Конструкция и расчет компрессора с газостатическим центрированием поршня и псевдопористыми питателями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.06, кандидат технических наук Ивахненко, Тарас Алексеевич

• Ивахненко, Тарас Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ивахненко, Тарас Алексеевич

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. Конструкции ГЖГЦП и методы их расчета.

1.1. Экономичность конструкций ПКГЦП.

1.1.1. Анализ способов снижения расхода газа на центрирование поршня.

1.1.2. Анализ регуляторов расхода газовых опор.

1.2. Конструкции ПКГЦП с псевдопористыми питателями.

1.3. Анализ методов расчета ПКГЦП.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Конструкция и расчет компрессора с газостатическим центрированием поршня и псевдопористыми питателями»

Постоянное стремление промышленности к повышению качества выпускаемой продукции, а человечества - к улучшению условий труда, диктует необходимость использования механически и химически чистых и экологически безопасных газов, в том числе и сжатых до требуемого давления в соответствии с использующими эти газы процессами.

Основной машиной для сжатия и перемещения газов является компрессор. Конструкции последних весьма разнообразны и определяются в основном требуемыми расходами и давлениями. Так, например, для сжатия газов до высоких давлений при сравнительно небольших расходах чаще всего применяются машины объемного действия с возвратно-поступательными рабочими органами (поршневые и мембранные), при средних и низких давлениях и расходах - машины объемного действия с вращательными рабочими органами - винтовые, роторные пластинчатые и спиральные, при большой производительности и средних и низких давлениях - центробежные и осевые и т.д.

Особый класс компрессоров составляют машины для сжатия чистых газов. Их нужно отличать от машин для получения чистых газов, т.к. в принципе получить чистый сжатый газ можно любым компрессором, если в его состав включить устройства для механической и химической очистки [1].

В то же время компрессоры для сжатия чистых газов, прежде всего, не имеют в своем составе узлов и механизмов, которые бы загрязняли газ при его сжатии и перемещении. Конструктивная номенклатура таких компрессоров, реально выпускаемых промышленностью, весьма ограничена. Это центробежные и осевые компрессоры, спиральные компрессоры без смазки и мембранные компрессоры. В этот перечень из принципиальных соображений не включены компрессоры с самосмазывающимися уплотнениями, поскольку они загрязняют рабочее тело продуктами износа этих уплотнений, и каждый раз использование такой машины требует решения вопроса о допустимости попадания в сжимаемый газ твердых частиц материала уплотнителя, а также выделяющихся из него газов при трении.

Каждый из выше перечисленных типов компрессоров занимает свою, обусловленную особенностями применения, нишу.

В начале 60-х годов прошлого столетия появилась идея создания компрессора, в котором принципиально невозможно загрязнение сжимаемого газа, и который мог бы обеспечить широкий диапазон производительности и давлении, присущих поршневым машинам. Это поршневой компрессор с газостатическим центрированием поршня (ПКГЦП). Его конструкции первоначально были запатентованы в США, Швейцарии, Великобритании, Италии, Японии. Однако, до начала 70-х годов сведений о попытке реального производства таких машин в открытой печати не появлялось.

Работы по созданию этих машин были начаты в России в 1973-74 г.г. совместными усилиями ученых ОмГТУ (бывший ОмГТИ) и АО «Сибкриотехника»

Болштянский А.П., Гринблат B.JL, Громыхалин В.Г., Деньгин В.Г., Хорошу-нов А.И. Щерба В.Е. и др.). Опыт по созданию конструкций ПКГЦП в значительной степени обобщен в монографии [2].

Анализируя эту работу, следует отметить, что ее содержание нацелено, прежде всего, на систематизацию знаний, полученных авторами и другими исследователями подобных ПКГЦП конструкций, которые могут быть использованы на первых стадиях проектирования этих машин. В значительной степени авторы попытались дать прогноз развития конструкций ПКГЦП, которые позволят вывести эти компрессоры из стадии обсуждения в стадию реализации.

В частности, большое внимание уделено перспективе использования нетривиальных регуляторов расхода для газостатического подвеса поршня (активные регуляторы типа мембранных и инерционных дросселей, щелевые питатели в виде контактирующих шероховатых поверхностей, названные авторами «псевдопористые питатели»).

Применение активных регуляторов расхода в конструкции ПКГЦП не бесспорно. Они существенно усложняют конструкцию и очевидно ограничивают надежность работы цилиндропоршневой пары, имеющей неопределенно большой ресурс работы, т.к. в ней нет контактирующих и трущихся подвижных частей. Основное преимущество активных регуляторов - повышенная жесткость центрирования - может обернуться необходимостью увеличенного расхода газа на питание газостатического подвеса.

Псевдопористые питатели гораздо проще по конструкции, их применение сулит существенное, даже кратное, снижение расхода на питание газостатического подвеса мало- и микрорасходных ПКГЦП, однако они практически не изучены, и поэтому целесообразность их использования не может быть оценена однозначно.

В связи с выше изложенным, настоящее исследование имеет целью получение знаний, необходимых для прогноза развития конструкций ПКГЦП в направлении использования псевдопористых питателей для экономичного центрирования поршня в ПКГЦП.

1. КОНСТРУКЦИИ ПКГЦП И МЕТОДЫ ИХ РАСЧЕТА

Заключение диссертации по теме «Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы», Ивахненко, Тарас Алексеевич

5. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Рассмотренная в работе конструкция ПКГЦП с псевдопористыми питателями ГСП позволяет создавать работоспособные конструкции мало- и микрорасходных компрессоров с газовым подвесом поршня.

2. Проведенные экспериментальные работы позволили уточнить математические выражения для расчета величины среднего зазора при контакте плоских шероховатых поверхностей стальных деталей, полученных различными способами.

3. Создана математическая модель ПКГЦП с питателями ГСП, выполненными в виде псевдопористых питателей, полученных при контакте шероховатых поверхностей, позволяющая прогнозировать основные характеристики рабочих процессов ступени компрессора с учетом внешнего воздействия на цилиндро-поршневую группу компрессора.

4. Наиболее стабильные результаты по равномерности распределения потока газа через псевдопористые питатели, образованные при контакте двух шероховатых поверхностей, дает метод создания шероховатостей лазерным облучением поверхностей.

5. Наибольший эффект дает применение псевдопористых питателей в ПКГЦП с диаметром поршня 40 мм и менее, причем, чем ниже давление нагнетания, тем выше целесообразность замены обычных дросселей типа простая диафрагма на псевдопористые питатели в том случае, если отсутствует технологическая возможность изготовления калиброванных отверстий диаметром 0,1 мм и менее.

6. Использование псевдопористых питателей, полученных при контакте шероховатых поверхностей, позволяет расширить допуск на изготовление зазора между поршнем и цилиндром в ПКГЦП.

7. Разработанные предложения по конструкции газовых подвесов и подшипников с псевдопористыми питателями позволяют повысить работоспособность ГСП применительно как к ПКГЦП, так и газостатических и газодинамических подвесов и подшипников, использующихся в различных областях машино-и приборостроения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ивахненко, Тарас Алексеевич, 2010 год

1. Болштянский А.П. Классификация систем для получения чистых сжатых газов// Вестник международной академии холода. - С.-Пб. - М., 1999. -С. 41-43.

2. Болштянский А.П., Белый В.Д., Дорошевич С.А. Компрессорыс газостатическим центрированием поршня. Омск, изд-во ОмГТУ, 2002. -406 с.

3. Olfreie Spiralkompressoren auf Behalter// Ind.-Anz. 1994. - 116, № 4. - P. 58.

4. Болштянский А.П. Характеристики малорасходного крейцкопфного компрессора с газостатическим центрированием поршня. // В кн. Ресурсосберегающие технологии. Проблемы высш. образов-я: Тез. докл. XXX науч. конф. Кн. 2. Омск: ОмПИ, 1994. - С. 145.

5. Болштянский А.П. Об экологической и энергетической эффективности применения компрессоров с газостатическим центрированием поршня.// В кн. Энергетика: экология, надежность, безопасность: Тез. докл. науч.-техн. семинара. Томск: ТПИ. - 1994. - С. 62.

6. Болштянский А.П. О возможности применения компрессора с газостатическим центрированием поршня в качестве вакуум-насоса. // В кп. Состояние и перспективы развития вакуумной техники.: .: Тез. докл. науч.-техн. конф. -Казань, 1996.-С. 45.

7. Болштянский А.П. Особенности регулирования производительности компрессора с газостатическим центрированием поршня. // Омский научный вестник. Выпуск восемнадцатый. Омск, 2002. — С. 110 117

8. Кулиш J1. И., Деньгин В. Г., Морозов В. П. Определение характеристик компрессоров с газостатическим поршневым уплотнением// Химическое и нефтяное машиностроение. 1992. - № 8. - С. 15-18.

9. Испытание компрессора с бесконтактным поршневым уплотнением

10. В. J1. Грииблат, Л. Г. Абакумов, В. Г. Деньгин и др.//Вопросы криогенной техники: Сб. трудов. Омск, 1974. - Вып. 2. - С. 100-103.

11. Экспериментальное исследование поршневого компрессора с газостатическим уплотнением поршня (ГСПУ)/В. Л. Гринблат, А. П. Болштянский, В.Г. Громыхапин, И.М. Грицив//Холодильные и компрессорные машины: Сб. трудов. Новосибирск, 1978. - С. 94-97.

12. A.c. № 545805 СССР. Поршень/ А.П. Болштянский, В.Л. Гринблат, В.Г. Громыхалин; Омский политехнич. ин-т. №2143789; Заявлено 16.07.75; Опубл. 05.02.77, Бюл. № 5.

13. А.с. № 676752 СССР. Поршневой компрессор/ А.П. Болштянский,

14. В.Л. Гринблат, В.Г. Громыхалин, В.Г. Деньгин, А.И. Хорошунов; Омский политехнич. ин-т. № 2539488; Заявлено 02.11.77; опубл. 30.07.79, Бюл. № 28.

15. Патент России № 2116507. Бесконтактный компрессор с газостатическим центрированием поршня/ А.П. Болштянский; Омский госуд. технич. ун-т. -№ 96115877; Заявлено 31.07.96; опубл. 27.07.98; Бюл. № 21.

16. Болштянский А.П. Теоретические основы расчета и проектирования поршневых компрессоров с газостатическим центрированием поршня. Дисс. докт. техн. наук. Омск, ОмГТУ, 1999. - 530 с.

17. Патент России № 2120063. Способ запуска компрессора с газостатическим центрированием поршня и устройство для его осуществления/

18. А.П. Болштянский; Омский госуд. технич. ун-т. № 96124802; Заявлено 31.12.96; опубл. 10.10.98; Бюл. № 28.

19. Шейнберг С. А., Жедь В. П., Шишеев М. Д. Опоры скольжения с газовой смазкой/ Под ред. С. А. Шейнберга М.: Машиностроение, 1979. - 336 с.

20. Демкин Н.Б. Расход газа через стык контактирующих поверхностей// Н.Б. Демкин , В.А. Алексеев, В.Б. Ламберский, В.И. Соколов/ Известия высших учебных заведений. Машиностроение. № 6. М.: МВТУ им. Баумана, 1976. с. 40-44.

21. Пешти Ю. В. Газовая смазка. М.: Изд-во МГТУ, 1993. - 381 с.

22. Пинегин С.В., Табачников Ю.Б., Сипенков И.Е. Статические и динамические характеристики газостатических опор. — М.: Наука, 1982. — 265 с.

23. Blondel Е., Snoeys R. Externally pressurized bearings with pressure depending restrictors. In: 6-th International Gas Bearings Symposium, Southampton, 1974, Paper D2, p. 19.

24. Коднянко В.А. Технология и компьютерная среда автоматизации моделирования, расчета и исследования газостатических опор. Дисс. докт. технич. наук. — Красноярск, 2005. 331 с.

25. Болштянский А.П., Гринблат В.Л. Методика расчета мембранного регулятора расхода для газостатического центрирования поршня повышенной жесткости // В сб. Совершенствование холодильных и компрессорных машин. Омск: ОмПИ, 1984. - С. 96-99.

26. Константинеску, В.Н. Газовая смазка/ В.Н. Константинеску. Пер. с польского. Под ред. М.В. Коровчинского.//М.: «Машиностроение», 1968. - С. 709.

27. Белкин И.М. Допуски и посадки. М.: «Машиностроение», 1992. С. 528.

28. А.с. СССР № 625086. Поршень/ В.Л. Гринблат, А.П. Болштянский, В.Г. Громыхалин, В.Г. Деньгин, А.И. Хорошунов. № 2476480; Заявлено1104.77; опубл. 25.09.78, Бюл. № 35.

29. А.с. СССР № 850905. Поршневой компрессор с бесконтактным уплотнением поршня/ А.П. Болштянский, B.JL Гринблат, В.Г. Громыхалин, А.Н. Кабаков, В.Е. Щерба; Омский политехнический институт. № 2835572; Заявлено 04.01.80; опубл. 30.07.81, Бюл. № 28.

30. А.с. СССР № 1286861. Поршневая пара с газостатическим центрированием/ А.П. Болштянский, С.Э. Дорошевич, B.JI. Гринблат, В.Г.Деньгин; Омский политехнический институт. № 3929615; Заявлено 16.07.85; опубл. 30.01.87. Бюл. №4.

31. Патент России № 2098660. Компрессор с газостатическим подвесом поршня и псевдопористыми питателями/ А.П. Болштянский; Омский гос. тех-иич. университет. № 95114195; Заявлено 08.08.95; опубл. 10.12.97; Бюл. № 34.

32. Болштянский А.П., Гринблат B.JL, Громыхалин В.Г., Деньгин В.Г. Регулятор расхода для аэростатического центрирования поршня повышенной жесткости// Криогенные машины. Новосибирск.- Изд-во НИСИ, 1977. — С. 80-86.

33. А.с. СССР № 679950. Мембранный регулятор расхода/ А.П. Болштянский,

34. B.JL Гринблат, В.Г. Деньгин, А.И. Хорошунов; Омский политехнический институт. № 2495495; Заявлено 03.06.77; опубл. 15.08.79, Бюл. № 30.

35. Штейнгарт JL А. Исследование рабочих процессов поршневых компрессоров с помощью математического моделирования: Автореф. дис. .канд. техн. наук. Л.: ЛПИ, 1973. - 16 с.

36. Поршневые компрессоры/ Б. С. Фотин, И. Б. Пирумов, И. К. Прилуцкий, П. И. Пластинин; Под общ. ред. Б.С. Фотина.- Л.: Машиностроение, 1987.372 с.

37. Прилуцкий И. К. Использование математического моделирования рабочих процессов при разработке, исследовании и создании ряда высокооборотных поршневых компрессоров малой производителыюсти//Сб. трудов /ЛПИ. Л.,1980. - № 370. - С. 3-11.

38. Хрусталев Б. С. Математическое моделирование рабочих процессов основа для решения задач оптимального проектирования объемных компрессоров// Компрессорная техника и пневматика. - 1995. - № 6-7. - С. 25-28.

39. Пластинин П. И., Щерба В. Е. Рабочие процессы объемных компрессоров со впрыском жидкости// Итоги науки и техники. Насосостроение и ком-прессоростроение. Холодильное машиностроение/ ВИНИТИ. 1996. - 5.1. C. 1-154.

40. Болштянский А. П. Математическое и программное обеспечение реального проектирования компрессоров с газостатическим центрированием поршня/ Компрессорная техника и пневматика. -1998. №1-2(18-19).- С. 55-59.

41. Пластинин П. И. Поршневые компрессоры. Т. 1. Теория и расчет. М.: Изд-во «Колос», 2000. - 456 с.

42. Болштянский А.П., Белый В.Д. Влияние внешних нагрузок на работоспособность компрессора с газостатическим центрированием поршня.// В кн.

43. Динамика систем механизмов и машин». Кн. 1. Тез. докл. II междунар. науч.-техн. конф. Омск: ОмГТУ, 1997. - С. 24.

44. Исследование и применение опор скольжения с газовой смазкой: Тез. докл. Всесоюз. координац. совещ. — Винница, 1983. С. 1-109.

45. Уплотнения и у плотните л ьная техника: Справочник/ JI.A. Кондаков, А.И. Голубев, В.Б. Овандер, В.В. Гордеев, Б.А. Фурманов, Б.В. Кармугин. М.: Машиностроение, 1986. -464 с.

46. Макушкин А. П Полимеры в узлах трения и уплотнениях при низких температурах: Справочник. М.: Машиностроение, 1993. - 228 с.

47. Фрэнсис X. А. Феноменологический анализ пластического вдавливания сферы// Тр. амер. об-ва инж.-механиков. Сер. Д. 1976. - № 3. - С. 81-91.

48. Демкин Н. Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970.-228 с.

49. Трение, изнашивание и смазка: Справочник / Под ред. И. В Крагельского, В. В. Алисина.- М.: Машиностроение, 1978. Кн. 1. - 400 с.

50. Справочник по триботехнике. Т. 1: Теоретические основы/ Под ред. М. Хебды, А. В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 1989. - 400 с.

51. Демкин Н. Б. Фактическая площадь касания твердых поверхностей. М.: АН СССР, 1962.- 111 с.

52. Френкель М.И. Поршневые компрессоры. JL: Машиностроение, 1969. -743 с.

53. Стрелков С. П. Механика. М.: Наука, 1975. - 560 с.

54. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 1. Механика. М.: Наука, 1988.-216 с.

55. Барышников Г. А. Моделирование процесса нагнетания в ступени поршневого компрессора// Машиностроение.- 1987. №.4. - С. 49-53.

56. Барышников Г. А. Расчет нагнетательной системы поршневого компрессора с длинным каналом// Машиностроение. 1993. - № 2. - С. 60-65.

57. Кондратьева Т. Ф., Исаков В. П. Клапаны поршневых компрессоров. Л., Машиностроение, 1983. - 158 с.

58. Кабаков А. Н., Щерба В. Е. Некоторые вопросы математического моделирования рабочего процесса в поршневом компрессоре//Изв. вузов. Энергетика, Минск. 1980. - № 7. - С. 56-61.

59. Болштянский А. П., Щерба В. Е. Определение области энергетически эффективного применения бессмазочного компрессора с газостатическим центрированием поршня (БК с ГСЦП)// Повышение эффективности холодильных машин. Л: ЛТИХП, 1983. - С. 112-117.

60. Чеповецкий И. X. Основы финишной алмазной обработки. Киев: Наукова думка. 1980.-468 с.

61. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. — М.: Машиностроение, 1987. — 208 с.

62. Джонсон К.А. Механика контактного взаимодействия. М.: Мир, 1980. -510 с.

63. Динник А.Н. Избранные труды: в 3-х т. Т 1. Удар и сжатие упругих тел. — Киев: Изд-во АН УССР, 1952. 195 с.

64. Беляев Н.М. Местные напряжения при сжатии упругих тел. — В кн.: Инженерные сооружения и строительная механика. Л., 1924, с. 30-43.

65. Штаерман И .Я. Контактная задача теории упругости. М.: Гостехиздат, 1949.-270 с.

66. Макушин В.М. Деформация и напряженное состояние деталей в местах контакта. М. : Машгиз, 1952. - 211 с.

67. Михин Н.М. О связи площади касания и сближения при неподвижности и скользящем контакте. — В кн.: Трение твердых тел. М., 1964. с. 62-65.

68. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. — М.: Наука, 1970.-227 с.

69. Технология обработки конструкционных материалов/ П.Г. Петруха,

70. A.И. Марков, П.Д. Беспахотный и др.; Под общ. ред. П.Г. Петрухи. М.: Высшая школа, 1991. — 512 с.

71. Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства. — Л.: Машиностроение, 1972. 240 с.

72. Ковалевский В.Ф. Повышение износостойкости опор скольжения капель-но-адгезионной технологией. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Омск, Ом-ГТУ, 1996.-20 с.

73. Новиков И.И., Захаренко В.П., Ландо Б.С. Бессмазочные поршневые уплотнения в компрессорах. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1981. -238 с.

74. Шейпак А. А. Математические модели течения жидкости и газа через щели//Гидрогазодинамика, гидравлические машины и гидропневмосистемы. Тр. Междунар. Науч.- технич. и науч. — методич. кконф. М.: Изд-во МЭИ, 2006. С. 46-49

75. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешности результатов измерений. -Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. -245 с.

76. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. Л.: Наука. Ленингр. отд-ние, 1967. — 88 с.

77. Крутов В.И. Основы научных исследований/В.И. Крутов, И.М. Грушко,

78. B.В. Попов и др.; Под ред. В.И. Крутова, В.В. Попова. М.: Высш. шк., 1989.-400 с.

79. Hertz Н. Uber die Beruhrung fester elasticher Korper. — Des. Werke, 1895. 1.

80. Джонс Дж. К. Методы проектирования. М.: Мир, 1986. - 326 с.

81. Болштянский А.П., ЩербаВ.Е. Особенности проектирования бессмазочного поршневого вакуумного насоса// Вакуумная техника и технология. -1999, Т. 9, №2.-С. 31-36.

82. Болштянский А.П., Балакин П.Д. Работа газовой криогенной машины с микрорасходным компрессором в условиях ограниченной мощности// Омский научный вестник, Омск, 2007, № 3(60). С. 59-61.

83. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Том 2. Основы проектирования. Конструкции. М.: КолосС, 2008. - 711 с.

84. Патент РФ № 2296241, по заявке 2005129839. Поршневой компрессор/ Болштянский А.П., Щерба В.Е., Лысенко Е.А. Заявлено 26.09.2005. Опубл. 27.03.2007.-Бюл. №9.

85. Патент РФ № 2334877, по заявке 2006139729. Машина объемного действия/ Болштянский А.П., Щерба В.Е., Лысенко Е.А. Заявлено 09.11.2006. Опубл. 27.09.2008. Бюл. №> 27.

86. Лысенко Е.А., Болштянский А.П., Щерба В.Е. Поршневой компрессор с уравновешенным механизмом привода// Сб. трудов XIV Междунар. науч.-техн. конф. по компрессорной технике, Т 1. Казань, 2007.- С. 128-133.

87. Колебания и вибрации в поршневых компрессорах/ Ю. А. Видякин, Т. Ф. Кондратьева и др. Л. Машиностроение, 1972. - 224 с.

88. Шейнберг С. А., Жедь В. П., Шишеев М. Д. Опоры скольжения с газовой смазкой. М.: Машиностроение, 1969. - 334 с.

89. Френкель М. И. Поршневые компрессоры. Л.: Машиностроение, 1969. -743 е.

90. Пластинин П. И. Теория и расчет поршневых компрессоров. М.: ВО «Аг-ропромиздат», 1987. - 271 с.

91. Фотин Б.С. Поршневые компрессоры/ Б. С. Фотин, И. Б. Пирумов,

92. И. К. Прилуцкий, П. И. Пластинин; Под общ. ред. Б.С. Фотина.- Л.: Машиностроение, 1987.- 372 с.

93. Шлякова Е.В. Повышение стойкости к коррозии и износу поверхностей изделий из жаропрочных сталей и сплавао методом лазерной обработки. Автореф. дисс. кандид. техн. наук. Омск: ОмГТУ, 2009. — 20 с.

94. Лысенко Е.А. Конструкция и расчет маловибрационного поршневого компрессора с комбинированным механизмом привода. Автореф. дисс. кандид. техн. наук. Омск: ОмГТУ, 2009. — 20 с.

95. Ивахненко Т.А., Мамаев О.А., Болштянский А.П. К вопросу о рациональном распределении гидравлического сопротивления в питающей щели газостатического подвеса/Юмский научный вестник, Омск, 2005, № 3(32). С. 115-120.