Разработка опытного образца бескрейцкопфной поршневой гибридной энергетической машины

Оригинальная статья / Original article УДК 621.22

DOI: http://dx.d0i.0rg/l0.21285/1814-3520-2018-11 -63-70

РАЗРАБОТКА ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА БЕСКРЕЙЦКОПФНОЙ ПОРШНЕВОЙ ГИБРИДНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

© А.С. Тегжанов1, В.Е. Щерба2, Е.Ю. Носов3

Омский государственный технический университет, 644050, Российская Федерация, г. Омск, пр-т Мира, 11.

РЕЗЮМЕ: Цель - разработка опытного образца бескрейцкопфной поршневой энергетической машины, обладающей улучшенным охлаждением компримируемого газа и улучшенными значениями массогабаритных показателей. Используются современные методы проектирования конструирования поршневых компрессоров и насосов. На основе анализа существующих конструкций поршневых гибридных энергетических машин, предназначенных для одновременного сжатия и перемещения газа и капельных жидкостей, разработана новая перспективная конструкция бескрейцкопфной поршневой энергетической машины, обладающей улучшенным охлаждением компримируемого газа и улучшенными значениями массогабаритных показателей. При использовании основных подходов к проектированию поршневых компрессоров и насосов определены конструктивные размеры деталей и узлов бескрейцкопфной гибридной энергетической машины. Предложена новая конструкция поршневой бескрейцкопфной энергетической машины, обладающей улучшенным охлаждением компримируемого газа и мас-согабаритными показателями. Используя основные положения методик проектирования поршневых компрессоров и насосов, определены основные конструктивные размеры машины. Для разработки сборочных чертежей использовался пакет прикладных программ «Solid Works». Проведенные динамический и прочностной расчеты основных деталей и узлов подтвердили правильность выбранных материалов и размеров.

Ключевые слова: поршень, цилиндр, поршневой компрессор, поршневой насос, гибридная энергетическая машина, крейцкопф, опытный образец, проектирование, конструирование

Информация о статье: Дата поступления 12 мая 2018 г.; дата принятия к печати 30 октября 2018 г.; дата онлайн-размещения 30 ноября 2018 г.

Для цитирования: Тегжанов А.С., Щерба В.Е., Носов Е.Ю. Разработка опытного образца бескрейцкопфной поршневой гибридной энергетической машины. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018;22(11):63—70. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-11-63-70.

DEVELOPMENT OF THE PILOT CROSSHEAD-FREE PISTON HYBRID ENERGY MACHINE

Ablay-Khan S. Tegzhanov, Viktor E. Shcherba, Evgeniy Yu. Nosov

Omsk State Technical University,

11 Mira pr., Omsk 644050, Russian Federation

1Тегжанов Аблай-Хан Савитович, ассистент кафедры «Гидромеханика и транспортные машины», e-mail: ablai1991@mail.ru

Ablay-Khan S. Tegzhanov, Assistant Professor of the Department of Hydromechanics and Transport Machines, e-mail: ablai1991@mail.ru

2Щерба Виктор Евгеньевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Гидромеханика и транспортные

машины», e-mail: scherba_v_e@list.ru

Viktor E. Shcherba, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department of Hydromechanics and Transport Machines, e-mail: scherba_v_e@list.ru

3Носов Евгений Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидромеханика и транспортные машины»,

e-mail: nosovjon@mail.ru

Evgeniy Yu. Nosov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Hydromechanics and Transport Machines, e-mail: nosovjon@mail.ru

ABSTRACT: The purpose of the paper is to develop a pilot crosshead-free piston power machine with improved cooling of compressed gas and better mass-dimensions. The work uses the modern methods of designing reciprocating compressors and pumps. A new promising design of a crosshead-free piston power machine with improved cooling of the compressed gas and better mass-dimensional parameters has been developed on the basis of the analysis of the existing designs of reciprocating hybrid power machines intended for simultaneous compression and movement of gas and fluids. Using the basic approaches to the design of reciprocating compressors and pumps, the main design dimensions of the parts and assemblies of the crosshead-free hybrid power machine have been determined. A new design of a crosshead-free piston power machine is proposed. It has improved cooling of the compressed gas and better mass dimensions. Using the basic principles of design techniques for reciprocating compressors and pumps, the main design dimensions of the machine have been determined. The Solid Works software package was used to develop the assembly drawings. Conducted dynamic and strength calculations of the main parts and assemblies have confirmed the correctness of the selected materials and dimensions.

Keywords: piston, cylinder, reciprocating compressor, reciprocating pump, hybrid power machine, crosshead, pilot sample, designing, design engineering

Information about the article: Received 12 May, 2018; accepted for publication 30 October, 2018; available online 30 November, 2018.

For citation: Tegzhanov A.-Kh.S., Shcherba V.E., Nosov E.Yu. Development of the pilot crosshead-free piston hybrid energy machine. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018;22(11):pp. 63-70. (In Russ.) DOI: 10.21285/1814-3520-2018-11-63-70.

Введение

Поршневые машины объемного действия продолжают оставаться наиболее предпочтительным типом машин для сжатия и перемещения газов и жидкостей, в связи с чем, несмотря на кажущуюся простоту их конструкций, продолжаются интенсивные исследования различных аспектов их функционирования с целью повышения экономичности и различных эксплуатационных свойств [1-6 и др.]

Как указывают авторы [7], одним из наиболее эффективных путей повышения экономичности и производительности поршневого компрессора и поршневого насоса является их объединение в единый агрегат. Проведенный анализ такого агрегатирования [8] показал, что основные преимущества гибрида проявляются за счет интенсификации процесса охлаждения компримируемого газа и улучшения мас-согабаритных показателей машины.

Результаты и обсуждения

Учитывая вышесказанное, необходимо взять эти преимущества за целевую функцию, и при создании новой высокоэффективной гибридной энергетической машины пытаться улучшить именно эти преимущества. Первоначально разработанные поршневые гибридные энергетические машины имели крейцкопфную схему [9, 10 и др.]. Поршневая крейцкопфная гибридная энергетическая машина работает следующим образом (рис. 1).

При ходе поршня вверх происходит сжатие и нагнетание газа в надпоршневой компрессорной секции, а в подпоршневой

насосной секции - процессы обратного расширения и всасывания жидкости. При ходе поршня вниз, от ВМТ к НМТ, в компрессорной секции происходит обратное расширение и всасывание, в насосной секции - сжатие и нагнетание.

Необходимо отметить, что в данной схеме осуществляется охлаждение деталей цилиндро-поршневой группы компрессорной секции за счет теплопроводности материалов цилиндра и поршня, ликвидация утечек сжимаемого газа в цилиндро-поршневой группе, уменьшение работы сил трения.

К недостаткам данной машины следует отнести все же достаточно большие габариты, массу и недостаточно интенсивное охлаждение стенок рабочей полости компрессорной секции.

Эти недостатки частично устраняются в бескрейцкопфной поршневой гибридной энергетической машине, предложенной

в [11]. Принципиальная схема машины представлена на рис. 2.

Машина содержит цилиндр с газовой 11 и жидкостной 8 полостями, соединенными через клапаны 12, 13, 14, 9 с источниками и потребителями газа и жидкости.

Рис. 1. Схема поршневой крейцкопфной гибридной энергетической машины: 1 - рама, установленная на ресивере; 2 - смазочное масло; 3 - картер; 4 - коленчатый вал; 5 - шатун; 6 - крейцкопф; 7 - нагнетательный клапан; 8 - цилиндр; 9 - буферная канавка; 10 - клапанная головка; 11 - рубашка охлаждения; 12 - поршень; 13 - всасывающий клапан; 14 - шток; 15 - направляющая крейцкопфа; 16 - шкив Fig. 1. Diagram of piston crosshead hybrid power machine: 1 - frame mounted on the receiver; 2 - lubricating oil; 3 - crankcase; 4 - crankshaft; 5 - connecting rod; 6 - crosshead; 7 -delivery valve; 8 - cylinder; 9 - cushion groove; 10 - valve head; 11 - cooling jacket; 12 - piston; 13 - suction valve; 14 - thrust rod; 15 - crosshead slide; 16 - pulley wheel

Рис. 2. Схема поршневой бескрейцкопфной гибридной энергетической машины: 1 - картер; 2 - коленчатый вал; 3 - противовес; 4 - кривошип; 5 - шатун; 6 - шатунный палец; 7 - дифференциальный поршень; 8 - насосная полость; 9 - нагнетательный клапан; 10 - рубашка охлаждения; 11 - компрессорная полость; 12 - всасывающий клапан; 13 - нагнетающий клапан; 14 - всасывающий клапан; 15 - уплотнение; 16 - масло Fig. 2. Diagram of a crosshead-free piston hybrid power machine: 1 -crankcase; 2 - crankshaft; 3 - counterweight; 4 - crank; 5 - connecting rod; 6 - connecting rod pin; 7 - double-diameter piston; 8 - pump cavity; 9 - delivery valve; 10 - cooling jacket; 11 - compressor cavity; 12 - suction valve; 13 - delivery valve; 14 - suction valve; 15 -compaction; 16 - oil

Поршень имеет дифференциальный вид. Внутренняя часть поршня 7 предназначена для сжатия и перемещения газа, а внешняя предназначена для сжатия и перемещения жидкости. В машине отсутствует крейцкопф, что уменьшает массу и габариты. кроме того, приближение жидкостной полости к газовой позволяет интенсифицировать охлаждение последней, что приводит к улучшению охлаждения сжимаемого

газа. К недостаткам следует отнести все еще достаточно значительные габариты и массу, а также охлаждение цилиндро-поршневой группы.

Учитывая вышеизложенное, разработана новая конструкция бескрейцкопф-ной поршневой гибридной энергетической машины, принципиальная схема которой представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема бескрейцкопфной поршневой гибридной энергетической машины улучшенной конструкции: 1 - картер; 2 - коленчатый вал; 3 - противовес; 4 - кривошип; 5 - шатун; 6 - палец шатуна; 7 - тронковый поршень; 8 - компрессорная полость; 9 - выступ; 10 - теплоизоляция; 11 - насосная полость; 12 - нагнетательный клапан; 13 - всасывающий клапан; 14 - нагнетательный клапан; 15 - всасывающий клапан; 16 - уплотнение; 17 - масло Fig. 3. Diagram of a crosshead-free piston hybrid power machine of improved design: 1 -crankcase; 2 - crankshaft; 3 - counterweight; 4 - crank; 5 - connecting rod; 6 - connecting rod pin; 7 - trunk piston; 8 - compressor cavity; 9 - protrusion; 10 - thermal insulation; 11 - pump cavity; 12 -delivery valve; 13 - suction valve; 14 - delivery valve; 15 - suction valve; 16 - compaction; 17 - oil

Для уменьшения габаритов поршень 7 выполнен П-образный, открытый в сторону газовой полости. Таким образом, газовая полость размещена в нижней части цилиндра, а жидкостная в верхней части цилиндра. В клапанной плите выполнены каналы для подвода и отвода жидкости. Жидкость, окружающая клапанную плиту, интенсивно охлаждает последнюю и соответственно газ, поступающий по каналу к потребителю. Таким образом, клапанная пли-

та используется как концевой (либо промежуточный) теплообменник. В том случае, если температура всасываемого газ ниже температуры жидкости в насосной секции, необходимо осуществлять теплоизоляцию 10 всасывающего канала.

Особенностью бескрейцкопфной схемы поршневой гибридной энергетической машины по сравнению с крейцкопф-ной является одновременное протекание аналогичных процессов в компрессорной и

насосной секциях.

С целью экспериментального исследования бескрейцкопфной поршневой энергетической машины была разработана конструкторская документация на опытный образец бескрейцкопфной поршневой гибридной машины. Опытный образец будет иметь следующие размеры:

Внутренний диаметр поршня - 55

мм.

Внешний диаметр поршня - 65 мм.

Ход поршня - 47 мм.

Значение радиального зазора между внутренней поверхностью поршня и блоком клапанной плиты -30 мкм.

Значение радиального зазора между внешней поверхностью поршня и внутренней поверхностью цилиндра -30 мкм.

Площадь прохода в щели всасывающего клапана компрессорной секции -11,05 мм2.

Площадь прохода в щели нагнетательного клапана компрессорной секции -11,05 мм2.

Максимальная высота подъема запорного органа нагнетательного клапана компрессорной секции -1,5 мм.

Максимальная высота подъема запорного органа всасывающего клапана компрессорной секции -1,5 мм.

Жесткость пружины всасывающего клапана компрессорной секции - 4,2 Н/мм.

Жесткость пружины нагнетательного клапана компрессорной секции - 4,2 Н/мм.

Площадь прохода в щели всасывающего клапана насосной секции - 11,3 мм2.

Площадь прохода в щели нагнетательного клапана насосной секции -9,42

мм2.

Максимальная высота подъема запорного органа всасывающего клапана насосной секции - 1,2 мм.

Максимальная высота подъема запорного органа нагнетательного клапана насосной секции - 1 мм.

Жесткость пружины нагнетательного клапана насосной секции - 0,34 Н/мм.

Жесткость пружины всасывающего клапана насосной секции - 0,28 Н/мм.

Диаметр всасывающего канала в

компрессорной секции - 10 мм.

Диаметр нагнетательного канала в компрессорной секции - 6 мм.

Общая длина поршня -119 мм.

Эти размеры были получены при проектировании данной гибридной энергетической машины, в основу которого были положены методики проектирования поршневых компрессоров и поршневых насосов, описанные в [7, 10, 12-16].

При проектировании данной машины были выдержаны основные требования:

1. Отношение хода поршня к диаметру.

2. Значение средних скоростей газа и жидкости в трубопроводах и клапанах.

3. Ограничения по средней скорости поршня.

При конструировании бескрейц-копфной поршневой энергетической машины был использован пакет прикладных программ «Solid Works». Основные рабочие тела, предполагаемые для сжатия и перемещения в бескрейцкопфной поршневой гибридной энергетической машине: воздух и минеральные масла.

Основными эксплуатационными параметрами проектируемой машины являются:

- давление нагнетания в компрессорной секции - до 10 бар;

- давление нагнетания в насосной секции - до 20 бар;

- угловая скорость вращения коленчатого вала -250-750 мин-1;

- давление всасывания в насосной секции - 1 бар;

- давление всасывания в компрессорной секции - 1 бар;

Для спроектированной гибридной энергетической машины был проведен динамический расчет и прочностной расчет основных деталей и узлов, который подтвердил правильность выбранных материалов и размеров, основных деталей и узлов машины.

В настоящее время осуществляется подготовка к производству образца бес-крейцкопфной поршневой гибридной энергетической машины.

Выводы

Предложена новая конструкция поршневой бескрейцкопфной энергетической машины, обладающая улучшенным охлаждением компримируемого газа и мас-согабаритными показателями. Используя основные положения методик проектирования поршневых компрессоров и насосов, определены основные конструктивные

размеры машины. Для разработки сборочных чертежей использовался пакет прикладных программ «Solid Works». Проведенный динамический и прочностной расчеты основных деталей и узлов, подтвердили правильность выбранных материалов и размеров.

Библиографический список

1. Dagilis V., Vaitkus L. Experimental investigations and analysis of compressor's friction losses // MECHANIKS. 2009. Vol. 79. no. 5. pp. 28-35.

2. Paresh Girdhar. Performance Evaluation of Pamps and Compressors. Luli.com, 2008. 220 p.

3. Myer Kutz. Pumps, Fans, Blowers, and Compressors. John Wiley & Sons, Inc, 2006. 1040 p.

4. Maurice Stewart. Surface Production Operations: Volume IV: Pump and Compressor Systems: Mechanical Design and Specification. - Gulf Professional Publishing, 2018. - 970 p.

5. Bergada J.M., Kumar S., Davies D.L., Watton J. A complete analysis of axial piston pump leakage and output flow ripples/Applied Mathematical Modeling, Volume 36, Issue 4, April 2012, Pages 1731-1751.

6. Bergada J.M., Watton J., Kumar S. Pressure, flow, force and torque between the barrel and port plate in an axial piston pump, ASME J. Dyn. Syst. Measure. Control. 130 (2008) 011011-1-011011-16.

7. Щерба В.Е., Болштянский А.П., Шалай В.В. Ходырева Е.В. Насос-компрессоры. Рабочие процессы и основы проектирования. М.: Машиностроение. 2013. 388 с.

8. Щерба В.Е., Болштянский А.П., Кайгородов С.Ю., Кузеева Д.А. Анализ основных преимуществ объединения компрессоров и насосов объемного действия в единый агрегат // Вестник машиностроения. 2015. № 12. С. 15-19.

9. Щерба В.Е., Лысенко Е.А., Нестеренко Г.А. и др. Разработка и исследование поршневого уплотнения, выполненного в виде гладкой щели ступенчатого вида, для поршневой гибридной энергетической машины объемного действия // Химическое и

нефтегазовое машиностроение. 2016. № 4. С. 45-48.

10. Кондюрин А.Ю., Щерба В.Е., Шалай В.В. и др. Расчет течения жидкости в щелевом уплотнении насос-компрессора, выполненном в идее гидродиода // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2016. № 4. С. 30-35.

11. Пат. № 2644424, Российская Федерация, МПК F04В19/06. Гибридная машина с тронковым поршнем / В.Е. Щерба, А.П. Болштянский, А.Ю. Кондюрин и др.; заявитель и патентообладатель «Омский государственный технический университет». № 20161145987; заявл. 23.11.2016, опубл. 12.02.2018, Бюл. № 5.

12. Bannwarth H. Liquid Ring Vacuum Pumps, Compressors and Systems. John Wiley & Sons, 2006. 512 р.

13. Bergada J., Watton J. Optimization of the lift characteristics of an axial piston pump grooved slipper // Proceedings of the JFPS International Symposium on Fluid Power. 2005. P. 700-704.

14. Mohitpour M., Botros K.K., Hardeveld V. Pipeline Pumping and Compression Systems: A Practical Approach. ASMEPRESS, 2008. 400 p.

15. Dagilis V., Vaitkus L., Kirejchick D. Slider-link Driven compressor (I). Mathematical model. Mechanika. Kaunas: Technologija, 2006, № 6(62). p. 25-31.

16. Dagilis V., Vaitkus L., Kirejchick D. Mathematical model of slider-link driven compressor (I). 6th Int. Conf. on Compressors and Coolants - Compressors' 2006. The almanac of Proceedings. Slovakia, 2006. p. 110-118.

References

1. Dagilis V., Vaitkus L. Experimental investigations and analysis of compressor's friction losses. MECHANIKS. 2009. Vol. 79, no. 5. pp. 28-35.

2. Paresh Girdhar. Performance Evaluation of Pamps and Compressors. Luli.com Publ., 2008. 220 p.

3. Myer Kutz. Pumps, Fans, Blowers, and Compressors. John Wiley & Sons, Inc, Publ, 2006. 1040 p.

4. Stewart M. Surface Production Operations. Pump and Compressor Systems: Mechanical Design and

Specification. Gulf Professional Publ., 2018. Vol. IV. 970 p.

5. Bergada J.M., Kumar S., Davies D.L., Watton J. A complete analysis of axial piston pump leakage and output flow ripples. Applied Mathematical Modeling. 2012. Vol. 36, Iss. 4. pp. 1731-1751.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.apm.2011.09.016

6. Bergada J.M., Watton J., Kumar S. Pressure, flow, force and torque between the barrel and port plate in an

axial piston pump, ASME J. Dyn. Syst. Measure. Control. 2008. Vol. 130 no. 1 011011-1-011011-16.

7. Shcherba V.E., Bolshtyanskii A.P., Shalai V.V. Kho-dyreva E. V. Nasos-kompressory. Rabochie protsessy i osnovy proektirovaniya [Pump compressors. Workflows and design basics]. M.: Mashinostroenie. 2013. 388 p.

8. Shcherba V.E., Bolshtyanskii A.P., Kaigorodov S.Yu., Kuzeeva D.A. Analysis of advantages of integration of displacement compressors and pumps into single unit. Vestnik mashinostroeniya [Machine Building Bulletin].

2015, no. 12, pp. 15-19.

9. Shcherba V.E., Lysenko E.A., Nesterenko G.A. et al. Development and investigation of piston seal constructed in form of smooth stepped slit for piston hybrid energy machine. Khimicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie [Chemical and Petroleum Engineering].

2016, no. 4, pp. 45-48.

10. Kondyurin A.Yu., Shcherba V.E., Shalai V.V. et al. Calculation of a current of liquid in the slot-hole sealing the pump compressor executed in the form of the hydrodiode. Khimicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie [Chemical and Petroleum Engineering].

Критерии авторства

Тегжанов А.С., Щерба В.Е., Носов А.Ю. заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

2016, no. 4, pp. 30-35.

11. Shcherba V.E., Bolshtyanskii A.P., Kondyurin A.Yu. Gibridnaya mashina s tronkovym porshnem [Hybrid machine with trunk piston]. Pat. RF no. 2644424, 2016.

12. Bannwarth H. Liquid Ring Vacuum Pumps, Compressors and Systems. John Wiley & Sons, 2006. 512 p.

13. Bergada J., Watton J. Optimization of the lift characteristics of an axial piston pump grooved slipper. Proceedings of the JFPS International Symposium on Fluid Power. 2005. pp. 700-704.

14. Mohitpour M., Botros K.K., Hardeveld V. Pipeline Pumping and Compression Systems: A Practical Approach. ASMEPRESS, 2008. 400 p.

15. Dagilis V., Vaitkus L., Kirejchick D. Slider-link Driven compressor (I). Mathematical model. Mechanics. 2006, no. 6(62), pp. 25-31.

16. Dagilis V., Vaitkus L., Kirejchick D. Mathematical model of slider-link driven compressor (I). 6th Int. Conf. on Compressors and Coolants - Compressors' 2006. The almanac of Proceedings. Slovakia, 2006. p. 110-118.

Authorship criteria

Tegzhanov A.S., Shcherba V.E., Nosov E.Yu. declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.