Конструкция и расчет поршневого насос-компрессора

Одной из наиболее широких тенденций современного проектирования.] является расширениефункциональных возможностей объектов самого разного назначения. Это связано-: прежде всего, с экономией ресурсов путемснижения общей материалоемкости изделий и придания им* свойствпозволяющихэкономитьэнергию^, Такна рынкепоявилисьавтомобили-с гибридным: двигателем внутреннего' сгорания, сотовые телефоны, выполняющие: одновременно функ-. ции фотоаппарата и калькулятора, компьютеры с функциями аудио и: видео центров и т. д. При: этом, как правило, в созданных гибридах используются конструкции с единым или близким технологическим направлением.

Одной' из особенностей5 проектированияфункционально: совмещенных конструкций является: их достаточно длительное существование отдельноодна от другой, которое, обычно, сопровождается совершенствованием изделий, обусловленным рыночной* конкуренциейОбъединение же конструкций в единое целое может быть обосновано только в том случае, когда обнаруживается устойчивая потребность общества, диктующая необходимость, — или оправдывающая целесообразность появления нового товара: на рынке- .

На протяжении последних двух столетий в промышленной и бытовой технике чрезвычайно широко используются устройства и механизмы, действие: которых основано на изменении рабочего объема. Это, прежде всегонасосы и компрессоры. И* теи другие предназначены для поднятия давления в рабочей среде с последующим ее перемещением потребителю. Причем, во многихслучаях рабочие среды этих машин (жидкости в насосах и газы, и их смеси в компрессорах) в той или иной степени оказываютсясовмещенными: в, одном агрегате. Так, например, жидкости широко используются для смазкш и охлаждения компрессоров, основным рабочим веществом которых являются" газы и их смеси, а газообразные вещества (в, основном — воздух) часто применяются для распыливания и подачи: жидкостей под давлением (лакокрасочные работысоздание масляных аэрозолей для смазки и охлаждениявысокоскоростных: поди шипников качения, вытеснение жидкостей при заправочных работах и т. д.). В некоторых случаях жидкости вместе с газами используются непосредственно при проведении рабочих процессов машин объемного действия (см., например, [3, — 4 и-др.]).

Наиболее широко известно, одновременное использование жидкостей и газов под давлением при обслуживании работы станочного парка (смазка, трущихся-поверхностей, подача смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания, подача сжатого воздуха и жидкости под давлением, в пневмозажимы, пневмо-и гидродвигатели). Традиционно потребность в жидкости и газа под давлением в станочном оборудовании удовлетворяется путем использования отдельно установленных гидростанций и компрессоров [5, 6 и др.], что, безусловноусложняет общую конструкцию станков, ухудшает их массогабаритные характеристики и повышает стоимость.

Вполне вероятно, что это связано со сложившимися (по крайней мере — в отечественной, промышленности)'традициями, в соответствии с которыми, как правило, станкостроительная отрасль не занимается проектированием и* выпуском, машин, объемного действия, а компрессоростроительное производство не имеет мощностей для выпуска насосного оборудования.

Таким образом, существует явная потребность в анализе возможности проектирования агрегатов, совмещающих одновременно функции источника сжатого газа и жидкости под давлением.

В простейшем случае конструирование таких машин может быть произведено путем агрегатирования двух объектов на единой платформе и, возможно, с общим двигателем. Такой подход, конечно, возможен, однако он малоинтересен как с технической, так и с технологической точек^ зрения, т.к. не предполагает поиска выигрыша, который может быть достигнут за счет более: полного совмещения конструкций компрессора и насоса, например, путем их объединения в едином элементе, в качестве которого может выступать общий-рабочий цилиндр.

В то же время такое объединение возможность получения, существенных преимуществ. Так, например, большое значение для экономичной работы компрессораособенно средней и высокой производительности, с высокойг степенью повышения давления в одной ступени, является" обеспечение тщательного охлаждения сжимаемого газа (или-смеси газов) путем организации систем охлаждениякак внутреннего (впрыск жидкости), так и внешнего типа за счет применения жидкостных рубашек, развития наружной поверхности-цилиндров, воздушного охлаждения^ и т. д. Все эти мероприятия, так или иначе, требуют дополнительной энергии на работу проталкивания? жидкости или* на работу вентилятора. В’то же время, если организовать работу компрессора и насоса в одном цилиндре, или, по крайней мере, в одном агрегате, то можно использовать жидкость, нагнетаемую насосом, одновременно и для охлаждения и герметизации рабочих полостей компрессора. Это должно оказать заметное положительное воздействие на протекающие в компрессоре рабочие процессы.

Основная сложность создания таких машин заключается в существенных различиях физико-механических свойств жидкостей и газов, которые достигают нескольких порядков (например — плотность, динамическая вязкость). Так, если обычная частота экономичной работы малорасходного поршневого компрессора составляет около 12−25 Гц, то в его же цилиндре нецелесообразно сжимать жидкость с частотой более 7−10 Гц в связи с большим сопротивлением клапанов.

Кроме того, существует и проблема получения в компрессоре сравнительно чистых газов [7], и поэтому совмещение в одном компактном агрегате с единой рабочей полостью и насоса и компрессора представляет определенную сложность.

Вероятно, что выше упомянутые противоречия и являются основной причиной отказа проектировщиков создавать гибридные конструкции насосов-компрессоров, в связи с чем такие машины в настоящее время промышленностью не выпускаются.

В настоящей работе сделана попытка создания предпосылок, позволяющих проектировщику разрабатывать конструктивные решения машин объемного действия, в которых совмещены полноценные функции насоса и компрессора, т. е. конструкций, представляющих собой гибрид двух схожих по общей компоновке технических решений.

Очевидно, что такой агрегат должен обладать свойствами, позволяющими ему сжимать и подавать потребителю одновременно и газ и жидкость, либо только газ и либо только жидкость. При этом конструкция должна иметь экономические показатели, не уступающие, или незначительно уступающие современным аналогам компрессоров и насосов.

Кроме того, предполагается произвести анализ возможных конструктивных вариантов гибридной машины объемного действия, среди которых необходимо выбрать пилотный образец, который может являться наиболее типичным представителем насос-компрессоров на начальном этапе их анализа и, возможно, освоения промышленностью.

1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА НАСОС-КОМПРЕССОРОВ ОБЪЕМНОГО ДЕЙСТВИЯ.

5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

Данная работа посвящена созданию научно обоснованных предпосылок проектирования нового типа устройств — поршневого насос-компрессора, выбор конструктивной-схемы которого произведен на* основе информационного поиска, отраженного в первой’главе. Соответственно цели исследования были* поставлены задачи, описание решений которых отражено в последующих главах.

Прежде всего, была обоснована методика расчета рабочих процессов" на основе уравнений, описывающих состояние газа в компрессорной и жидкости в насосной полости (вторая глава), которые явились основой создания математической модели исследуемой машины. Решение уравнений реализовано в виде прикладной программы, а методика расчета подтверждена проведенными экспериментами на модельном образце (третья глава).

В четвертой главе проведен тщательный параметрический анализ процессов, протекающих в полостях насос-компрессора, который позволил установить основные зависимости между независимыми параметрами (геометрия цилинд-ропоршневой. пары и механизма привода, внешние условия, параметры потребителя сжатого газа и жидкости под давлением, частота вращения коленчатого вала, отношение давлений и т. д.) и такими зависимыми переменными, как КПД, утечки и перетечки, коэффициент подачи и т. д. Полученные численным моделированием зависимости позволили определить наиболее вероятные параметры, необходимые для начальной стадии проектирования.

В целом по работе следует сделать следующие основные выводы:

1. Конструкция насос-компрессора работоспособна, и в состоянии выполнять функции как собственно насос-компрессора, так и отдельно насоса и компрессора.

2. Созданный стенд для исследования характеристик модельного образца поршневого насос-компрессора позволяет изучать рабочие процессы, протскающие в полостях машины и исследовать теплонапряженность его основных элементов.

3. Разработанная методика расчета рабочих процессов, протекающих в насосной и компрессорной полостях машины, адекватна фактически протекающим физическим процессам и может быть использована на первых стадиях проектировочных расчетов и оптимизации конструкции насос-компрессора.

4. Одновременная компоновка газового компрессора и жидкостного насоса с использованием общего цилиндра позволяет существенно снизить (до 15 К) теплонапряженность деталей цилиндропоршневой группы, что положительно сказывается на экономичности работы компрессорной полости.

5. Во всем исследованном диапазоне частот вращения (300−1200 мин" 1), давлений нагнетания насосной (до 3 МПа) и компрессорной (до 0,8 МПа) полостей с радиальным зазором между поршнем и цилиндром до 50 мкм при длине поршня 60 мм не происходит перетечек газа через зазор поршневого уплотнения в насосную полость. В то же время в зазоре между поршнем и цилиндром постоянно присутствует жидкость, что с точки зрения трения и износа положительно влияет на работоспособность цилиндропоршневой пары.

6. Наиболее оптимальной с точки зрения КПД частотой возвратно-поступательного движения поршня насос компрессора является величина 500−700 мин" 1.

7. Радиальный зазор в цилиндропоршневой паре величиной 25−30 мкм обеспечивает близкую к максимально экономичной работу насос-компрессора.