Работа жидкостно-кольцевых машин на нерасчетных режимах

РАБОТА ЖИДКОСТНО-КОЛЬЦЕВЫХ МАШИННА НЕРАСЧЕТНЫХ РЕЖИМАХ

Ю.М. Вертепов, доц.

(Сумский государственный университет)

Жидкостно-кольцевые машины (ЖКМ) относятся к роторным машинам объемного действия с внутренним сжатием и принудительным газораспределением, которое определяется положением кромок открытия и закрытия всасывающего и нагнетательного окон. При эксплуатации ЖКМ в качестве вакуумных насосов, компрессоров или вакуум-компрессоров их работа часто происходит при нерасчетных режимах, что вызвано изменением параметров рабочей среды на всасывании или нагнетании или несоответствием формы окон этим параметрам. Такие изменения могут возникать при пуске машины, регулировании ее производительности или могут быть обусловлены характером протекания различных процессов в технологических производственных линиях, одним из элементов которых является ЖКМ. Работа ЖКМ на нерасчетных режимах происходит со снижением экономичности, появлением дополнительного шума и нагрузок на элементы машины, вызванных изменением характера протекания внутренних процессов в ней по сравнению с расчетным режимом. До настоящего времени в работах по расчетам и исследованиям ЖКМ 1,2,3 этому вопросу уделялось недостаточно внимания, несмотря на его практическую важность.

Каждая ЖКМ имеет нагнетательное окно с таким углом открытия о, который соответствует расчетному углу сжатия сж или расчетному наружному отношению Пн давлений нагнетания и всасывания, . Из-за отсутствия самодействующих клапанов на всасывании и нагнетании ЖКМ ее давление внутреннего сжатия pа может отличаться от расчетного давления нагнетания pн. Режимы работы с давлением pа, отличающимся от расчетного давления pн, или с давлением всасывания , отличающимся от расчетного давления всасывания pвс, являются нерасчетными. Для этих режимов внутреннее отношение давлений отличается от их наружного отношения Пн. Возможные при эксплуатации ЖКМ режимы работы представлены на рис. 1.

Работа ЖКМ на расчетном режиме (рис. 1,а) осуществляется при давлениях pа=pн, объемах Vа=Vн и отношениях давлений Па=Пн, при этом форма окон соответствует расчетным давлениям pвс и pн. Такая работа характеризуется наименьшими затратами индикаторной мощности, наименьшими нагрузками на элементы ЖКМ и наименьшим уровнем шума. В эксплуатации расчетный режим работы является наиболее экономичным.

Режим работы ЖКМ с недожатием (рис. 1б) осуществляется при давлениях pа<pн, объемах Vа>Vн и отношениях давлений Па<Пн, при этом индикаторная мощность больше минимальной, соответствующей расчетному режиму. Дожатие рабочей среды от pа до pн с уменьшением ее объема от Vа до Vн происходит скачкообразно после соединения рабочей ячейки, давление в которой равно pа, с нагнетательным окном и приводит к появлению шума, частота которого пропорциональна произведению числа лопаток рабочего колеса на его частоту вращения. Нагрузки на элементы машины для этого режима не превышают нагрузок, возникающих при расчетном режиме работы. Сжатие рабочей среды от pа до pн является внешним или внегеометрическим и сопровождается дополнительными затратами работы, соответствующими заштрихованной площадке на индикаторной диаграмме.

Рисунок 1 - Индикаторные диаграммы ЖКМ при различныхрежимах работы

Экспериментальные исследования процесса истечения сжатой рабочей среды через нагнетательное окно ЖКМ, проведенные на кафедре холодильных и компрессорных машин Сумского государственного университета, показали, что из-за принудительного характера газораспределения нагнетательное окно при работе ЖКМ с недожатием открывается раньше, чем сравняются давления pа и pн. В результате в момент его открытия рабочая среда с более высоким давлением pн сначала устремляется из нагнетательной полости лобовины в рабочую ячейку с меньшим давлением pа, а после дожатия в ней до давления, большего pн, вместе со сжатой в ячейке рабочей средой опять выходит в нагнетательную полость лобовины через нагнетательное окно. Качественное распределение скорости потока рабочей среды по высоте нагнетательного окна для режима работы ЖКМ с недожатием представлено на рис. 2.

Примерами работы с недожатием являются: работа ЖКМ при регулировании ее производительности дросселированием на всасывании; работа жидкостно-кольцевого компрессора на пусковом режиме, когда давление на его нагнетании постепенно возрастает от атмосферного до pн; работа жидкостно-кольцевого вакуумного насоса, откачивающего рабочую среду из замкнутой емкости постоянного объема, когда давление в процессе вакуумирования становится ниже расчетного давления pвс и др.

Режим работы ЖКМ с пережатием осуществляется при давлениях pа>pн, объемах Vа<Vн и давлении всасывания pвс (рис. 1,в) или при давлении всасывания и тех же соотношениях между давлениями pа и pн и объемами Vа и Vн (рис. 1,г), при этом отношение давлений Па>Пн в обоих случаях, а индикаторная мощность больше минимальной, соответствующей расчетному режиму. Из-за принудительного характера газораспределения рабочая ячейка при пережатии сообщается с нагнетательным окном уже после того, когда давление в ней pа превышает давление pн. Снижение давления от pа до pн происходит скачкообразно и сопровождается шумом, частота которого пропорциональна произведению числа лопаток рабочего колеса на его частоту вращения. Оно сопровождается также расширением рабочей среды от объема Vа до объема Vн, а работа, затраченная машиной на пережатие, которая соответствует заштрихованным площадкам на обеих индикаторных диаграммах, переходит в теплоту. Нагрузки на элементы машины для этого режима являются наибольшими, поэтому продолжительная работа машины в таких условиях может ускорить разрушение машины или снизить ресурс ее работы. Данный режим является экономически самым невыгодным с точки зрения энергозатрат. Потери энергии при пережатии можно уменьшить установкой разгрузочных клапанов перед кромкой открытия нагнетательного окна. Дополнительные затраты на них быстро окупаются за счет снижения эксплуатационных расходов.

Примерами работы с пережатием являются: работа ЖКМ при регулировании ее производительности дросселированием на нагнетании; работа жидкостно-кольцевого вакуумного насоса на пусковом режиме, когда давление на его всасывании постепенно снижается от атмосферного до pвс; работа жидкостно-кольцевого компрессора, подающего сжатую рабочую среду в замкнутую емкость постоянного объема, когда давление в ней становится выше расчетного давления pн и др.

Нерасчетные режимы работы ЖКМ могут возникать при неправильно выбранном угле закрытия всасывающего окна м или угле открытия нагнетательного окна о (рис. 3). При угле

,

где z - число лопаток рабочего колеса, объем рабочей ячейки, отсоединившейся от всасывающего окна, продолжает некоторое время увеличиваться с уменьшением давления находящейся в ней рабочей среды до величины, меньшей pвс 4. В результате процесс сжатия начинается с давления, меньшего расчетного pвс, и машина работает с недожатием, хотя и создает расчетное наружное отношение давлений Пн из-за принудительного характера газораспределения. Режим работы с недожатием имеет место и при меньшем угле открытия нагнетательного окна о, чем расчетный угол сжатия сж, соответствующий достижению машиной отношения давлений Па=Пн (при работе ЖКМ на расчетном режиме о=сж). Режим работы ЖКМ с пережатием возникает, когда угол открытия нагнетательного окна о больше расчетного угла сжатия сж, при котором внутреннее и внешнее отношения давлений одинаковы. При угле закрытия нагнетательного окна

в рабочей ячейке более поздно начинается процесс обратного расширения, причем с большего давления пережатия в “мертвом” объеме, превышающего давление pн. Это приводит к возникновению пульсаций давления в процессе обратного расширения и в нагнетательном тракте машины, снижающих эффективность работы отделителя жидкости или газосборника и сопровождающихся появлением шума и вибраций. В связи с этим жидкостно-кольцевой вакуумный насос модификации ВВН1 5 может достаточно эффективно работать в качестве жидкостно-кольцевого компрессора модификации ВК и, наоборот, компрессор ВК может заменить вакуумный насос ВВН1, поскольку у этих машин близки расчетные отношения давлений Пн и формы окон. Но с жидкостно-кольцевым вакуумным насосом модификации ВВН2 такая взаимозаменяемость уже будет энергетически малоэффективной, поскольку его расчетное наружное отношение давлений Пн выше и угол открытия нагнетательного окна о у него значительно больше, чем у машин ВВН1 или ВК. В результате замена машин ВВН1 или ВК машиной ВВН2 приведет к тому, что она будет работать с пережатием, а обратная замена приведет к работе машины ВВН1 или ВК в режиме с недожатием.

Таким образом, нерасчетные режимы работы ЖКМ приводят к дополнительным затратам энергии на сжатие газа и увеличивают уровень шума, а режим с пережатием, кроме того, приводит к увеличению нагрузок на элементы машины и снижению ресурса ее работы. Таких режимов надо избегать за счет регулирования характеристик машины в процессе эксплуатации, правильного выбора угловых размеров окон для расчетного режима и установки разгрузочных клапанов на нагнетании для устранения пережатия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Головинцов А.Г., Румянцев В.А. и др. Ротационные компрессоры.- М.: Машгиз, 1964.- 314 с.

Лубенец В.Д. и др. Индицирование давлений газа в рабочих ячейках жидкостно-кольцевых машин. Известия ВУЗов. Машиностроение, №5. - М.,1980. - С.69-73.

Отраслевой стандарт ОСТ 26-12-1113-74 “Машины водокольцевые. Типы и основные параметры”. Министерство химического и нефтяного машиностроения.- М., 1974.- 8с.

Райзман И.А. Расчет жидкостно-кольцевых машин// Труды КХТИ, Казань, 1991.- 384с.

Фролов Е.С. и др. Вакуумная техника: Справочник.- М.: Машиностроение, 1985.- 350с.