Теоретические основы расчета и проектирования компрессоров с газостатистическим центрированием поршня

• Автор: Болштянский, Александр Павлович
• Шифр специальности: 05.04.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Омск
• Количество страниц: 530 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
1. ПРОБЛЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЧИСТЫХ ГАЗОВ
1.1. Чистые сжатые газы: основные потребители, анализ
требований
1.2. Проблемы получения чистых сжатых газов существующими типами компрессорных машин
1.2.1. Общие вопросы получения чистых газов, типы систем
1.2.2. Получение чистых сжатых газов существующими типами компрессорных машин
1.3. Поршневые компрессоры без смазки
1.4. Методологические основы оптимального конструирования и проектирования ПКГЦП
1.5. Цели и задачи комплекса исследований
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПКГЦП
2.1. Математическая модель ПКГЦП на первом уровне
2. 2. Термодинамический расчет цикла ПКГЦП
2.3. Математическая модель ПКГЦП на втором уровне
2.3.1. Допущения принимаемые при построении математической модели второго уровня
2.3.2. Расчет процессов сжатия, обратного расширения и нагнетания без учета внешнего теплообмена
2.3.3. Расчет процесса всасывания
2.3.4. Расчет процесса сжатия без учета массообмена
2.3.5. Определение области применения методов расчета процессов сжатия и расширения
2.3.6. Расчет параметров рабочего тела в полости питания ГП
2.3.7. Оценка влияния теплообмена на внешние характеристики компрессора
2.3.8. Расчет процессов массообмена через газораспределительные органы с учетом динамики их подвиж-

ных элементов
2.3.9. Математическое моделирование динамики процессов пускового режима ПКГЦП
2.3.10. Математическое моделирование режимов регулирования производительности ПКГЦП
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПКГЦП
3.1. Цели исследования и определение основных контролируемых параметров
3.2. Анализ факторов, влияющих на режим работы ЦПГ компрессора, и определение основных параметров экспериментальной установки
3.3. Описание стенда для исследования экспериментального компрессора
3.4. Измерение радиального зазора между поршнем и цилиндром
3.5. Измерение характеристик газового подвеса
3.6. Измерение температурного коэффициента линейного расширения материалов цилиндра и поршня
3.7. Измерение мгновенной величины давления в камере сжатия компрессора
3.8. Измерение мгновенной величины температуры в камере сжатия компрессора
3.9. Измерение теплонапряженности деталей цилиндропоршневой группы
3.10. Экспериментальное подтверждение адекватности базовой математической модели 2-го уровня
3.11. Экспериментальное исследование теплонапряженности элементов цилиндро-поршневой пары ПКГЦП
4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ПКГЦП
4.1. Исследование крейцкопфного варианта ПКГЦП
4.1.1. Определение переменных, постановка задачи
4.1.2. Прогноз вероятных значений параметров окружающей среды и внешних воздействий
4.1.3. Определение граничных условий и констант
4.1.4. Присвоение числовых значений переменным (Поиск оптимальной конструкции)
4.1.5. Выявление зависимости между переменными

4.1.5.1. Влияние степени повышения давления на внешние характеристики компрессора
4.1.5.2. Влияние смещения оси крейцкопфа относительно оси цилиндра на внешние характеристики компрессора
4.1.5.3. Влияние угла наклона ЦПГ и массы поршня на внешние характеристики ПКГЦП
4.1.5.4. Влияние колебаний цилиндро-поршневой группы
на внешние характеристики компрессора
4.1.5.5. Влияние величины давления всасывания на внешние характеристики ПКГЦП
4.1.5.6. Влияние колебаний давления газа в нагнетательной полости на характеристики ГЦП
4.1.5.7. Влияние закона изменения объема камеры сжатия на характеристики ПКГЦП
4.2. Исследование бескрейцкопфного варианта ПКГЦП
4.2.1. Влияние параметров механизма привода и внешних воздействий на величину боковых нагрузок
на поршень
4.2.2. Влияние отношения радиуса кривошипа к длине шатуна V на характеристики компрессора
4.2.3. Исследование ПКГЦП с кривошипно-кулисным бес-крейцкопфным приводом
4.2.4. Влияние жесткости центрирования на характеристики бескрейцкопфного ПКГЦП
4.3. Влияние точности изготовления ЦПГ на внешние характеристики ПКГЦП
4.4. Общие выводы по результатам численного эксперимента
5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПКГЦП
5.1. Снижение затрат энергии на центрирование поршня
5. 2. Стабилизация зазора между поршнем и цилиндром
5.3. Организация бесконтактного запуска компрессора
5.4. Снижение боковых усилий и инерционных нагрузок на поршень
5. 5. Повышение ресурса работы самодействующих клапанов
5. 6. Экономичная работа микрорасходного компрессора

чения чистого сжатого воздуха фирма Atlas Copco в 1991-92 г.г. впервые выпустила бессмазочные СК производительностью 0,24-0,36 м3/мин на конечное давление 8 бар [108], а в 1993 г. довела рабочий диапазон до 0,16-0,4 м3/мин при гарантии круглосуточной работы [113]. Впервые ориентировочная величина ожидаемого ресурса сухих СК названа специалистами фирмы At lac Copco в 1994 г. [114] -10 000 часов. По их мнению применение сухих СК наиболее целесообразно в тех отраслях деятельности, где требуется небольшой расход особо чистого сжатого воздуха при давлении до 10 бар [108,109,114,115 и др.].
Ресурс работы СК ограничен в основном подшипниками, в которых вращается вал с закрепленным на нем ведущим элементом, теряющими с течением времени точность в связи с неизбежным износом, что грозит заклиниванием компрессора. Из-за отсутствия подвижных газораспределительных органов удельный расход энергии в таких компрессорах ниже, чем у поршневых, на 5-10% [111]. Совершенствование СК связано в основном с повышением точности обработки спиралей и сборки компрессора [110,111,116,117 и др.].
Таким образом, данный тип компрессора по своим внешним характеристикам вписывается в диапазон С1-С5 минимальной производительности со стороны верхней границы этого диапазона. Если учесть, что выпуск СК освоен чуть больше 15-ти лет назад, то можно вполне ожидать прогрессивных изменений, которые существенно расширят сферу экономически целесообразного применения этих компрессоров.
1.2.2.4. Мембранные компрессоры
Главными достоинствами этого типа машин являются: высокая
герметичность камеры сжатия (имеются только перетечки через неплотности газораспределительных органов) и относительно большая поверхность отвода теплоты от сжимаемого газа в окружающую среду, что позволяет сжимать рабочее тело до высоких давлений в одной ступени практически без его загрязнения [118,119]. Производительность мембранных компрессоров имеет довольно широкие границы (0,5-134 м3/час) и их применение, в частности, выгодно в криогенной технике [52]. Однако, относительно небольшая величина рабочей камеры и большие гидравлические потери в механизме привода определяют громоздкость и низкую экономичность этих машин.