составляет:

Рскл=(пВ12/4- то!2/4) Р

Результатами стендовых испытаний модификаций стоек повышенной несущей способности с рабочим диаметром 220 мм с настроенным клапаном на давление 400 кг/см2 относительно прототипа стойки М138ТП.01.04.000 с рабочим диаметром 220 мм, а так

же испытания секций крепи М138ТП со стойками повышенной несущей способности подтвердили увеличение несущей способности секции и стоек на 32.2 % и составила 200 т. (см. рис. 2). А так же были проведены испытания стоек повышенной несущей способности с настроенным клапаном на давление 500 кг/см2 при котором несущая способность стойки составила 250 т.

В настоящее время проводятся испытания гидравлической стойки плунжерного типа повышенной несущей способности на шахте «Комсомольская» «Воркутауголь», в ходе которых определена работоспособность гидростойки, надежное функционирование на всех режимах и возможность получения расчетных параметров, а также наличие определенных преимуществ перед гидростойками, применяющимися в настоящее время в механизированных крепях.

Приведенные выше данные позволяют оценить целесообразность создания и применения гидравлических стоек плунжерного типа повышенной несущей способности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Садыков Н.М, Орлов А.А. Работа стоек ГС при резкой 3. Попов В.Л. Горное давление и рудничная крепь. - М.:

осадке кровли. «Уголь Украины»; 1961, №9. Госгортехиздат, 1962.

2. Леконцев Ю.М. Исследование режимов работы механизированных крепей в условиях трудноуправляемых кровель. Кемерово: КузНИУИ, 1977.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------------------------------------------

Мисько Д.В. — аспирант, Московский государственный горный университет.

Файл: ГИЛЬЯН~1

Каталог: G:\№ работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB7_03

Шаблон:

C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.do

tm

Заголовок: РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ЛАБИРИНТНЫХ

УПЛОТНЕНИЙ Содержание:

Автор: The President

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания: 02.06.2003 9:48:00

Число сохранений: 12

Дата сохранения: 08.11.2008 23:05:00

Сохранил: Таня

Полное время правки: 23 мин.

Дата печати: 08.11.2008 23:55:00

При последней печати страниц: 4

слов: 2 395

знаков: 13 652