Оптимизация самодействующих клапанов поршневых компрессоров

А. Ф. Сарманаева, Т. Н. Мустафин, Г. Н. Чекушкин ОПТИМИЗАЦИЯ САМОДЕЙСТВУЮЩИХ КЛАПАНОВ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ

Ключевые слова: самодействующий клапан, численное моделирование, оптимизация параметров.

Приведены результаты исследований проточной части, а также динамики подвижных элементов самодействующих клапанов. Дана методика численного моделирования рабочих процессов с учетом реальности свойств газа и выполнена оптимизация параметров рассматриваемого клапана.

Key words: self-acting valve, computational modeling, optimization of parameters.

Results of researches of a gas-flow part, and also dynamics of movable elements of self-acting valves are presented. The method of computational modeling of the working processes taking into account a reality ofproperties of the gas is given and optimization ofparameters of the considered valve is executed.

Клапаны, являющиеся механизмом газораспределения ряда объемных машин, определяют организацию рабочего процесса и соответственно основные характеристики компрессора. Для самодействующих клапанов характерно обеспечение почти полного внутреннего сжатия и расширения газа на всех режимах по давлениям на входе и выходе ступени, что обеспечивает неплохие показатели компрессора. Этот вид клапанов, как правило, представляют собой сочетание кольцевых, дисковых или лепестковых всасывающих и нагнетательных пластин. Перечисленным вариантам исполнений в большей или меньшей степени свойственна ограниченная площадь проходного сечения, наличие мертвого пространства, потерь на трение, неравномерный износ уплотняющих поясков и как следствие утрата герметичности.

Целью настоящей работы является оптимизация клапана поршневого компрессора на основе исследования его характеристик с использованием экспериментальных результатов и численного моделирования рабочих процессов.

В случае самодействущих клапанов спецификой протекания рабочих процессов является переменная масса рабочего тела. Описание процессов выполнено на основе математического моделирования и экспериментальных результатов с учетом реальности свойств газа, что, в конечном счете, позволяет дать рекомендации по модернизации машин.

Модель реализуется при принятии следующих допущений в выводе исходной системы уравнений: параметры газа в рабочей камере непрерывны и однородны; на входе и выходе ступени параметры газа постоянны.

Процессы в рабочей полости машин объемного принципа действия описываются на основе закона сохранения энергии системой уравнений

v [f^/Aink.' dQ J/as' c .fcP') .(dV v \ V-cp ((¡^l( ю dr J ю-dxj (¿VJT p (avJT (dф ю (

v (7^fAink.cm*'i-_dQ V-Cp ftk=it ю dr J ю-с (aP1 -v-(S )t Sb 'litdV v v Jp J f СФ ю

CP-ta J -,J-[(S l--(a

(f i - • -fav i -ta-i

ча

(dm.

dr

f dm.

dr

где Р,Т,б, Ср, V - давление, температура, энтропия,

мгновенная изобарная теплоемкость удельный объем газа; V- текущий объем рабочей полости; Д1пк = I - ¡пк -разница энтальпий притекаемого газа и газа в рабочей

полости; ю = —- -угловая скорость коленвала; хх -Ьх Ьт

мгновенный массовый расход через клапана или щели dQ

в поршневых кольцах; -тепловой поток подводи-

dт

мый к газу в результате теплообмена со стенками.

Зависимости для газа ви-

да: I = Цр; Т), в = Г2 (р; Т), V = 1з (р; Т) отыскиваются

как полиномы термодинамических свойств или из эмпирических зависимостей.

Для процессов всасывания и нагнетания имеет место массообмен, в котором участвуют самодействующие клапаны, осуществляемый через переменное во времени проходное сечение, что дополнительно требует введения уравнения динамики, записываемого в виде:

1

dф2 тп -ю

— =-2 •

В уравнении р - коэффициент давления потока; ^ - площадь проходного сечения седла клапана; р1, р2 -давление полости в которую и из которой происходит истечение; С -жесткость пружины; И,И0 -текущая высота и предварительный натяг пластины; Z - мгновенная скорость движения пластины; X -коэффициент демпфирования; О - проекция силы упругости пружины. Первое слагаемое определяет силу воздействия на пластину газового потока; второе-силу упругости пружины; третье-силу трения; последнее-проекцию силы упругости пружины.

Данная математическая модель с учетом реальности свойств газа может быть реализована, лишь в том случае, если известны коэффициент давления потока газа на закрывающий орган клапана и коэффициент расхода. Эти величины достаточно трудно рассчитать теоретически, их экспериментальному исследованию и посвящена текущая работа. На рис.1

dP

dT

представлены результаты исследования коэффициента давления.

р

фреон-134а о воздух х фреон-22

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 h, мм

Рис. 1 - Зависимость коэффициента давления потока р от хода пластины клапана И

Зависимость коэффициента Рд для различных

рабочих тел, в соответствии с рисунком, показывает, что в реальных условиях при моделировании работы клапана необходимо учитывать род рабочего тела.

В случае коэффициента расхода при различных вариантах поточной части установлена возможность использования обобщенной характеристики.

Таким образом, полученные значения коэффициентов расхода клапанов и коэффициентов давления потока предлагается использовать не только для проведения текущего исследования, но они могут быть рекомендованы и при математическом моделировании холодильных компрессоров с самодействующими клапанами, работающих на хладонах R134a и Я22.

Немаловажна в вопросах газораспределения прочность пластин, поскольку они находятся в исключительно тяжелых условиях при повышенных динамических нагрузках, а также деформациях в закрытом состоянии от разности давлений газа. Установлено, что характерным видом поломки пластин кольцевого клапана являются трещины, направленные преимущественно в радиальном направлении, что свидетельствует о повышенных касательных напряжениях в сравнении с радиальными. Неравномерный износ по кромкам приводит к возникновению дополнительных напряжений в пластинах, вследствие деформированного состояния пластины под действием разности давлений в закрытом клапане. Этого недостатка лишены клапаны лепесткового типа, представляющие собой консольно закрепленную пластину, конец которой перекрывает одно или несколько отверстий в седле. Также известны комбинированные клапаны в пластинах, которых лепестки объединены по наружному или внутреннему диаметру. В этом случае для развития площади проходного сечения применяют несколько различных типоразмеров пластин, а размещение нагнетательных из них оставляет значительную величину мертвого объема в каналах седла, из которых рабочее тело после нагнетания расширяется, уменьшая производительность компрессора. Таким образом, ввиду наличия преимуществ лепестковых типов запорных пластин их использование в составе прорабатываемой комбинированной конструкции клапана является перспективным, а вследствие перечисленных недостатков их газодина-

мические характеристики и динамика требуют дополнительного исследования.

В работе получены: зависимость коэффициента расхода, коэффициента давления потока по агентам и давлениям от относительного хода лепесткового клапана; представлены диаграммы хода лепестков на различных режимах функционирования многолепесткового клапана. Результаты исследований показали, что:

1. Коэффициент расхода практически не зависит от рода газа и определяется геометрией проточной части клапана.

2. Коэффициент давления потока зависит от вида газа и давления, при котором он определяется. При повышенных давлениях с некоторым приближением этот коэффициент можно принять постоянным по ходу клапана.

Сравнительный анализ различных типов клапанов, а также результаты проведенных исследований проточной части и динамики подвижных элементов клапанов явились основой для оптимизации параметров предлагаемого клапана с учетом уровня потерь и динамических нагрузок, способного работать в ступенях без смазки рабочих камер и повышенной быстроходности. В частности предлагается комбинированный самодействующий клапан для поршневой ступени, в котором кольцевая всасывающая пластина устанавливается между цилиндром и седлом, а нагнетательная пластина посажена по кольцевым поясам седла и диска в составе устройства разгрузки с ограничителем хода пластины, отличающийся от аналогов тем, что пластина всасывающего клапана 1 (см. рис. 2) содержит упруго деформируемые лепестки, объединенные в кольцо. Причем смежные лепестки образуют пружинные участки, которые в процессе наполнения рабочей полости агентом срабатывают на перепад давления «Ар» и открывают каналы «В» седла. Перемещение лепестков ограничивается углублениями по контуру «Б» зеркала цилиндра и далее проходное сечение увеличивается за счет пружинных участков прорезей смежных лепестков, обеспечивая практически параллельное положение лепестков по отношению к плоскости седла (см. фиг.2 разрез Г-Г). В исходное положение лепестки пластины 1 возвращаются под действием собственной упругости.

Г-Г (211

Рис. 2 - Конструкция всасывающей лепестковой пластины клапана расширенного проходного сечения

Нагнетательную пластину планируется выполнить кольцевой с выступом между уплотняющими поясами, а между пластиной и устройством разгрузки по внутреннему поясу установить зазор. И кроме того в ограничителе хода нагнетательной пластины воз-

можно размещение поршня перемещающегося внутри замкнутого пространства, что в случае возникновения гидравлического удара значительно уменьшит его последствия.

Литература

1. Хисамеев, И.Г. Разработка механизма движения поршневого компрессора, исследование газораспределения ступени / И.Г. Хисамеев, Г.Н. Чекушкин, А.Ф. Сарманае-ва. // Вестник Казан. технол. ун-та - 2011 - № 17 - С. 194198.

2. Пластинин, П.И. Поршневые компрессоры: в 2 т. Т.2: Основы проектирования. Конструкции / П.И. Пластинин. - М.: Колос, 2008. - 711 с.: ил.

3. Быков, А.В. Холодильные компрессоры / А.В. Быков,

Э.М. Бежанишвили, И.М. Калнинь и др.; под ред. А.В. Быкова. - М.: Колос, 1992. - 304 с.

4. Чекушкин, Г.Н. Самодействующие клапаны холодильных поршневых компрессоров / Г.Н. Чекушкин. - Казань, КХТИ им. С.М. Кирова, 1984. - 36 с.

5. Machu E.H. Valve dynamics of reciprocating compressors valves with more than one degree of freedom / E.H. Machu -Consulting Mechanical Engineer, Vienna, Austria, 2001.

© А. Ф. Сарманаева - асп. каф. холодильной техники и технологии КНИТУ; Т. Н. Мустафин - канд. техн. наук, доц. каф. холодильной техники и технологии КНИТУ, mustimur@rambler.ru; Г. Н. Чекушкин - канд. техн. наук, проф. той же кафедры.