К вопросу о выборе конструктивной схемы поршневой гибридной машины объемного действия

12. Яблонский, А. А. Курс теории колебаний / А. А. Яблонский, С. С. Норейко. — М. : Высш. шк., 1975. — 248 с.

13. Калашников, Б. А. Экспериментальное исследование частотных характеристик системы с неоднозначной кусочно-нелинейной характеристикой позиционной силы / Б. А. Калашников // Вестник машиностроения. — 2009. — № 3. — С. 11-17.

КЛИМЕНТЬЕВ Евгений Владимирович, главный конструктор комплекса № 3 отдела № 2 Научно-производственного предприятия «Прогресс»; аспирант кафедры сопротивления материалов Омско-

го государственного технического университета (ОмГТУ).

КОРНЕЕВ Владимир Сергеевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры основ теории механики и автоматического управления ОмГТУ.

КОРНЕЕВ Сергей Александрович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой сопротивления материалов ОмГТУ. Адрес для переписки: korneyev@omgtu.ru, когеа_ home@mail.ru

Статья поступила в редакцию 25.08.2015 г. © Е. В. Климентьев, В. С. Корнеев, С. А. Корнеев

УДК 621512621651 А. Ю. КОНДЮРИН

Омский государственный технический университет

К ВОПРОСУ О ВЫБОРЕ КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ ПОРШНЕВОЙ ГИБРИДНОЙ МАШИНЫ ОБЪЕМНОГО ДЕЙСТВИЯ_

В работе рассмотрены конструкции поршневых гибридных энергетических машин объемного действия. На основе проведенного анализа предложена конструкция машины с поршневым уплотнением, выполненным в виде гидродиода, обеспечивающим расход жидкости из насосной секции больше, чем из компрессорной.

Ключевые слова: насос, компрессор, гибридная машина, лабиринтное уплотнение.

Прикладные научные исследования проводятся при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57414X0068.

Стремление к минимизации таких параметров, как удельные затраты энергии на производство сжатых газов и жидкостей, а также к снижению материалоемкости используемого для этого оборудования привело к идее объединения в одном агрегате насоса и компрессора [1]. Такой агрегат назван разработчиками «Поршневая гибридная энергетическая машина объемного действия» — ПГЭМОД.

Несмотря на то что, на первый взгляд, конструкция ПГЭМОД является комбинацией поршневого компрессора и поршневого насоса, первый же этап ее исследований выявил некоторые технические проблемы, часть которых решена в процессе выполнения кандидатских диссертаций [2, 3] и описана в сопутствующих им статьях [4-7 и др.].

Накопленный опыт расчета и проектирования ПГЭМОД изложен в монографии [1], там же приведены некоторые конструктивные схемы, которые могут быть реализованы при определенных требованиях к объекту. Часть результатов получила юридическую защиту в виде патентов на изобретения и полезные модели [8-11 и др.].

На сегодняшний день известны две принципиально разные компоновки ПГЭМОД — с тронко-вым и с дифференциальным поршнем (рис. 1).

Конструкции с тронковым поршнем (рис. 1а) предполагают использование картера и нижней части цилиндра в качестве рабочей камеры насосной секции.

В конструкции ПГЭМОД с дифференциальным поршнем (рис. 1б) последний делит общий цилиндр на две чести, причем полость, не имеющая в своем объеме штока, является компрессорной, а штоковая полость — насосной.

В первом случае (рис. 1а) охлаждение компрессорной секции с целью приближения процесса сжатия газа к изотермическому может производиться только жидкостью, которая одновременно является и смазкой для механизма движения, что существенно сужает сферу применения такой ПГЭМОД, хотя, безусловно, эта схема подкупает своей простотой и очевидно хорошими массогабаритными характеристиками.

Помимо указанного ограничения, у нее есть еще один существенный недостаток — картер машины находится под давлением нагнетаемой жидко-

Рис. 1. Две схемы компоновки ПГЭМОД (а — с тронковым поршнем, б — с дифференциальным поршнем): 1. Картер. 2. Всасывающий жидкостный клапан. 3. Коленчатый приводной вал. 4. Кривошип коленчатого вала. 5. Шатун. 6. Поршень. 7. Буферная полость тронкового поршня. 8. Цилиндр. 9. Рабочая полость компрессорной секции. 10. Рабочая полость насосной секции. 11. Жидкостная рубашка охлаждения. 12. Жидкостный нагнетательный клапан. 13. Отверстие. 14. Газовый нагнетательный клапан. 15. Газовый всасывающий клапан. 16. Кольцевое поршневое уплотнение. 17. Крейцкопф. 18. Направляющая крейцкопфа. 19. Шток. 20. Уплотнение штока.

Рис. 2. Схема ПГЭМОД с П-образным поршнем: 1. Цилиндр. 2. Поршень. 3. Насосная полость. 4. Компрессорная полость. 5. Направляющая. 6. Крейцкопф. 7. Шатун. 8. Шток. 9. Щелевое уплотнение. 10. Сальниковое уплотнение. 11. Дренажный канал. 12. Полость поршня. 13. Нагнетательный газовый клапан. 14. Всасывающий газовый клапан. 15. Нагнетательный жидкостный клапан.

16. Всасывающий жидкостный клапан.

17. Жидкостная рубашка охлаждения.

сти, что накладывает дополнительные ограничения на величину развиваемого насосной секцией давления, т.к. в связи с неизбежно большой площадью действия давления на стенки картера его материал и конструкция должны выдерживать давление нагнетания. Кроме того, могут возникнуть проблемы с уплотнениями торцевых поверхностей и радиального уплотнения приводного вала, а также в ней присутствуют значительные потери на трение механизма привода в жидкости. В связи с этим очевидно, что такая ПГЭМОД может использоваться только при малых давлениях порядка 0,2 — 0,3МПа.

ПГЭМОД, выполненная по второй конструктивной схеме (рис. 1б), может сжимать и подавать потребителю любую рабочую жидкость, с которой в принципе работают поршневые насосы, причем давление нагнетания может быть достаточно большим. Здесь ограничения по роду и давлению жидкости могут быть в основном в плане запрета на взаимное проникновение жидкости в сжимаемый газ и наоборот, или сжимаемой жидкости в картер. Так, например, очевидно, что нельзя сжимать в компрессорной секции кислород, а в насосной секции — органические жидкости.

Недостатком этого варианта являются большие габариты в вертикальном направлении, характерные для всех машин объемного действия с дифференциальным поршнем, если цилиндр установлен вертикально. Разместить общий цилиндр такой ПГЭМОД горизонтально проблематично, т.к. при ее остановке (особенно на длительный промежуток времени) рабочая жидкость даже при контактном уплотнении поршня неизбежно попадет в компрессорную секцию, что может вызвать гидроудар при запуске.

В принципе, эта проблема может быть решена установкой специальных устройств, которые при остановке машины будут освобождать полость

насосной секции от рабочей жидкости, но это усложнит конструкцию.

При сжатии жидкости до большого давления (более 10 МПа), очевидно, придется решать вопрос с герметичностью уплотнения штока, однако это не является неразрешимой задачей [12, 13 и др.].

Уменьшить вертикальный размер ПГЭМОД можно, использовав техническое решение, опубликованное в [14], где предложено общий для насосной и компрессорной секций поршень выполнить П-образным (рис. 2).

В этой конструкции ПГЭМОД утечки в компрессорной секции практически отсутствуют. Даже если газ прорвется через наружное щелевое уплотнение 9, он в течение кратковременного процесса сжатия и нагнетания не сможет успеть вытеснить жидкость из узкого протяженного внутреннего уплотнения 9.

В то же время жидкость, динамическая вязкость которой на несколько порядков больше, чем газа, не может в процессе сжатия и нагнетания преодолеть уплотнение 9. Утечки жидкости через внутренне уплотнение 9 стекают через дренажный канал 11 обратно в линию всасывания и не попадают в картер машины.

Высокая компактность данной схемы позволяет при незначительном росте габаритов (по сравнению с обычным компрессором) существенно увеличить эффективную длину поршня и, соответственно, повысить уплотнительную способность ци-линдропоршневой пары, благодаря чему эта схема послужила основой для способа работы ПГЭМОД, описанного в [15].

В настоящее время в цилиндропоршневых группах компрессоров в зависимости от их назначения и производительности применяются контактные и бесконтактные типы уплотнений [16 — 21 и др.]. Контактные уплотнения, в свою очередь, подразделяются на кольцевые и манжетные,

Рис. 3. Конструкции уплотнений в цилиндропоршневых группах компрессоров: а — кольцевое уплотнение; б — сечение разрезного поршневого кольца прямоугольной формы; в — манжетное уплотнение; г — лабиринтное уплотнение с треугольным профилем лабиринта; д — трапецеидальный профиль лабиринтного уплотнения; е — то же прямоугольного профиля; ж — то же наклонного в сторону повышенного давления профиля; з — лабиринтно-щелевое уплотнение с направляющими поршень башмаками; и — щелевое уплотнение поршня, имеющего грязесборные канавки и направляющие башмаки

а бесконтактные — на гладкие щелевые, лабиринтные и лабиринтно-щелевые (рис. 3).

Наиболее широкое применение получили металлические (сталь, чугун, реже — сплавы цветных металлов) контактные кольцевые уплотнения с разрезными кольцами (рис. 3а), которые работают за счет распирающей газовой силы и силы собственной упругости (для этого их и делают разрезными — с замками разной формы). В случае применения сравнительно неупругих материалов (текстолит, композиты на основе фторопласта и др.) изнутри кольца дополнительно распираются пружинными экспандерами. Последние чаще всего применяются в несмазываемых компрессорах для сжатия чистых осушенных газов, или в компрессорах с ограниченной смазкой.

Манжетные уплотнения (рис. 3в) применяются только в том случае, если требуется практически полностью исключить утечки. Манжеты изготавливаются из кожи или фибры, имеют сравнительно большой износ вследствие повышенного трения и, соответственно, — малый ресурс работы. В объектах микрокриогенной техники их изготавливают из наполненных фторопластов для работы с осушенными чистыми газами. Чаще всего изнутри манжеты ставят распорные пружины.

Лабиринтные уплотнения (рис. 3г) в компрессорах начали использоваться, когда появилась развитая химическая и пищевая промышленность, и встал вопрос о создании компрессоров, которые были бы нечувствительны к роду сжимаемого газа и имели бы возможность сжимать чистые газы без их загрязнения [20, 21 и др.]. Как установлено исследованиями швейцарской фирмы «Зульцер» [22], которые широко проводят и отечественные специалисты, работающие в области компрессорной и уплотнительной техники [12, 13, 16, и др.], при прочих равных условиях утечки через лабиринтное уплотнение мало зависят от его формы, а больше

определяются зазором (чем он меньше, тем лучше) и количеством гребешков — чем их больше, тем более герметично уплотнение. При достаточно малых радиальных зазорах (от 20 до 70 мкм) утечки через лабиринтное уплотнение ненамного больше, чем утечки через гладкое щелевое уплотнение, изображенное на рис. 3и. В таком уплотнении обычно изготавливают неглубокие канавки для сбора продуктов износа направляющих башмаков.

Некоторым компромиссом между обычным поршневым, лабиринтным и щелевым уплотнениями является лабиринтно-щелевое уплотнение (рис. 3з). В нем вдоль образующей поршня установлены «плавающие» в радиальном направлении кольца, которые вместе с поверхностью поршня образуют лабиринт для утечек и перетечек. Кольца, как правило, изготавливаются с чуть большим диаметром, чем цилиндр и прирабатываются в процессе обкатки компрессора. При износе башмаков или другого направляющего устройства (например, крейцкопфа) кольца «отслеживают» возникшие поперечные колебания поршня, сохраняя практически первоначальную герметичность уплотнения.

Из всего многообразия выше описанных конструкций поршневых уплотнений наиболее привлекательными являются бесконтактные уплотнения — щелевые гладкие, лабиринтные и уплотнения с «плавающими кольцами» по той простой причине, что в них нет трения и связанных с ним потерь энергии и износа.

Как указывалось выше, контактные (кольцевые) уплотнения отбирают до 6 % мощности, затрачиваемой на привод компрессора, а в работе [23] показано, что со временем частицы износа настолько забивают фильтры очистки газа, что потери работы на проталкивание газа от повышенного сопротивления линии нагнетания становятся существенно больше, чем потери работы, связанные с утечками в бесконтактном уплотнении.

Рис. 4. Принципиальная схема поршневого уплотнения, выполненного в виде гидродиода

Одно из преимуществ от контактного уплотнения состоит в том, что кольца являются тепловым мостиком для отвода теплоты от поршня к стенкам цилиндра. Однако в ПГЭМОД низ поршня и его боковая поверхность омываются сжимаемой жидкостью, и это преимущество практически сводится на нет.

В зависимости от соотношения давлений нагнетания насосной и компрессорной секции при одинаковом давлении всасывания возможны три основных пути протекания физических процессов в поршневом уплотнении:

1. При давлении нагнетания насосной секции, большем или равном давлению нагнетания в компрессорные секции, количество жидкости, проходящей из насосной секции в компрессорную в процессах сжатия и нагнетания, будет превышать количество жидкости, проходящей обратно из компрессорной полости в насосную в соответствующих процессах. В этом случае жидкость будет накапливаться в компрессорной секции, заполнять мертвое пространство и затем будет выноситься через нагнетательный клапан в линию нагнетания компрессорной секции.

2. В том случае, если давление нагнетания в компрессорной секции намного превышает давление в насосной секции, сжатый газ будет постепенно вытеснять жидкость из поршневого уплотнения и постепенно будет накапливаться в насосной секции, создавая там газовый объем. Это приведет к ухудшению работы компрессорной секции за счет увеличения утечек компримируемого газа, ухудшению охлаждения цилиндропоршневой группы и увеличению работы сил трения. Необходимо отметить, что работа насосной секции также будет ухудшаться, так как его подача будет падать за счет увеличения процесса обратного расширения.

3. В случае, когда давление нагнетания компрессорной секции ненамного превышает давление в насосной секции, поршневое уплотнение будет полностью или частично заполнено жидкостью, что обеспечит нормальную работу поршневой гибридной энергетической машины.

Анализируя перечисленные выше варианты работы поршневой гибридной энергетической машины, можно сделать вывод, что самый неблагоприятный вариант работы — это вариант № 2, а самый благоприятный вариант работы — это вариант № 1, так как в этом случае будет повышаться не только индикаторный кпд компрессора, но и коэффициент подачи, так как мертвый объем будет отсутствовать.

Необходимо отметить, что вероятность гидроудара практически исключается. Это обусловлено

тем, что компрессорная секция работает при тех же угловых скоростях, что и насосная. Кроме того, эквивалентная площадь проходных сечений насосной и компрессорной секции сопоставимы или равны. Вследствие этого можно сделать вывод, что компрессорная секция может работать частично или даже при соответствующих условиях как насосная полость, т.е. насосную и компрессорную секцию можно менять местами.

Таким образом, встает задача организовать над поршнем слой жидкости, который обеспечит надежное уплотнение, охлаждение поршня и приведет к увеличению коэффициента подачи компрессорной секции. Эта задача решается выполнением в поршне сквозного канала, соединяющего компрессорную и насосную секцию, в котором установлены гидродиоды [24].

Гидродиоды установлены таким образом, что при движении жидкости из насосной секции в компрессорную гидравлическое сопротивление канала меньше, чем при движении из компрессорной секции в насосную. Это позволит удерживать слой жидкости над поршнем и обеспечивать 1-й режим работы ПЭГМОД.

Конструирование и изготовление такого канала требует дополнительных материальных затрат при изготовлении ПЭГМОД и нетехнологично. Представляется целесообразным заменить функции этого канала на функции поршневого уплотнения, то есть выполнить поршневое уплотнение в виде гидродиода. В этом случае гидравлическое сопротивление поршневого уплотнения при течении из насосной секции в компрессорную будет меньше, чем при течении в обратном направлении. Один из вариантов изготовления такого уплотнения представлен на рис. 4.

Вследствие плавного расширения в лабиринтно-щелевом уплотнении (угол а меньше угла в) расход жидкости С2 превышает величину С1. Таким образом, представляется целесообразным проводить дальнейшее теоретическое и экспериментальное исследование поршневой гибридной энергетической машины, поршневое уплотнение которой выполнено в виде гидродиода и обеспечивает расход жидкости из насосной секций больше, чем из компрессорной

Библиографический список

1. Щерба, В. Е. Насос-компрессоры. Рабочие процессы и основы проектирования / В. Е. Щерба, А. П. Болштянский, В. В. Шалай, Е. В. Ходорева. — М. : Машиностроение, 2013. — 388 с.

2. Виниченко, В. С. Исследование рабочих процессов и создание конструкции газожидкостного агрегата с гладким и профилированным поршневым бесконтактным уплотнением : дис ... канд. техн. наук / В. С. Виниченко. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2014. - 201 с.

3. Кужбанов, А. К. Расчет рабочих процессов и конструкция насосной секции газожидкостного агрегата с газовой полостью : дис. ... канд. техн. наук / А. К. Кужбанов. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2014. — 179 с.

4. Щерба, В. Е. Математическая модель рабочих процессов поршневого насос-компрессора с газовым демпфером /

B. Е. Щерба, Е. А. Павлюченко, Г. А. Нестеренко, В. С. Ви-ниченко, А. К. Кужбанов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2013. — № 1 (117). —

C. 82 — 87.

5. Щерба, В. Е. Повышение быстродействия поршневого форвакуумного насоса с гидравлическим затвором / В. Е. Щерба, Г. А. Нестеренко, А. К. Кужбанов, В. С. Вихарев // Вакуумная наука и техника : материалы Междунар. науч.-техн. конф. — М. : МИЭМ, 2012. — С. 54 — 58.

6. Щерба, В. Е. Расчет поршневого уплотнения насос-компрессора, выполненного в виде концентричной щели с отделительной канавкой / В. Е Щерба, Г. А. Нестеренко, Е. А. Павлюченко, В. С. Виниченко // Химическое и нефтяное машиностроение. — 2014. — № 2. — С. 25 — 29.

7. Алтынцев, М. П. Влияние отношения давления нагнетания к давлению всасывания компрессорной полости на характеристики поршневого насос-компрессора / М. П. Алтынцев, Г. С. Аверьянов, В. И. Суриков, В. С. Виниченко // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2012. — № 1 (107). — С. 133—135.

8. Пат. 118371 РФ, МПК Б 04 В 19/06. Поршневой насос-компрессор / Болштянский А. П., Щерба В. Е., Нестеренко Г. А., Виниченко В. С. [и др.] ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. — № 20121077932/06 ; заявл. 01.03.12 ; опубл. 20.07.12, Бюл. № 20. — 5 с.

9. Пат. 131817 РФ, МПК Б 04 В 35/00. Поршневой компрессор / Болштянский А. П., Щерба В. Е., Кузеева Д. А., Лысенко Е. А. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. — № 2013108498/06 ; заявл. 26.02.13 ; опубл. 27.08.13, Бюл. № 24. — 5 с.

10. Пат. 2518796 РФ, МПК Б 04 В 19/06. Машина объёмного действия / Болштянский А. П., Щерба В. Е., Виниченко В. С. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. — № 2013100631/06 ; заявл. 09.01.13 ; опубл. 10.06.14, Бюл. № 18. — 5 с.

11. Пат. 2538371 РФ, МПК Б 04 В 19/06. Способ работы насос-компрессора и устройство для его осуществления / Болштянский А. П., Щерба В. Е., Кужбанов А. К. [и др.] ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. — № 2013138950/06 ; заявл. 20.08.13 ; опубл. 10.01.15, Бюл. № 1. — 5 с.

12. Макаров, Г. В. Уплотнительные устройства / Г. В. Макаров. — Л. : Машиностроение, 1973. — 232 с.

13. Уплотнения и уплотнительная техника. Справочник / Л. А. Кондаков [и др.] ; под ред. : Л. А. Кондакова, А. И. Голу-бева. — М. : Машиностроение, 1986. — 464 с.

14. Пат. 2518796 РФ, МПК F 04 B 19/06. Машина объёмного действия / Болштянский А. П., Щерба В. Е., Виниченко В. С. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. — № 2013100631/06 ; заявл. 09.01.13 ; опубл. 10.06.14, Бюл. № 18. - 5 с.

15. Пат. 2534655 РФ, МПК F 04 B 39/04. Способ работы насос-компрессора и устройство для его осуществления / Болштянский А. П., Щерба В. Е., Нестеренко Г. А. и др. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. -№ 2013125073/06 ; заявл. 29.05.13 ; опубл. 10.12.14, Бюл. № 34. - 5 с.

16. Поршневые компрессоры / Б. С. Фотин [и др.] ; под общ. ред. Б. С. Фотина. - Л. : Машиностроение, 1987. - 372 с.

17. Щерба, В. Е. Рабочие процессы компрессоров объемного действия / В. Е. Щерба. - М. : Наука, 2008. - 319 с.

18. Пластинин, П. И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчет. - М. : Колос, 2000. - 456 с.

19. Поршневые компрессоры с бесконтактным уплотнением / А. П. Болштянский, В. Е. Щерба, Е. А. Лысенко, Т. А. Ивахненко. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. - 416 с.

20. Поршневые компрессоры / С. Е. Захаренко [и др.] ; под ред. С. Е. Захаренко. - М. - Л. : ГНТИ Машиностроит. лит., 1961. — 457 с.

21. Новиков, И. И. Бессмазочные поршневые уплотнения в компрессорах / И. И. Новиков, В. П. Захаренко, Б. С Ландо. — Л. : Машиностроение, 1981. — 238 с.

22. Zurcher, M. H. Labyrinth und Kunststoffring — Trockenlaufkompressoren // Techn. Rudschau Sulzer. — 1967. — 49, № 1. — Р. 25 — 29.

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

24. Щерба, В. Е. Математическое моделирование рабочих процессов поршневого компрессора с интенсивным охлаждением цилиндро-поршневой группы / В. Е. Щерба, В. В. Шалай, Е. А. Павлюченко [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2015. — № 4. — С. 28 — 32.

КОНДЮРИН Алексей Юрьевич, соискатель по кафедре гидромеханики и транспортных машин Омского государственного технического университета; заместитель генерального директора по производству — директор опытного производства Научно-производственного предприятия «Прогресс», г. Омск.

Адрес для переписки: grigorev.84@list.ru

Статья поступила в редакцию 09.09.2015 г. © А. Ю. Кондюрин