Анализ работы воздушного поршневого компрессора сухого сжатия

АНАЛИЗ РАБОТЫ ВОЗДУШНОГО ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА СУХОГО СЖАТИЯ

В.П. Попов, канд. техн. наук, доц.

Сумский государственный университет

ВВЕДЕНИЕ

Разработана расчетная модель рабочего процесса ступени компрессора и уплотнения поршня без смазки и проведен расчет самосмазывающихся подшипников скольжения. Проведен параметрический анализ с целью разработки оптимальной конструкции уплотнений и опор. Экспериментально подтвержден ресурс работы уплотнений и технико-экономические показатели компрессора.

Создание компрессорных установок без подачи смазки в цилиндры и механизм движения является одним из направлений в компрессоростроении. Разработка и исследование компрессоров сухого сжатия находятся в стадии создания опытных образцов. Основная трудность состоит в разработке надежных уплотнений и опор, что обусловлено высокой теплонапряженностью деталей цилиндропоршневой группы, несовершенством системы охлаждения, трудностью отвода тепловых потоков от цилиндра, поршня, подшипников шатуна и коленчатого вала.

В данной работе исследовался опытный компрессор ПК-3,5/7 Полтавского ТМЗ сухого сжатия. В качестве уплотнений применялись поршневые и направляющие кольца из композитов, а опор - подшипники скольжения и качения для головок шатуна и коленчатого вала.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В расчетной части работы была разработана модель рабочего процесса ступени компрессора и уплотнения поршня. Описание математической модели ступени компрессора приведено в работе [1]. Результатом расчетов является определение мгновенных и средних значений давлений и температур газа в цилиндре компрессора в течение оборота вала.

,

где - массовые расходы газа через неплотности колец; =d/d - угловая частота вращения коленчатого вала; Q - тепловой поток, отводимый из зоны трения;

i_ц, i_у - удельные энтальпии газа в цилиндре и утечек газа.

Изменение массы газа М в межкольцевом объеме V_k обусловлено изменением плотности газа во времени, что вызвано утечками и притечками газа.

.

Для определения расходов газа через неплотности поршневого уплотнения с одиночными кольцами использовались уравнения истечения идеального газа. В случае уплотнений со сдвоенными кольцами, имеющими перекрытые зазоры, течение происходит в радиальном зазоре кольцо-цилиндр и обусловлено движением поршня. В этом случае расходы определялись с учетом механизма контактирования неметаллических поршневых колец с твердым контртелом, описанным в работе [2].

По результатам расчетов был проведен параметрический анализ влияния различных факторов на работу уплотнений. Потери мощности в уплотнении зависят от скорости обдува цилиндра охлаждающим воздухом, высоты уплотнительных колец, числа колец и режима работы ступени. Эффективная работа системы охлаждения достигается при скорости 2-3 м/с при достижении автомодельности, когда потери мощности стабилизируются (рис.1).

,

Рисунок 1 - Зависимость мощности трения от скорости охлаждающего воздуха (W_r=1 м/с, R_z=1,5 мкм, N=2)

Средняя температура цилиндра в зоне трения составляет 75-85^оС, а интенсивность износа колец I2010^-9мм³/Нм, что обеспечивает их высокую работоспособность (рис.2).

Рисунок 2 - Зависимость средней температуры колец и интенсивности износа от скорости обдува (Rz=1,5 мкм, l_i =8 мм, N=2)

Увеличение высоты уплотнительных колец приводит к возрастанию потерь мощности на трение и практически не влияет на утечки, составляющие 3% от производительности компрессора (рис. 3).

Рисунок 3 - Зависимость мощности трения и относительных утечек от высоты уплотнительных колец (W_r=1 м/с, R_z=1,5 мкм, N=2)

Средняя температура газа в зоне трения возрастает с увеличением высоты колец, что приводит к некоторому снижению интенсивности износа колец из-за уменьшения коэффициента трения композиционных материалов (рис.4).

Рисунок 4 - Зависимость средней температуры колец и интенсивности износа от высоты уплотнительных колец (W_r=1 м/с, R_z=1,5 мкм, N=2)

Учитывая, что и так обеспечивается значительный ресурс уплотнений, целесообразно уменьшать высоту уплотнительных колец до 4-6 мм при числе колец 2-3. Результаты расчетов также показали слабое влияние шероховатости колец и цилиндра R_z от 1,5 мкм до 5 мкм на работу уплотнения. Проведенные расчеты и анализ позволили разработать оптимальную конструкцию уплотнительных узлов опытного компрессора.

Для оценки возможности использования полимерных материалов в подшипниках скольжения был проведен расчет опор верхних и нижних головок шатуна разрабатываемого компрессора. Была использована методика расчета [3], применимая для различных типов подшипниковых узлов из полимерных материалов. Расчет проводился с целью нахождения фактора [p_av], определяющего допустимый режим эксплуатации подшипника и [_п] - допустимой избыточной температуры подшипника, определяющей работоспособность полимерного материала.

Основные результаты расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1

Анализ расчетных данных показывает, что для слабонагруженных подшипников верхней головки шатуна возможно использование полимерных материалов. Для сильнонагруженных подшипников нижней головки шатуна и коленчатого вала применение полимерных материалов, имеющих максимальный параметр работоспособности 4-5 (МПам/с), невозможно.

Методика расчета [3] требует уточнения для условий эксплуатации опор компрессора, учета тепловых потоков, расчета действительной температуры и зазоров в подшипниках при различных схемах охлаждения картера и проведения экспериментальных исследований.

В экспериментальной части работы проведены параметрические и ресурсные испытания опытного компрессора ПК-3,5/7 Полтавского турбомеханического завода. Исследовался компрессор сухого сжатия без системы смазки механизма движения и цилиндров. Использовались подшипники качения для коленчатого вала и нижних головок шатунов с заложенной консистентной смазкой и подшипники скольжения из композита графелон-20 для верхних головок шатунов. Уплотнительные и направляющие кольца поршня выполнялись из коксофторопласта Ф4К20 и флубона-15 (20).

При испытаниях измерялись параметры воздуха по ступеням сжатия компрессора, производительность, потребляемая мощность, записывались индикаторные диаграммы, определялся износ колец.

Основные параметры компрессора приведены в таблице 2.

Таблица 2

Анализ значений параметров компрессора, приведенных в таблице 2, по сравнению с данными испытаний штатного компрессора со смазкой показывает на снижение производительности на 6-10% из-за меньшей плотности самосмазывающихся колец, на увеличение удельных затрат мощности на 2-6%, при этом значение изотермного к.п.д. и удельной мощности приемлемо для данного класса машин.

Ресурсные испытания уплотнений опытного компрессора проводились по разработанной методике [4] с целью определения интенсивности износа колец, скорости изнашивания и срока службы. Средняя интенсивность износа колец из флубона 15 (20) почти в четыре раза меньше чем у Ф4К20, что соответствует литературным данным, а срок службы составляет более 8000 часов.

ВЫВОДЫ

На базе расчетной модели компрессора проведен теоретический анализ работы уплотнений и расчет неметаллических подшипников скольжения. Разработана оптимальная конструкция уплотнительных узлов и опор опытного компрессора. Проведены экспериментальные исследования компрессора сухого сжатия. Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности создания компрессора сухого сжатия с годовым ресурсом работы уплотнений.

SUMMARY

The model is offered for calculation of the working process of compressor stage having piston sealing without lubrication. The calculation of self-lubricating journal bearing is offered. The parametrical analysis for the purpose of developing optimal design of bearing and sailing is given. The sealing working resource and technical-economic figures are confirmed experimentally.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Попов В.П. Исследование работы поршневого компрессора без подачи смазки: Сборник научных трудов международной научно-технической конференции «Современные проблемы холодильной техники и технологии». - Одесса, 2001. - 3 с.

2. Создание методики расчета и разработка рациональной конструкции уплотнений бессмазочных поршневых компрессоров из композиционных материалов: Отчет о НИР /Сумский физико-технологический институт; № ГР01890017706. - Сумы, 1990. - 93 с.

3. Полимеры в узлах трения машин и приборов: Справочник / Е.В. Зиновьев и др. - М.: Машиностроение, 1980. - 208с.

4. Разработка поршневых уплотнений из новых композиционных материалов для повышения технического уровня компрессорного оборудования: Отчет о НИР / Сумский физико-технологический институт; № ГР01890013646. - Сумы, 1991. - 100с.