Разработка и экспериментальное исследование поршневой гибридной энергетической машины с газовым объемом на всасывании

зинокордной оболочкой диафрагменного типа выделен тип направляющих арматур, в которых углы, образованные направляющими арматурами кожуха и поршня с осью Х, в сумме равны 180 или п.

Направляющие арматуры этого типа названы пи арматурами.

Конфигурация РКО в пи арматурах при перемещении РКО в составе ПА по оси Ъ обладает рядом геометрических инвариантов, значения которых остаются постоянными. Например, радиус кривизны, длина профиля гофра.

3. Цилиндрические направляющие арматуры пневматического амортизатора также относятся к пи арматурам.

Библиографический список

1. Трибельский, И. А. Расчетно-экспериментальные методы проектирования сложных резинокордных конструкций : моногр. / И. А. Трибельский, В. В. Шалай, А. В. Зубарев, М. И. Трибельский. - Омск : Изд-во ОмГТУ. - 2011. - 274 с.

2. Равкин, Г. О. Пневматическая подвеска автомобиля / Г. О. Равкин. - М., Машгиз, 1962. - 286 с.

3. Щепетков, В. А. Универсальное уравнение радиуса кривизны профиля гофра резинокордной оболочки пнев-

матического амортизатора / В. А. Щепетков, Е. С. Аникин,

A. В. Зубарев, Ю. П. Комаров // Омский научный вестник. Сер. Машины, приборы и технологии. - 2014. - № 2 (130). -С. 126-129.

4 Глазкова, Е. Ю. Перекатывание профиля РКО по направляющим цилиндрическим арматурам / Е. Ю. Глазкова,

B. А. Щепетков, А. В. Зубарев // Динамика систем, механизмов и машин : материалы IX Междунар. науч.-техн. конф. -Омск : Изд-во ОмГТУ. - 2014. - № 1. - С. 46-50.

КОНДЮРИН Алексей Юрьевич, заместитель генерального директора — директор опытного производства Научно-производственного предприятия «Прогресс», г. Омск.

ЗУБАРЕВ Александр Викторович, кандидат технических наук, генеральный директор Научно-производственного предприятия «Прогресс», г. Омск. ЩЕПЕТКОВ Владимир Александрович, научный сотрудник Научно-производственного предприятия «Прогресс», г. Омск.

Адрес для переписки: otdel2@progress-omsk.ru

Статья поступила в редакцию 23.09.2015 г. © А. Ю. Кондюрин, А. В. Зубарев, В. А. Щепетков

УДК 621512 Д. А. КУЗЕЕВА

Омский государственный технический университет

РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРШНЕВОЙ ГИБРИДНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ГАЗОВЫМ ОБЪЕМОМ НА ВСАСЫВАНИИ

В данной статье описывается новая конструкция поршневой гибридной энергетической машины с газовым объемом на всасывании, отмечаются задачи, которые необходимо решить для ее создания. Приводится конструкция экспериментального стенда с образцом агрегата, а также некоторые результаты поставленного эксперимента по проверке работоспособности.

Ключевые слова: насос-компрессор, охлаждение, жидкостная рубашка, поршневая машина.

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

Введение. Охлаждение компримируемого газа является одним из основных путей повышения индикаторного к.п.д. и коэффициента подачи компрессора. При интенсивном охлаждении компри-мируемого газа процесс сжатия газа приближается к изотермическому, который позволяет обеспечить уменьшение технической работы при сжатии газа при отношении давлений нагнетания и всасывания 8 = 3 на 17 % по сравнению с адиабатическим процессом сжатия, а при 8 = 5 эта разница уже

составляет 27 % [1]. Для охлаждения поршневых компрессоров используется воздушное, водяное охлаждение и впрыск охлаждающей жидкости.

Вследствие того, что при впрыске жидкости создается развитая поверхность теплообмена и отсутствует термическое сопротивление, что ведет к увеличению коэффициента теплопередачи, можно считать, что впрыск жидкости обеспечивает самое интенсивное охлаждение сжимаемого газа [2]. Однако, несмотря на высокую эффективность

охлаждение компримируемого газа, охлаждение впрыском жидкости не получило широкого практического применения в поршневых компрессорах. Это, в первую очередь, обусловлено трудностями эксплуатационного характера: возможностью гидроудара; появлением отложений солей на поверхностях рабочих камер при впрыске воды; необходимостью установки дополнительного оборудования для впрыска и отделения охлаждающей жидкости.

Вследствие этого появилась идея пленочного охлаждения [3], которая затем переросла в идею создания поршневой гибридной энергетической машины, объединяющей функции компрессора и насоса объемного действия [4].

Несмотря на неоспоримые преимущества: интенсивное охлаждение цилиндро-поршневой группы, отсутствие утечек компримируемого газа, уменьшение работы сил трения в цилиндро-порш-невой группе, конструкция насос-компрессора имеет и определенные недостатки, к которым можно отнести: усложнение конструкции компрессора и наличие жидкости, и её нагрев в компримируе-мом газе.

Вследствие этого появилась идея использовать разрежение на всасывании компрессора для прокачки жидкости через рубашечное пространство компрессора.

Ниже (рис. 1) изображена новая конструкция поршневой гибридной энергетической машины.

Описание принципа действия предлагаемого насос-компрессора и возможных его конструктивных схем.

Цилиндр компрессора имеет рубашечное пространство 1 (рис. 1). Нижняя часть рубашечного пространства 1 соединена с помощью трубопроводов 2 с источником жидкости 3. Верхняя часть 4 рубашечного пространства 1 соединена с помощью трубопровода 5 с атмосферой, а с помощью трубопровода 6 с рабочей полостью 8 поршневого компрессора.

Поршневой насос-компрессор работает следующим образом. Предположим, что поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ). При движении вниз (к НМТ) в рабочей полости 8 возникает разрежение. Газ из верхней части рубашечного пространства 4 начинает поступать через трубопровод 5 и всасывающий клапан 6 в рабочую полость 8. Вследствие этого, в газовой полости 4 рубашечного пространства 1 давление начинает уменьшаться. Это приводит к тому, что жидкость из емкости 3 по трубопроводам 2 начинает поступать в рубашечное пространство 1, уменьшая объем газовой полости 4. Одновременно с жидкостью в полость 4 начинает поступать газ по трубопроводу 5. Таким образом, к концу процесса всасывания жидкость совершит максимальный подъем вверх по рубашечному пространству. В конце процесса всасывания в начале процесса сжатия в рабочей полости 8 всасывающий клапан 7 закроется и газ перестанет поступать из полости 4 в полость 8. За счет натекания газа через трубопровод 6 и инерционного подъема жидкости давление в газовой полости 4 поднимется до атмосферного и движение жидкости в рубашечном пространстве прекратится.

При движении от НМТ к ВМТ в рабочей полости 8 начинаются процессы сжатия и нагнетания газа через нагнетательный клапан и трубопровод к потребителю. В это время жидкость под действием сил тяжести из рубашечного пространства 1 через трубопроводы 2 начнет стекать в источник жидкости 3.

Совершая вынужденное движение относительно стенки цилиндра компрессора, жидкость отводит теплоту сжатия и далее ее рассеивает в окружающую среду через стенки трубопроводов 2 и емкости 3. Для организации циркуляционного движения жидкости в трубопроводах 2 можно установить обратные клапаны (всасывающий и нагнетательный). Отвод теплоты от сжимаемого газа позволит приблизить процесс сжатия к изотермическому и,

Рис. 1. Конструкция поршневой гибридной энергетической машины

Рис. 2. Конструктивная схема экспериментального образца

155

следовательно, повысить индикаторныи к.п.д. и коэффициент подачи компрессора.

Предложенная конструкция поршневой гибридной энергетической машины обладает явной новизной и позволяет организовать закрытую систему охлаждения компрессора без использования насоса, что существенно упрощает конструкцию компрессорной установки и уменьшает капитальные затраты на её изготовление.

Таким образом, для создания высокоэффективной гибридной энергетической машины необходимо решить комплекс задач, основными из которых являются:

1. Разработка математической модели рабочих процессов поршневой гибридной энергетической машины.

2. Разработка экспериментального образца поршневой гибридной энергетической машины и экспериментального стенда для её исследования.

3. Проведение экспериментальных исследований с целью получения эмпирических зависимостей, необходимых для разработки математической модели рабочих процессов, и проведение верификации математической модели.

4. Проведение параметрического анализа с целью выявления влияния основных конструктивных и эксплуатационных параметров на рабочие процессы и интегральные характеристики исследуемого устройства и выдача рекомендаций по проектированию.

Необходимо отметить, что основным этапом из перечисленных выше является этап № 2, т.к. он доказывает в принципе работоспособность впервые создаваемого устройства и дает необходимую информацию для разработки математической модели рабочих процессов.

Экспериментальный стенд и экспериментальный образец поршневой гибридной энергетической машины с газовым объемом на всасывании.

Конструктивная схема экспериментального образца представлена на рис. 2. На конструктивной схеме изображена поршневая машина, содержащая цилиндр (16) с жидкостной рубашкой (14), установленный на частично заполненном жидкостью картере (1) с механизмом привода, соединенным с поршнем (15), рабочую полость (13), полости всасывания (9) и нагнетания (11), всасывающий клапан (10) и нагнетательный клапан (12). Рубашка (14) соединена с гидробаком (17) через обратные клапаны (5) и (8). Нижняя часть цилиндра (16) образует с картером (1) общий объем (2), который соединен с атмосферой через предохранительный клапан (3), и напрямую с гидробаком.

При возвратно-поступательном движении поршня (15), газ всасывается через клапан (10) в полость (13), сжимается в ней и подается потребителю через клапан (12). При ходе поршня (15) из положения ВМТ в положение НМТ в полости всасывания (9) возникает разряжение, а в объеме полости (2) создается давление выше атмосферного, на величину, обусловленную предохранительным клапаном (3). Под действием перепада давления между полостями 9 и 2, жидкость из гидробака (17) через рубашку охлаждения (14) и клапан (8) поднимается в индикаторную трубку (7).

При ходе поршня (15) из положения НМТ в положение ВМТ объем полости (2) увеличивается, и давление в ней падает ниже атмосферного, а давление в полости всасывания (9) увеличивается до атмосферного, и охлаждающая жидкость из бачка (17) через клапан (5) и теплообменник (4) сливается обратно в гидробак (17). В дальнейшем цикл работы повторяется.

Изменяя проходное сечение отверстия всасывания (6) можно изменять максимальное разряжение в полости всасывания (9) и изменять объем всасываемой жидкости в индикаторную трубку (7) за один ход поршня.

Рис. 3. Пневмогидравлическая схема экспериментального стенда А1 — клапанный блок, АТ1 —аппарат теплообменный

(змеевик), АТ2 — аппарат теплообменный (рубашка охлаждения цилиндра), Б1 — гидробак, ВН1 — вентиль, ВН2 — вентиль, КМ1 — компрессор поршневой, КП1 — пневмоклапан предохранительный, МН1 — манометр, РС1 — ресивер, Ф1 — фильтр воздушный, ППК1 — пневмоканал в газовую полость картера компрессора

Рис. 4. Внешний вид экспериментального стенда

С целью проведения исследований был собран экспериментальный стенд на базе серийного поршневого компрессора ОБ АЕЯО-16.

Основные характеристики компрессора:

1) тип компрессора — поршневой масляный;

2) тип привода — коаксиальный (с прямым приводом);

3) производительность на впуске — 200 л/мин;

4) рабочее давление — 8 бар;

5) диаметр поршня — 47 мм;

6) ход поршня — 38 мм.

Пневмогидравлическая схема экспериментального стенда и внешний вид стенда представлены на рис. 3, 4.

Стенд состоит из поршневого компрессора, вокруг цилиндра выполнена рубашка охлаждения, соединенная с гидробаком и всасывающим клапаном клапанного блока. Нагнетательный клапан клапанного блока соединен через теплообменник также с гидробаком. Газовая полость картера соединена с газовой полостью гидробака, и с атмосферой через предохранительный клапан. Клапанный блок представляет собой полость заполненную жидкостью с установленными в ней двумя клапанами, всасывающим и нагнетательным, установленными. Верхняя часть клапанного блока соединена с линией всасывания компрессора индикаторной трубкой, в которой проходит граница между жидкостью и газом. На входе в линию всасывания компрессора установлен вентиль, для изменения разряжения в индикаторной трубке. Для изменения частоты вращения компрессора использован частотный преобразователь, что позволило изменять обороты от минимально поддерживаемых двигателем до предусмотренных заводом-изготовителем (2800 об/мин).

Размеры основных элементов стенда:

1. Внутренний диаметр рубашки охлаждения — 70 мм.

2. Наружный диаметр рубашки охлаждения — 80 мм.

3. Высота рубашки охлаждения — 60 мм.

4. Размеры трубки от линии всасывания компрессора до клапанного блока системы охлаждения: длина — 260 мм, внутренний диаметр — 4 мм.

5. Размеры трубки от полости картера компрессора до гидробака системы охлаждения: длина — 100 мм, внутренний диаметр — 4 мм.

6. Размеры трубки от гидробака до рубашки охлаждения: длина — 280 мм, внутренний диаметр — 8 мм.

7. Размеры трубки от рубашки охлаждения до клапанного блока системы охлаждения: длина — 200 мм, внутренний диаметр — 4 мм.

8. Размеры трубки от клапанного блока системы охлаждения до гидробака: длина — 260 мм, внутренний диаметр — 4 мм.

9. Диаметр проходного сечения клапанов системы охлаждения — 3 мм.

Результаты экспериментальных исследований. Были проведены эксперименты по проверке работоспособности предлагаемого технического решения и определению диапазона его рабочих параметров. В результате проведенных экспериментов были получены зависимость расхода жидкости в системе охлаждения от давления нагнетания компрессора (рис. 5), а также зависимость расхода от частоты вращения коленчатого вала компрессора (рис. 6).

После обработки экспериментальных данных было установлено, что с увеличением давления нагнетания компрессора наблюдается уменьшение расхода жидкости в охлаждающей системе (рис. 5), что связано с увеличением продолжительности процесса обратного расширения из мертвого пространства компрессорной полости. При увеличении частоты вращения коленчатого вала

Рис. 5. Зависимость расхода жидкости в системе охлаждения от давления нагнетания компрессора

Рис. 6. Зависимость расхода жидкости в системе охлаждения от оборотов коленчатого вала

компрессора происходит снижение расхода жидкости в системе охлаждения (рис. 6). Данное явление обусловлено в первую очередь увеличением времени запаздывания открытия и закрытия запорных органов клапанного узла системы охлаждения.

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

3. А. с. 1135923 СССР, МКИ Б 04 С 18/356, Г 04 С 29/04. Ротационный компрессор / В. Е. Щерба, А. Н. Кабаков,

В. Л. Юша, А. П. Болштянский (СССР). - № 361012/25-06 ; заявл. 29.06.83 ; опубл. 23.01.85, Бюл. № 3. - 4 с.

4. 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-тет. - № 20121077932/06 ; заявл. 01.03.12 ; опубл. 20.07.12, Бюл. № 20. - 5 с.

КУЗЕЕВА Диана Анатольевна, аспирантка, старший преподаватель кафедры гидромеханики и транспортных машин.

Адрес для переписки: kda55@list.ru

Статья поступила в редакцию 09.09.2015 г. © Д. А. Кузеева

Книжная полка

621.9-229/Б71

Блюменштейн, В. Ю. Проектирование технологической оснастки : учеб. пособие для вузов по направлению подгот. дипломир. специалистов «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» / В. Ю. Блюменштейн, А. А. Клепцов. - 3-е изд., стер. - СПб. : Лань, 2014. - 219 с.

Дана классификация и изложена методика проектирования приспособлений. Особое внимание уделено системам технологической оснастки. Рассмотрены схемы установки заготовок, методики выбора и расчетов основных типов приспособлений. Приведены примеры типовых конструкций станочных приспособлений.

Учебное пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки «Машиностроение» всех форм обучения, аспирантов и специалистов, занимающихся проектированием технологической оснастки.

621.791/Е70

Еремин, Е. Н. Газовая сварка : учеб. пособие для вузов по направлению подгот. 150301 (150700.62) «Машиностроение» и специальности 150501 (151701.65) «Проектирование технологических машин и комплексов» / Е. Н. Еремин, Ю. А. Филиппов. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. - 187 с.

Рассмотрены сущность и особенности газокислородной сварки. Приведены сведения о применяемых сварочных материалах, оборудовании и аппаратуре. Показаны способы и приемы выполнения различных видов сварных соединений. Изложены вопросы технологии и техники сварки углеродистых и легированных сталей, чугуна, цветных металлов и сплавов.

Предназначено для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению подготовки 150301 (150700.62) «Машиностроение» и специальности 150501 (151701.65) «Проектирование технологических машин и комплексов», а также может быть полезно инженерам и специалистам, занятым в сварочном производстве.