СИСТЕМА ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО НАДДУВА КОМПРЕССОРА
COMPRESSOR GASDYNAMIC SUPERCHARGE SYSTEM

Изобретение относится к компрессоростроению, в частности к системам, повышающим производительность компрессоров.
Известна система газодинамического наддува компрессора (см. а.с. 1536172, МКИ F04В 39/00 2002), содержащая впускной трубопровод с температурным датчиком газового потока, пневмоцилиндр с подпружиненным поршнем, снабженный тягой, соединенный с трубопроводом до эластичного участка по ходу газа датчиком и клапанами, связывающим подпоршневую полость пневмоцилиндра с источником и атмосферой.
Недостатком является невысокая эффективность системы газодинамического поддува, обусловленная высокой вероятностью одновременного положения в колеблющейся массе движущегося по выпускному трубопроводу газа, резонирующих первой и второй гармоник, когда каждому вынуждающему импульсу соответствует то два, а то одно полное собственное колебание давления всасываемого воздуха, что резко ухудшает наполнение цилиндра компрессора, снижая его массовую производительность.
Известна система газодинамического наддува компрессора (см. патент РФ №2211369, МПК F04В 39/00, F24F 13/02, 2003), содержащая впускной трубопровод с температурным датчиком газового потока, пневмоцилиндр с подпружиненным поршнем, снабженный тягой, соединенной с трубопроводом до эластичного участка по ходу движения всасываемого воздуха, и блок управления датчиком, подпоршневую полость пневмоцилиндра, связанную с источником и атмосферой, на внутренней поверхности трубопровода по ходу движения всасываемого воздуха до эластичного участка выполнены криволинейные направляющие, кривизна которых имеет положительное направление вращения винтовой линии, а на внутренней поверхности трубопровода после эластичного участка выполнены криволинейные направляющие, кривизна которых имеет отрицательное направление вращения винтовой линии.
Недостатком является снижение производительности компрессора особенно в осенне-зимний и зимне-весенний периоды года при туманах, осадках в виде дождя или снега, когда наблюдаются резкие перепады температур атмосферного воздуха в течение суток, что приводит к частому изменению плотности всасываемого потока, перемещающегося по впускному трубопроводу, а это без автоматизации процесса переключения подачи воздуха в подпоршневую полость пневмоцилиндра и выпуска его в атмосферу с обеспечением синхронизации по изменению температуры всасываемого атмосферного воздуха, т.е. не достижения гармоничного колебания, практически снижает до минимума возможность гидродинамического наддува компрессора, кроме этого, налипание твердых и каплеобразных загрязнений на внутренней поверхности трубопровода до эластичного участка по ходу движения всасываемого воздуха приводит к увеличению аэродинамического сопротивления и, как следствие этого, к дополнительным энергозатратам на привод компрессора и снижение его производительности.
Технической задачей предлагаемого изобретения является, кроме этого, поддержание надежной работы системы гидродинамического наддува в изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации компрессора путем обеспечения гармонических колебаний воздуха с максимумом давления на такте всасывания за счет автоматизации процесса подачи воздуха в подпоршневую полость пневмоцилиндра и последующего выброса в атмосферу в синхронном соответствии с изменением температуры всасываемого атмосферного воздуха, кроме того, устраняется необходимость увеличения мощности привода компрессора из-за необходимого преодоления дополнительного аэродинамического сопротивления, возникающего при налипании загрязнений на внутренней поверхности первого жесткого участка всасываемого трубопровода по ходу поступления атмосферного воздуха.
Технический результат по обеспечению нормированной производительности в изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации достигается тем, что система гидродинамического наддува компрессора, содержащая впускной трубопровод с температурным датчиком воздушного потока, пневмоцилиндр с подпружиненным поршнем, снабженный тягой, соединенной с трубопроводом до эластичного участка по ходу впускного воздуха, и блок управления датчиком, подпоршневую полость пневмоцилиндра, связанную с источником и атмосферой, на внутренней поверхности трубопровода по ходу движения всасываемого воздуха до эластичного участка выполнены криволинейные направляющие, кривизна которых имеет положительное направление вращения винтовой линии, а на внутренней поверхности трубопровода после эластичного участка выполнены криволинейные направляющие, кривизна которых имеет отрицательное направление вращения винтовой линии, причем подпоршневая полость пневмоцилиндра периодически с источником или с атмосферой связана трехходовым краном с электроприводом, а блок управления датчиком снабжен регулятором скорости вращения электропривода, выполненным в виде блока электромагнитных муфт и системы электронного контроля, включающей регулятор температуры, который содержит взаимосвязанный блок сравнения, задания и нелинейной связи, электронный и магнитный усилители, при этом система электронного контроля соединена с температурным датчиком воздушного потока, кроме этого, впускной трубопровод до эластичного участка по ходу впускного воздуха выполнен из биметалла таким образом, что материал биметалла со стороны внутренней поверхности имеет коэффициент теплопроводности в 2-2.5 раза выше, чем материал биметалла со стороны внешней поверхности, контактирующей с окружающей средой.
На фиг.1 схематически изображена система газодинамического наддува воздуха компрессора; на фиг.2 - внутренняя поверхность впускного трубопровода до эластичного участка с криволинейными направляющими, кривизна которых имеет положительное направление вращения винтовой линии; на фиг.3 - внутренняя поверхность впускного трубопровода после эластичного участка с криволинейными направляющими, кривизна которых имеет отрицательное направление вращения винтовой линии.
Система газодинамического наддува компрессора содержит впускной трубопровод, включающий три участка конструктивного исполнения различной жесткости по ходу движения всасываемого воздуха: жесткий участок 1, эластичный участок 2 и жесткий участок 3, при этом на участке 1 впускного трубопровода установлен температурный датчик газового потока 4, пневмоцилиндр 5 с поршнем 6, снабженный тягой 7 и разделяющими последний на надпоршневую 8 и подпоршневую 9 полости, привод поршня 6 и блок управления 10 соединены с температурным датчиком газового потока 4. Поршень 6 подпружинен пружиной 11 относительно пневмоцилиндра 5 со стороны подпоршневой полости 8, в которой расположена тяга 7, а привод поршня 6 выполнен в виде источника 12 давления и трехходового крана 13, управляемых блоком 10, при помощи которых надпоршневая полость 9 подключена к источнику 12 и к атмосфере. Тяга 7 жестко соединена с участком 1 впускного трубопровода, а эластичный участок 2 установлен на стержневых направляющих 14.
На внутренней поверхности участка 1 впускного трубопровода выполнены криволинейные направляющие 15, кривизна которых имеет положительное направление вращения винтовой линии, а на внутренней поверхности участка 3 впускного трубопровода выполнены криволинейные направляющие 16, кривизна которых имеет отрицательное направление вращения винтовой линии.
Подпоршневая полость 9 пневмоцилиндра 5 периодически с источником 12 или атмосферой 17 связана трехходовым краном 13 с электроприводом 18, а блок управления 10, соединенный с температурным датчиком 4 газового потока, снабжен регулятором скорости вращения 19, выполненным в виде блока электромагнитных муфт, и системой электронного контроля, выключающей регулятор температуры 20, который содержит взаимосвязанные блок сравнения 21, задания 22, блок нелинейной обратной связи 23, электронный 24 и магнитный 25 усилители.
Впускной трубопровод 1 до эластичного участка 2 по ходу впускного воздуха выполнен из биметалла 26 таким образом, что материал биметалла 26 с внутренней поверхности 27 имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем материал биметалла 26 с внешней поверхности 28, контактирующей с окружающей средой.
Система работает следующим образом.
При нормированном аэродинамическом сопротивлении, соответствующем расчетной температуре (например, 0°С) и не загрязненном всасываемом атмосферном воздухе, жесткого участка 1 эластичный участок 2 впускного трубопровода находится в положении, при котором в заключенном в нем объеме обеспечивается гармоническое колебание воздуха с максимумом давления на такте всасывания. За один оборот вала компрессора двум возникающим импульсам всасывания соответствует два полных колебания давления воздуха в клапанной коробке компрессора, то есть наблюдается резонанс первой и второй гармоник. Управляемый трехходовой кран 13 находится в положении, когда сжатый воздух поступает от источника 12, а выброс воздуха в атмосферу 17 закрыт, поршень 6 с тягой 7 удерживается в равновесии давлением воздуха в надпоршневой полости 9 и взаимодействующей с ним пружиной 11 в подпоршневой 8 полости пневмоцилиндра 5. Тогда в компрессоре осуществляется сжатие максимального количества воздуха с минимальными энергозатратами.
При понижении относительно расчетной (например, 0°С) температуры всасываемого атмосферного воздуха, что фиксируется температурным датчиком 4, регулятором температуры 20, установленным на жестком участке 1 впускного трубопровода и когда сигнал, поступающий от температурного датчика 4, становится меньшим, чем сигнал блока задания 22, на входе блока сравнения 21 появляется сигнал, положительной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 24 одновременно с сигналом отрицательной нелинейной обратной связи блока 23. Сигнал с выхода электронного усилителя 24 поступает на вход магнитного усилителя 25, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на обмотку регулятора скорости вращения 19, выполненного в виде блока электромагнитных муфт.
Положительная полярность сигнала электронного усилителя 24 вызывает увеличение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 25, тем самым увеличивается момент, передаваемый от электропривода 18 регулятором скорости вращения 19, и воздух от источника поступает в надпоршневую 9 полость пневмоцилиндра 5, воздействуя на поршень 6 с пружиной 11, и перемещает тягу 7, жестко соединенную с участком 1, увеличивая тем самым объем воздуха, заключенный в участке 2 трубопровода. В результате сохраняется необходимый максимум амплитуды колебаний на такте всасывания, поддерживая процесс эффективного газодинамического наддува компрессора.
При повышении относительно расчетной (например, 0°С) температуры всасываемого атмосферного воздуха сигнал от температурного датчика 4 регулятора температуры 20 становится большим, чем сигнал блока задания 22, тогда на входе блока сравнения 21 появляется сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 24 одновременно с сигналом отрицательной нелинейной обратной связи блока 23. Сигнал с выхода электронного усилителя 24 поступает на вход магнитного усилителя 25, где устанавливается по мощности, выпрямляется и поступает на обмотку регулятора скорости вращения 19, выполненного в виде блока электромагнитных муфт.
Отрицательная поверхность сигнала электронного усилителя 24 вызывает уменьшение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 25, тем самым уменьшая момент, передаваемый от электропривода 18 регулятора скорости вращения 19, перекрывая подачу воздуха от источника 12 и выпуская воздух из надпоршневой полости 9 в атмосферу 17. В результате под воздействием пружины 11 поршень 6 пневмоцилиндра 5 перемещается вместе с тягой 7, которая жестко соединена с участком 1, уменьшая тем самым объем воздуха в эластичном участке 2. Это приводит к сохранению необходимого максимума амплитуды колебаний на такте всасывания, т.е. осуществляется резонанс первой гармоники с устранением возможности образования резонирующей второй гармоники всасываемого атмосферного воздуха на участке 2.
При дожде и туманах с наличием (практически постоянно в атмосферном воздухе витают твердые частицы пыли) во всасываемом воздухе различных загрязнений в виде твердых частиц пыли и твердых частиц в виде продуктов технологических процессов (песок, цемент строительной индустрии, уголь, породы горных предприятий и т.д.) наблюдается смачивание их с последующим налипанием на внутреннюю поверхность 27, что уменьшает проходное сечение трубопровода и, как следствие, увеличивает аэродинамическое сопротивление участка 1, но не регистрируется температурным датчиком газового потока 4 и, соответственно, не производится последующее изменение конструктивных размеров эластичного участка 2. В результате объем воздуха, заключенный в эластичном участке 2, изменяется, это приводит к одновременному образованию и последующему наложению друг на друга первой и второй резонирующих гармоник колебания давления воздуха во впускном трубопроводе, что соответствует минимальной подаче компрессора, так как давление в конце всасывания клапанной коробки частично гасится.
Для устранения данного явления впускной трубопровод до эластичного участка по ходу впускного воздуха выполнен из биметалла. В связи с тем, что проходное сечение трубопровода из-за налипания частиц загрязнений на внутреннюю поверхность 27 уменьшается, то скорость движения всасываемого воздуха увеличивается, приводя к образованию теплоты трения, то есть нагреву внутренней поверхности 27. Так как материал биметалла 26 со стороны внутренней поверхности 27 имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше (например, алюминий с коэффициентом теплопроводности 204 Вт/м·град, стр.319 Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: 1975 - 469 с., ил.) коэффициента теплопроводности материала биметалла 26 со стороны наружной поверхности 28 (например, латунь с коэффициентом теплопроводности 85 Вт/м·град, стр.319 там же), то под воздействием возникшего градиента температур образуется термовибрация жесткого участка 1 (см., например, Дмитриев А.И. и др. Биметаллы. Пермь. 1991-415 с. ил.), в результате устраняется возможность налипания твердых загрязнений на внутреннюю поверхность 27, частицы витают в потоке всасываемого воздуха и заполняют эластичный участок 2, обеспечивая максимальный эффект газодинамического наддува.
Это достигается тем, что загрязненный твердыми частицами всасываемый атмосферный воздух перемещается с частицами, которые под воздействием термовибрации не прилипают к внутренней поверхности 27 жесткого участка 1, по криволинейным направляющим 15, кривизна которых имеет положительное направление винтовой линии жесткого участка 1 внутреннего трубопровода. В результате этого поток всасываемого воздуха, закрученный против движения часовой стрелки, поступает в эластичный участок 2, где наблюдается образование преимущественно резонирующей первой гармоники, то есть наблюдается резонанс первой гармоники. Последующий переход всасываемого воздуха на третий участок приводит к перемещению его по криволинейным направляющим 16, кривизна которых имеет отрицательное направление винтовой линии. В результате этого поток всасываемого воздуха закручивается по направлению движения часовой стрелки.
Взаимно противоположное закручивание всасываемого воздуха на участках 1 и 3 впускного трубопровода приводит к образованию микрозавихрений на участке 2, устраняющих возможность возникновения резонирующей второй гармоники и соответствующее ее наложение на резонирующую первую гармонику. В результате достигается для данного температурного режима, регистрируемого датчиком 4, резонансное постоянство поступления всасываемого воздуха в клапанную коробку компрессора, что и обеспечивает максимальную подачу всасываемого воздуха в компрессор.
Оригинальность технического решения заключается в том, что поддержание стабильного процесса газодинамического наддува в изменяющихся погодно-климатических и технологических условиях эксплуатации осуществляется за счет обеспечения синхронизации изменения температуры всасываемого атмосферного воздуха и автоматизированного регулирования объема воздуха в эластичном участке 2, для образования резонирующей гармоники, с созданием максимума амплитуды колебаний на такты всасывания посредством изменения длины эластичного участка 2 при перемещении на стержневых направляющих под воздействием изменения положения соединенного с тягой поршня пневмоцилиндра, управляемого трехходовым краном с электроприводом и системой взаимосвязанных электронных блоков, и регулятора скорости вращения в виде блока электромагнитных муфт. А также устранения возможности увеличения аэродинамического сопротивления жесткого участка впускного трубопровода путем образования термовибрации, величиной, обеспечивающей отсутствие налипания твердых частиц на внутреннюю поверхность трубопровода, при выполнении его из биметалла таким образом, когда материал биметалла с внутренней поверхности имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем материал биметалл с внешней поверхности, контактирующей с окружающей средой. Данное соотношение коэффициентов теплопроводности материалов, составляющих биметалл, обеспечивает градиент температур, соответствующий минимальной разности температур всасываемого воздуха, движущегося внутри впускного трубопровода и возникающий за счет теплоты трения о внутреннюю поверхность и температуры окружающей среды, воздействующей на внешнюю поверхность впускного трубопровода.