АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РУБАШКИ ОХЛАЖДЕНИЯ ТИХОХОДНОЙ КОМПРЕССОРНОЙ СТУПЕНИ ДЛИННОХОДОВОГО ПОРШНЕВОГО АГРЕГАТА НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЦИЛИНДРА

МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ПРОЦЕССЫ

УДК 62-97-98

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РУБАШКИ ОХЛАЖДЕНИЯ ТИХОХОДНОЙ КОМПРЕССОРНОЙ СТУПЕНИ ДЛИННОХОДОВОГО ПОРШНЕВОГО АГРЕГАТА

НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ

ЦИЛИНДРА

И.П. Аистов, К. А. Вансович, С.С. Бусаров, А.В. Недовенчаный, Д.С. Титов, Р.Э. Кобыльский, М.А. Марченко

Рассматривается оценка влияния конструктивных параметров рубашки охлаждения тихоходной ступени длинноходового поршневого агрегата на напряженно-деформированное состояние стенок цилиндра. Приведены результаты анализа для нескольких вариантов конструкции рубашки охлаждения агрегата, которые показали, что основной вклад в напряженно-деформированное состояние стенок цилиндра оказывают температурные нагрузки вследствие рабочего процесса сжатия газа. Возникающая излишняя тепловая нагрузка на конструктивные деталей агрегата приводит к необходимости использования внешней системы охлаждения. Приведенные результаты показывают возможность оптимального проектирования конструкции внешней системы охлаждения тихоходных ступеней поршневых агрегатов.

Ключевые слова: длинноходовой поршневой агрегат, рубашка охлаждения, конструктивные параметры, напряженно-деформированное состояние, температурное воздействие.

В настоящее время использование тихоходных длинноходовых поршневых агрегатов (время цикла т > 2 с) рассматривается одним из перспективных направлений совершенствования насосной и компрессорной техники [1-3]. Конструктивной особенностью длинноходовых поршневых агрегатов является повышенная длина цилиндра: относительный показатель длины имеет значение у = SH Шц > 10 (SH - ход поршня; йц - диаметр цилиндра) [4]. Агрегат в режиме работы компрессора позволяет обеспечить сравнительно низкую температуру нагнетаемого газа (до 350 - 450 К) при достигаемой величине степени сжатия е = рн/рвс 100 и более в одной ступени (рн, рвс - давления нагнетания и всасывания в полостях тихоходной ступени) [5, 6]. Однако, как показали исследования [7], интенсивность теплоотдачи сжимаемого газа непосредственно в рабочей камере тихоход-

ной ступени агрегата оказывает существенное влияние на эффективность рабочего цикла сжатия газа, на температурное состояние элементов конструкции, на условия функционирования и массогабаритные параметры агрегата. Возникающая излишняя тепловая нагрузка на конструктивные детали агрегата приводит к необходимости использования внешней системы охлаждения [8-11]. Одним из основных элементов рассматриваемой ступени по требованиям к шероховатости внутренней поверхности является цилиндр. Для улучшения технологичности конструкции возможно применение в качестве цилиндра труб, используемых в фармацевтической отрасли. Однако прочностные характеристики таких труб не позволяют сжимать в них газ до 10МПа и более. Поэтому применение рубашек охлаждения в качестве элемента, обеспечивающего требуемый температурный режим ступени по мнению автором, может являться и упрочняющим элементом, причём достаточно организации охлаждения на верхней части компрессорной ступени [7], где как раз и требуется повышение прочности конструкции.

Таким образом, оценка возникающего в процессе работы агрегата напряженно-деформированного состояния цилиндра тихоходной ступени является актуальной задачей для моделирования новых вариантов тихоходных ступеней агрегатов и внешней системы их охлаждения.

Была рассмотрена конкретная конструкция поршневого компрессора, конструктивные параметры которого (ход поршня £ = 0.5 м; диаметр цилиндра = 0.05 м) выбраны согласно исследованиям авторов в работах [8, 9, 10, 11]. Приведен анализ влияния конструктивных параметров рубашки охлаждения тихоходной ступени длинноходового поршневого компрессора на напряженно-деформированное состояние цилиндра. Рубашка охлаждения распространена по длине цилиндра тихоходной ступени компрессора в зоне нагнетания давления на величину 0.150 м (рис. 1). Расчетные значения температуры стенки цилиндра (при давлении нагнетания рн = 12 МПа): в зоне охлаждения - 425 К (1520С); вне зоны охлаждения -410 К (1370С).

як дам

Рис. 1. Расчетная схема поршневого агрегата с рубашкой охлаждения

в ПКЛ№У8 ЖИ

404

Для реализации конкретной конструкции длинноходового компрессорного агрегата в качестве цилиндра тихоходной ступени выбрана труба стандарта DIN 11866-2016, изготовленная из стали марки AISI 304L/316L и обладающая необходимыми параметрами шероховатости внутренней поверхности Ra < 0.25 мкм (Ra - среднеарифметическая высота микронеровности внутренней поверхности трубы) [12]. Для трубы из стали марки AISI 304L/316L с внутренним диаметром dn = 50 мм и толщиной стенки 5 = 1,5 мм расчетное значение допустимого давления с учетом коэффициентов запаса прочности составляет [р] = 6 МПа при температуре стенки трубы 420 К (1470С) (для температуры стенки трубы 293 К (200С) -[р] = 7,8 МПа). Предел текучести стали марки AISI 304L/316L составляет Oyieid = 205 МПа [13].

Пересчет указанного внутреннего давления на значения кольцевых напряжений (или окружных, направленных по касательной к окружности цилиндра) öt в стенках цилиндра в соответствии с теорией тонких оболочек [14] дает величину допустимых значений кольцевых напряжений в стенках цилиндра поршневого агрегата:[о^ ~ 150 МПа (1).

S =[р]' 2ц.

2 о

Рассмотрим возможность использования рубашки охлаждения, расположенной в зоне нагнетания длинноходового компрессора, в качестве конструктивных элементов для повышения жесткости и прочности цилиндра тихоходной ступени при действии давлении нагнетания рн = 12 МПа.

Для оценки напряженно-деформированного состояния стенок цилиндра тихоходной компрессорной ступени длинноходового поршневого агрегата необходимо: во-первых, провести анализ напряженного состояния в стенках цилиндра, которое оценивают по уровню эквивалентных напряжений oeq; во-вторых, провести анализ деформации стенок цилиндра (перемещения в радиальном направлении) AR, которые определяют величину условного зазора в цилиндропоршневом уплотнении тихоходной ступени агрегата и непосредственно влияют на эффективность рабочих процессов в поршневых агрегатах [15].

Величину эквивалентных напряжений oeq для нержавеющих сталей, как правило, оценивают по критерию Мизеса [16] (критерий удельной потенциальной энергии формоизменения) по формуле

/2 2

seq +sm-st sm ,

где om - меридиональные (продольные) напряжения в стенках цилиндра, действующие вдоль его оси.

Оценку напряженного состояния в стенках цилиндра произведем по предельному напряженному состоянию в стенках цилиндра, а именно, по величине предела текучести стали марки AISI 304L/316L öyield, принимая, что [17]: üeq < öyieid.

Для решения задачи использован программный комплекс ANSYS Workbench Mechanical (ПК ANSYS WM) [18]. В работах [19 - 24] рассмотрена оценка напряженно-деформированного состояния стенок цилиндра поршневого агрегата при нагружении внутренним давлением рабочей среды в зоне нагнетания, в том числе с учетом температурного воздействия. В работе авторов [8-11] проведен анализ напряженно-деформированного состояния стенок цилиндра тихоходной ступени поршневого агрегата. Расчетная модель длинноходового поршневого агрегата построена на основе программного комплекса ANSYS Workbench Mechanical (ПК ANSYS WM). В работе [25] представлена верификация предложенной конечно-элементной методики оценки напряженно-деформированного состояния стенок цилиндра тихоходной ступени поршневого агрегата на основе методов тензометрии.

Модель упрощена по сравнению с реальной конструкцией агрегата. Основными элементами деформируемой модели тихоходной ступени поршневого агрегата являются: тонкостенная цилиндрическая оболочка (материал стенки - нержавеющая сталь, механические свойства которой приняты из библиотеки стандартных материалов ПК Ansys WM; диаметр цилиндра dn = 0.05 м; толщина стенки 5 = 1.5 мм), поршень с уплотнитель-ными кольцами (ход поршня S = 0.5 м; материал уплотнения - Флубон 20), рубашка охлаждения расположена в зоне всасывания со стороны клапанной группы на величину 0.150 м. Давление нагнетания рабочей среды рн = 12 МПа, значения температуры стенки цилиндра принимались: в зоне охлаждения - 425 К (1520С), вне зоны охлаждения - 410 К (1370С). На рис. 2 в качестве иллюстрации, приведена сетка конечных элементов стенок цилиндра тихоходной ступени агрегата, поршня и рубашки охлаждения.

На рис. 3 и 4 качестве примера приведены результаты расчета радиальных перемещений AR и эквивалентных напряжений оэкв для стенок цилиндра тихоходной ступени агрегата в зоне нагнетания при положении поршня X в конце хода нагнетания (X = 490 мм, 0 < X < S) и давлении нагнетания рн = 10 МПа согласно расчетной индикаторной диаграмме [26].

Рис. 2. Сетка конечных элементов для моделирования поршневого

агрегата в ПКЛ№У8 ЖИ

406

0.04 40.00 М.06 ы

^ I

7D.0H ЙО.М

Рис. 3. Пример расчета в ПК ANSYS WMрадиальных перемещения AR стенок цилиндра поршневого агрегата, мм

Equivalent Stress

Рис. 4. Пример расчета в ПК АМ8У8 WM эквивалентных напряжений в стенках цилиндра поршневого агрегата, МПа

На рис. 5 - 8 приведены результаты расчетов величин эквивалентных напряжений аед (рис. 5, а; 6, а; 7, а; 8, а) в стенках цилиндра и радиальных перемещений АЯ (рис. 5, б; 6, б; 7, б; 8, б) стенок цилиндра поршневого компрессорного агрегата для различных вариантов конструкции тихоходной ступени с рубашкой (рис. 5 и 6) и без рубашки (рис. 7 и 8) охлаждения и с закреплением цилиндра (рис. 5 и 7) и без закрепления (рис. 6 и 8) со стороны клапанной группы при давлении нагнетания рн = 10 МПа.

Представленные на рис. 5 - 8 результаты показывают, что расчетные значения эквивалентных напряжений ое9 в стенках цилиндра тихоходной компрессорной ступени лежат в пределах 430...450 МПа для конструкции с закреплением цилиндра со стороны клапанной группы и в пределах 160.180 МПа для конструкции без закрепления цилиндра со стороны клапанной группы наличия рубашки охлаждения. Расчетные значения ра-

407

диальных перемещений АЯ стенок цилиндра лежат в пределах 0.035...0.045 мм

а б

Рис. 5. Расчеты для конструкции тихоходной ступени с рубашкой охлаждения и с закреплением цилиндра со стороны клапанной группы

(давление в зоне нагнетания -10 МПа): а - эквивалентные напряжения, МПа; б - радиальные перемещения стенок цилиндра, мм

а б

Рис. 6. Расчеты для конструкции тихоходной ступени с рубашкой охлаждения и без закрепления цилиндра со стороны клапанной группы

(давление в зоне нагнетания -10 МПа): а - эквивалентные напряжения, МПа; б - радиальные перемещения стенок цилиндра, мм

Как уже отмечалось, для анализа результатов оценки напряженно-деформированного состояния стенок цилиндра тихоходной компрессорной ступени длинноходового поршневого агрегата необходимо учитывать следующие факторы:

1. Допустимая величина действующих в стенках цилиндра эквивалентных напряжений oeq не должна превышать предела текучести для стали марки AISI 304L/316L oy-ew = 205 МПа. Данное условие соблюдается для конструкции тихоходной компрессорной ступени без закрепления цилиндра со стороны клапанной группы.

2. Оптимальная величина условного зазора в цилиндропоршневом уплотнении тихоходной ступени агрегата (или, значения радиальных перемещений AR стенок цилиндра), обеспечивающая необходимую эффективность рабочих процессов в поршневых агрегатах, для манжетных уплотнений лежит в пределах до 50 мкм (0.05 мм). Данное условие соблюдается для конструкции тихоходной компрессорной ступени с рубашкой охлаждения цилиндра поршневого агрегата.

О 60 120 180 240 300 360 420 480 540 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540

a б

Рис. 7. Расчеты для конструкции тихоходной ступени без рубашки охлаждения и с закреплением цилиндра со стороны клапанной группы

(давление в зоне нагнетания -10 МПа): а - эквивалентные напряжения, МПа; б - радиальные перемещения стенок цилиндра, мм

200 150 100 50 0

О 60 120 180 240 300 360 420 480 540 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540

а б

Рис. 8. Расчеты для конструкции тихоходной ступени без рубашки охлаждения и без закрепления цилиндра со стороны клапанной группы

(давление в зоне нагнетания -10 МПа): а - эквивалентные напряжения, МПа; б - радиальные перемещения стенок цилиндра, мм

Анализ напряженно-деформированного состояния цилиндра тихоходной компрессорной ступени длинноходового поршневого агрегата показывает, что рост эквивалентных напряжений в стенках цилиндра для вариантов конструкции с закреплением цилиндра со стороны клапанной группы и рост радиальных перемещений стенок цилиндра для вариантов конструкции без рубашки охлаждения обусловлен, в первую очередь, температурными воздействиями со стороны рабочего газа. В этой связи можно рекомендовать конструкцию тихоходной компрессорной ступени длинно-ходового поршневого агрегата с рубашкой охлаждения без закрепления цилиндра со стороны клапанной группы.

Список литературы

1. Almasi A. Reciprocating Compressor Optimum Design and Manufacturing with respect to Performance, Reliability and Cost World Academy of Science // Engineering and Technology. 52. 2009. [Электронный ресурс] URL: DOI: 10.1.1.193.4024.

2. Almasi A. Optimum selection and design of reciprocating compressor for petroleum services // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part E. Journal of Process Mechanical Engineering. 2009. DOI: 10.1243/ 09544089JPME296.

3. Yusha V.L., Karagusov V.I., Busarov S.S. Modeling the work processes of slow-speed, long-stroke piston compressors // Chemical and Petroleum Engineering. 2015. Vol. 51(3). P. 177-182. DOI: 10.1007/s10556-015-0020-5.

4. Yusha V.L., Busarov S.S., Gromov A.Yu., Assessment of the Prospects of Development of Medium-Pressure Single-Stage Piston Compressor Units / Chemical and Petroleum Engineering. 53 (7-8). DOI: 10.1007/s10556-017-0362-2.

5. Yusha V.L., Busarov S.S., Nedovenchanyi A.V., Gromov A.Yu., Va-sil'ev V.K. Calculating and Parametric Analysis of the Work of the Air Single-stage Medium Pressure Reciprocating Compressor of on the Basis of the Oil-free Long-stroke Slow-speed Stage, International Conference on Oil and Gas Engineering, OGE-2017. P. 020041 - 1 - 020041 - 8.

6. Yusha V.L., Busarov S.S., Nedovenchanyi A.V., Sagin B.S., Gromov A.Yu. Analysis of thermal state of intensely cooled long-stroke low-speed piston compressor stage // Chemical and Petroleum Engineering. 2017. Vol. 52. Р. 597 -601. DOI: 10.1007/s10556-017-0239-9.

7. Бусаров С.С., Буханец Д.И., Титов Д.С. Анализ эффективности внешнего охлаждения тихоходных длинноходовых бессмазочных поршневых компрессорных ступеней // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2018. Т. 2. № 3. P. 13-20. DOI: 10.25206/2588-0373-2018-2-3-13-20.

8. Aistov I.P., Vansovich K.A., Busarov S.S., Titov D.S. Evaluation of Stress-Strain State of the Slow-Speed Compressor Cylinder // Oil and Gas Engineering (OGE-2018). AIP Conf. Proc. 2007. P. 030064-1-030064-7.

410

9. Aistov I.P., Vansovich K.A., Busarov S.S., Panin Yu.N., Titov D.S. Analysis of temperature effect on deformation of low-speed compressor unit stage cylinder // Oil and Gas Engineering (2019). AIP Conf. Proc. 2141. P. 030002-1-030002-7. DOI: 10.1063/1.5122052.

10. Aistov I.P., Vansovich K.A., Busarov S.S., Titov D.S. Analysis of load conditions of piston pump unit cylinder under temperature effects // Oil and Gas Engineering (2019). AIP Conf. Proc. 2141. P. 030002-1-030002-7. DOI: 10.1063/1.5122056.

11. Aistov I.P., Vansovich K.A. Assessment of the loaded state of the piston unit cylinder stage taking into account of temperature exposure // J. Phys.: Conf. Ser. 1260. 112002 (2019). DOI: 10.1088/1742-6596/1260/11/112002.

12. DIN 11866-2016. Stainless steel components for aseptic applications in the chemical and pharmaceutical industry. Tubes. [Электронный ресурс] URL: http://www.standards.ru/document/6259831 .aspx (дата обращения: 10.02.2020).

13. Расчетное значение допустимого давления в нержавеющих электросварных трубах, изготовленных из стали марки AISI 304L/316L (Bar) (pdf). [Электронный ресурс] URL: https://www.rusevrosteel.ru (дата обращения: 10.02.2020).

14. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. М.: Либроком, 2009. 640 с.

15. Yusha V.L., Busarov S.S., Aistov I.P., Titov D.S., Vansovich K.A. Influence of wall thickness and properties of structural materials on the discharge temperature and strength characteristics of slow-speed long-stroke stages // Oil and Gas Engineering (OGE-2017). AIP Conf. Proc. 1876 - 020040-1-020040-8.

16. Von Mises Criterion (Maximum Distortion Energy Criterion). Engineer's edge. Retrieved 8 February 2018. [Электронный ресурс] URL: https://www.engineersedge.com/material science/von mises.htm (дата обращения: 10.02.2020).

17. McCormac, Jack C. Structural Steel Design (4th ed.). Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall. 2008. 704 p.

18. Madenci E., Guven I. The Finite Element Method and Applications in Engineering Using ANSYS. DOI 10.1007/978-1-4899-7550-8.

19. Vaishali R.N., Khamankar S.D. Stress analysis of piston using pressure load and thermal load // International Journal of Mechanical Engineering. 2015. Vol. 3. P. 1-8.

20. Gudimetal P., Gopinath C.V. Finite element analysis of reverse engineered internal combustion engine piston // Asian International Journal of Science and Technology in Production and Manufacturing Engineering. 2009. Vol. 2(4). P. 85-92.

21. Yongjun N. Finite Element Modeling and Analysis for Key Parts of a New type Internal Combustion Engine // International Conferences on Computer Application and System Modeling. 2010. Vol. 8. P. 181-184.

22. An X.W., Hui G. Fatigue strength and analysis of diesel engine piston on finite element analysis // Advanced Material Research. 2010. Vol. 156. P. 1086-1089.

23. Lokesh S., Suneer S.R., Taufeeque H., Upendra. Finite element analysis of piston in ANSYS // International Journal of Modern Trends in Engineering and Research. 2015. Vol. 2. P. 619-626.

24. Neha P., Jaanhavi N. Designing and Stress Analysis of the Industrial Compressor Connecting Rod Depending Upon the Design Inputs Using ANSYS Workbench // International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology. 2016. Vol. 5. P. 9574-9583.

25. Бусаров С.С., Аистов И.П., Титов Д.С. Верификация методики расчёта деформаций стенок цилиндра тихоходных длинноходовых бессмазочных поршневых агрегатов // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2019. Т. 25. № 3. С. 97-107. DOI: 10.18721/JEST.25307.

26. Plastinin P., Fedorenko S. Simulation of Transient Gas-Temperatures in Cylinders of Reciprocating Compressors Using Identification Techniques With a Mathematical Model // International Compressor Engineering Conference. 1978. P. 295.

Аистов Игорь Петрович, д-р техн. наук, профессор, aistov_i@mail.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,

Вансович Константин Александрович, канд. техн. наук, доцент, vanso-vichkaamail. ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,

Бусаров Сергей Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, bssi1980@mail. ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,

Недовенчаный Алексей Васильевич, ассистент, lonewolf rus88a,mail.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,

Титов Даниил Сергеевич, соискатель, xltitovarambler.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,

Кобыльский Роман Эдуардович, магистрант, roman. kobilskyagmail. com, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,

Марченко Максим Романович, бакалавр, maksmaks2000a mail.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет

ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF THE CONSTRUCTIVE PARAMETERS OF THE COOLING JACKET OF THE QUIET COMPRESSOR STAGE OF THE LONG-STROKE PISTON UNIT ON THE STRESS-DEFORMED STA TE

OF THE CYLINDER

I.P. Aistov, K.A. Vansovich, S.S. Busarov, A.V. Nedovenchany, D.S. Titov, R.E. Kobylsky, M.A. Marchenko

412

The article considers the assessment of the influence of the design parameters of the cooling jacket of a low-speed stage of a long-stroke piston unit on the stress-strain state of the cylinder walls. The results of the analysis are given for several variants of the design of the cooling jacket of the unit, which showed that the main contribution to the stress-strain state of the cylinder walls is made by temperature loads due to the working process of gas compression. The resulting excessive heat load on the structural parts of the unit leads to the need to use an external cooling system. The results presented show the possibility of optimal design of the design of the external cooling system of low-speed stages of piston units.

Key words: long-stroke piston unit, cooling jacket, design parameters, stress-strain state, temperature effect.

Storks Igor Petrovich, doctor of technical sciences, professor, aistov_i@mail. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,

Vansovich Konstantin Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, vansovichkaamail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,

Busarov Sergey Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, bssi1980@,mail. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,

Nedovenchany Alexey Vasilievich, assistant, lonewolf rus88amail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,

Titov Daniil Sergeevich, applicant, xltitovarambler.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,

Kobylskiy Roman Eduardovich, master, roman. kobilskyagmail. com, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,

Marchenko Maxim Romanovich, student, maksmaks2000@mail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University