Газовые Криогенные машины микрокриогенной техники со встроенным электроприводом. Проблемы проектирования

5. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Том. 1. Теория и расчет. — М.: Колос, 2000. — 456 с.

ЩЕРБА Виктор Евгеньевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Гидромеханика и транспортные машины».

БАЛАКИН Павел Дмитриевич, доктор технических

наук, профессор, заведующий кафедрой «Теория механизмов и машин».

ГЛОТОВ Алексей Александрович, старший преподаватель кафедры «Гидромеханика и транспортные машины».

Дата поступления статьи в редакцию: 12.12.2007 г. © Щерба В.Е., Балакин П.Д., Глотов А.А.

УДК 621.56:621.59:621.313

П. Д. БАЛАКИН

Омский государственный технический университет

ГАЗОВЫЕ КРИОГЕННЫЕ МАШИНЫ МИКРОКРИОГЕННОЙ ТЕХНИКИ СО ВСТРОЕННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

В работе рассматривается возможность совмещения электропривода с элементами газовых криогенных машин (ГКМ). Приводятся два наиболее перспективных технических решения, позволяющих сократить массу и размеры ГКМ. Дан анализ конструкций, выявлены основные проблемы проектирования, для решения которых необходимо проведение НИОКР.

К газовым криогенным машинам (ГКМ) микрокриогенной техники (МКТ), обычно, предъявляются жесткие требования по габаритам и экономичности. Если первое требование предполагает в основном использование высоких технологий и специальных материалов, то для выполнения второго, как правило, необходим тщательный расчет и оптимизация рабочих процессов, а также приближение последних к идеальным.

Любая ГКМ содержит в своем составе такие элементы, как поршневой узел (один, два или несколько в зависимости от реализуемого цикла и количества ступеней), теплообменные аппараты, клапаны и другие устройства регулирования потоков рабочей среды, привод (чаще всего электрический) и механизм, преобразующий движение привода в движение поршней и вытеснителей [1, 2 и др.].

С точки зрения стремления к сокращению размеров ГКМ любой ее элемент может быть подвергнут анализу и попытке совершенствования, но особого внимания заслуживает возможность модернизации механизма перемещения поршней и вытеснителей. Здесь уменьшение габаритов машины возможно, например, путем совмещения конструкции электродвигателя с передаточным механизмом.

С другой стороны, организация идеального цикла ГКМ, в частности, возможна путем организации движения в поршневых узлах таким образом, чтобы, во-первых, существовала возможность остановки поршня или вытеснителя в мертвых точках, и, во-вто-

рых, чтобы их движение от нижней к верхней мертвой точке и обратно происходило со скоростью, близкой к постоянной для повышения эффективности работы аппаратов теплообмена.

В настоящее время существуют технические предложения, которые можно использовать для удовлетворения выше изложенных требований.

Так, например, авторы [3] предлагают электропривод поршневого узла совместить со сдвоенным кривошипно-кулисным механизмом (рис. 1), а в качестве кулисы использовать выступ ротора асинхронного двигателя. В этом случае сам привод можно отождествить с широко известным двухвальным приводом, нашедшим применение в крупных компрессорах и ДВС.

В данной конструкции якоря 6 под действием электромагнитных сил, создаваемых пульсирующим током с переменным направлением, протекающим через обмотки статора 5 и обмотки якоря 9, совершают колебательное движение вокруг осей 8, которое через зубья 7 и впадину 10 передаются штоку 3 с поршнем 2. По существу, здесь имеет место реечное зацепление, в связи с чем количество зубьев и, соответственно, впадин может быть больше единицы. Одновременно якоря 6 выполняют функцию противовесов, что дает возможность существенно снизить вибрационные нагрузки на ГКМ. К преимуществу конструкции следует также отнести теоретически отсутствие боковых усилий на поршне.

Рис. 1. Конструктивная схема поршневого узла ГКМ

с двухвальным асинхронным приводом: 1. Цилиндр. 2. Поршень 3. Шток. 4. Корпус. 5. Обмотка статора. 6. Якорь. 7. Выступ. 8. Ось. 9. Обмотка якоря. 10. Впадина

Рис. 2. Схема ГКМ с кулачковым приводом поршня и вытеснителя: 1. Цилиндр. 2. Компрессорный поршень (ротор асинхронного электродвигателя). 3. Вытеснитель. 4. Шлицевой шток. 5. Холодильник. 6. Регенератор. 7. Теплообменник нагрузки. 8. Кольцевые канавки. 9. Профилированные впадины. 10. Шарики. 11. Обмотки статора асинхронного электродвигателя

Полная амплитуда колебаний 5 поршня 2 зависит от максимального угла ф поворота якоря 6, радиуса гК выступа 7 и описывается известным уравнением:

В связи с тем, что в уравнение (1) входит в явном виде тригонометрическая функция совф, близкое к линейному перемещение поршня будет в весьма ограниченном диапазоне угла ф. В частности, именно это состояние показано на рис. 1, где поршень 2 показан в промежуточном положении. Таким образом, с точки зрения приближения закона движения поршня 2 к линейному при заданном ходе, выгодно строить механизм с минимальным углом ф колебания якоря 6 при соответствующей (относительно большой) величине гК.

В этом случае возникает две проблемы. Первая — при увеличении гК неизбежно растут поперечные размеры машины, а вторая — при малом угле ф колебания якоря сложно обеспечить его относительно точную остановку в заданной точке.

Очевидно, что обе проблемы могут быть решены методами многопараметрической оптимизации, и однозначного решения не существует. Следует также

отметить, что построение подобной электромеханической системы с высокими энергетическими показателями также представляет известные трудности.

Кроме того, в данной конструкции имеется возможность управления движением поршня путем подачи на обмотки 5 электрического сигнала определенной формы. Например, можно на заданный промежуток времени организовать остановку поршня. Однако, как уже указано выше, для этого нужно разрешить противоречие между желаемым с точки зрения управления движением как можно большим углом ф и стремлением к уменьшению этого же угла с точки зрения приближения закона движения поршня к линейному.

В другой конструкции [4] преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное производится кулачковым механизмом, причем в качестве кулачка используется сопряжение профилированных канавок и шариков (рис. 2).

При включении питания обмоток 11 компрессорный поршень 2 начинает вращение вокруг своей оси. Это вращение через шлицевой шток 4 передается вытеснителю 3, и обе детали начинают вращаться вместе. Профилированные впадины 9, прокатываясь по шарикам 10, опирающимся на кольцевые канавки 8, заставляют поршень 2 и вытеснитель 3 совершать возвратно-поступательное движение. Благодаря сдвигу по фазе амплитуд канавок 9 обеспечивается согласованное изменение объема полости вытеснителем 3 с изменением объема над поршнем 2.

Контуры впадин 9 спрофилированы таким образом, что в цилиндре 1 движется в начальный момент только компрессорный поршень 2. Газ, который заполняет полости машины, сжимается, а теплота сжатия отводится в холодильнике 5. Затем поршень 2 и вытеснитель 3 перемещаются одновременно, газ переталкивается через регенератор 6, после чего поршень 2 останавливается, а вытеснитель 3 продолжает движение, газ расширяется и охлаждается с отдачей внешней работы. В процессе расширения газ отводит теплоту от охлаждаемого источника через теплообменник нагрузки 7. Далее поршень 2 и вытеснитель 3 двигаются одновременно, переталкивая газ через регенератор 6, охлаждая его, при этом сам газ подогревается.

Таким образом, форма канавок может обеспечить близкий и идеальному закон взаимного перемещения поршня и вытеснителя.

Однако, несмотря на кажущуюся простоту, это техническое предложение, как и предыдущее, следует отнести к разряду неготовых технических решений [5], и при попытке реального проектирования конструктор должен будет решить несколько сложных задач, а именно:

1. При работе электродвигателя, короткозамкну-тый ротор которого выполняет функции поршня 2, из-за чего в последнем будет дополнительно к теплоте сжатия выделяться значительное количество теплоты от протекающих электромагнитных процессов, которую необходимо отводить в окружающую среду.

2. Для обеспечения работоспособности привода канавки 9 должны иметь высокую твердость. Следовательно, элементы поршня и вытеснителя в зоне канавок должны изготавливаться из специальных шарикоподшипниковых сплавов (например, ШХ-15), имеющих большой удельный вес, что ухудшит массо-габаритные показатели машины.

3. Количество шариков 10 в одном поясе не может быть меньше трех для надежного центрирования поршня и вытеснителя. Соответственно, развертка канавки должна обеспечивать не менее трех полных циклов машины, что ставит под сомнение возможность реального создания малогабаритных ГКМ.

4. В подобных ГКМ используются осушенные газы, а система шарик — опорная канавка практически неработоспособна в такой среде. Следовательно, необходимо применение, например, сепараторов из самосмазывающихся материалов, что потребует увеличения зазора между поршнем и вытеснителем в зоне канавок 9 и заставит увеличить длину конструкции, чтобы вывести эту зону за пределы обмоток статора.

5. Требует значительной конструктивной переработки узел сопряжения шлицевой шток — поршень, т.к. надежно уплотнить шлицевое соединение нереально. Кроме того, сам принцип передачи крутящего момента обычным шлицевым соединением с одновременным относительным скольжением в среде осушенных газов порочен и не может быть реализован на практике.

Таким образом, несмотря на многообещающие положительные свойства описанных конструкций, их

реализация в ранге даже опытных образцов потребует проведения НИОКР в том смысле, какой дан этому виду работ авторами [4].

Библиографический список

1. Криогенные газовые машины/А.Д. Суслов, Г.А. Гороховский, В.Б. Полтораус, А.М. Горшков. — М.: Машиностроение, 1982. - 213 с.

2. Криогенные машины/В.Н. Новотельнов, А.Д. Суслов, В.Б. Полтораус. — Спб: Политехника, 1991. — 335 с.

3. А.с. 1767216 СССР, МКИ F04 В 25/04. Поршневой компрессор с электромагнитным приводом/ А.П. Бол-штянский, В.С. Демиденко, Ю.З. Ковалев, В.Е. Щерба. — Заявка № 4661904/29; Заявлено 13.03.89; Опубл. 07.10.92. — Бюл. № 37.

4. А.с. 848909 СССР, МКИ F 25 B 9/00. Холодильно-газо-вая машина/А.П. Болштянский, Ю.Д. Терентьев, Ю.И. Гунь-ко. — Заявка № 2868129/23-06; Заявлено 04.01.80; Опубл. 23.07.81. - Бюл. № 27.

5. Болштянский А.П., Белый В.Д., Дорошевич С.Э. Компрессоры с газостатическим центрированием поршня. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. — 406 с.

БАЛАКИН Павел Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теория

механизмов и машин».

Дата поступления статьи в редакцию: 19.10.2007 г. © Балакин П.Д.

УДК 621.56:621.59 В. И. СУРИКОВ

Омский государственный технический университет

СНИЖЕНИЕ УТЕЧЕК И ПЕРЕТЕЧЕК В ПОРШНЕВЫХ УЗЛАХ ГАЗОВЫХ КРИОГЕННЫХ МАШИН С ГАЗОСТАТИЧЕСКИМ ЦЕНТРИРОВАНИЕМ

Для снижения утечек и перетечек в поршневых узлах газовых криогенных машин, имеющих поршни с газостатическим центрированием, предложено использовать уплотнения из неразрезных колец, изготовленных из материала с коэффициентом линейного расширения большим, чем материала поршня или цилиндра. Дано соотношение, позволяющее определять размеры колец. Приведены результаты исследований свойств композиционных материалов на основе ПТФЭ для изготовления колец.

При проведении теоретических и эксперимен- узлов (ПУ) величины потерь газа через уплотняющую тальных исследований [1-3] был установлен факт часть поршня при увеличенных размерах радиального заметного влияния на экономичность поршневых зазора в газостатическом подвесе (ГСП) или при ра-