УДК 621.57, 621.512, 621.514
Анализ колебаний температуры деталей бессмазочной квазиизотермической компрессорной ступени
, 1
1Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
Аннотация: В работе представлены результаты численных исследований температурных полей цилиндрической части рабочей камеры тихоходной ступени. При теоретических исследованиях использована разработанная методика расчёта рабочих процессов. Полученные результаты свидетельствуют о том, что скорость изменения температуры стенки на порядок меньше чем у быстроходных ступеней. Таким образом, исследуемые ступени имеют повышенную долговечность деталей, обусловленную низкой средней температурой деталей, малой амплитудной величиной циклического изменения температуры деталей и малой скоростью изменения температуры деталей.
Ключевые слова: рабочий процесс поршневого компрессора, усталость материала, пластическое деформирование
Одной из отличительных особенностей функционирования поршневого компрессора является периодическое изменение давления и температуры рабочего газа в цилиндре [10]. Как известно, циклические механические и тепловые воздействия на элементы конструкции приводят к накоплению в них внутренних повреждений, которые принято характеризовать общим термином усталость материала и которые могут существенно влиять на прочностные характеристики материалов, а в итоге на долговечность и надёжность работы всей компрессорной ступени [1,4]. Циклическое пластическое деформирование сначала в одном, а затем и в обратном направлении сопровождается некоторыми разрушениями, происходящими в микроскопических объёмах конструкционного материала. Возникающие при этом микротрещины постепенно растут и частично сливаются от цикла к циклу. Более длинные трещины растут быстрее, а значительная часть наиболее мелких трещин прекращает свой рост вскоре после своего зарождения. В итоге слияния нескольких микротрещин раньше или позже возникает магистральная трещина, которая в начале видна лишь од микроскопом, а затем по мере развития – невооружённым глазом. Иногда образуется сразу несколько магистральных трещин [1,2,4,6,7], стадия развития магистральной трещины может иметь длительность, соизмеримую или даже превосходящую длительность стадии предварительных повреждений [8]. Как отмечается в источниках [1,4], циклическая нагрузка однозначно приводит к разупрочнению металлов и сплавов.
При этом на скорость разупрочнения материалов могут влиять такие факторы, как амплитуда и скорость циклического изменения температуры материала, средняя величина температуры материала, теплофизические свойства конструкционного материала и геометрические параметры деталей, в том числе кривизна цилиндрических поверхностей [3]. При интенсификации процессов теплопередачи через стенки рабочей камеры ступени каждый из указанных выше факторов может оказаться существенным. Результаты исследования нестационарных быстропеременных циклических процессов теплопередачи через стенку рабочей камеры ступени быстроходного поршневого компрессора со стандартными соотношениями основных конструктивных параметров показал, что при расчётных режимах работы средняя температура стенки цилиндра, её амплитудное циклическое изменение и скорость изменения температуры таковы, что не влияют существенным образом на изменение прочностных характеристик конструкционного материала [10, 12].
При существенном увеличении отношения хода поршня к диаметру цилиндра (до 10…100), увеличении времени цикла (до 0,1…2,0 с) и отношения давления нагнетания к давлению всасывания (до 25…100) амплитудное циклическое изменение температуры рабочего газа в цилиндре и средняя температура нагнетания могут заметно отличаться от рассмотренных ранее [10,12,13], что не может не отразиться на температурном состоянии деталей, формирующих рабочую камеру. Соответственно, основной задачей настоящей работы стал анализ температурного состояния длинноходовой тихоходной ступени поршневого компрессора при внешнем охлаждении цилиндра.
Расчётная схема объекта исследования представлена на рис. 1. Расчётный анализ длинноходовой тихоходной ступени проводился при следующих условиях однозначности: геометрические условия - диаметр цилиндра - 0,02 м; ход поршня – 0,2 м; граничные условия – температура охлаждающей среды – 293К, коэффициент теплоотдачи на внешней поверхности рабочей камеры – 20…2000 Вт/м2*К; физические условия – сжимаемый газ - воздух; начальные условия – начальная температура газа – 293 К, давление всасывания – 0,1 МПа.
Рисунок 1 - Расчётная схема длинноходовой тихоходной ступени поршневого компрессора
Определение нестационарных граничных условий на внутренних поверхностях стенок рабочей камеры ступени производятся путем расчета рабочего цикла ступени поршневого компрессора с использованием математической модели рабочих процессов этого цикла, базирующейся на общепринятой системе упрощающих допущений и основных расчётах уравнений, включающих уравнение закона сохранения энергии для тела переменной массы, уравнение массового баланса, уравнение состояния, следствие закона Джоуля для внутренней энергии газа, уравнения расхода газа через клапан и конвективного теплообмена между газом и стенками рабочей камеры. Математические модели компрессорной ступени такого типа классифицируются как модели второго уровня и широко применяются в практике исследования и проектирования компрессоров объёмного принципа действия [5].
Уравнение конвективного теплообмена между рабочим газом и стенками рабочей камеры, используемое применительно к внутренним поверхностям расчётных элементов, формирующих поверхности стенок рабочей камеры, определяет величину нестационарного циклического теплового потока между этими поверхностями и рабочим газом и, следовательно, взаимозависимые процессы теплопроводности через отдельные участки стенок рабочей камеры, параметры состояния рабочего газа и интегральные характеристики рабочего цикла.
Граничные условия на внешней поверхности стенок рабочей камеры носят слабопеременный характер, обусловленный малой амплитудой изменения температуры стенок за время рабочего цикла [5] и практически постоянными параметрами охлаждающей среды. Комплексным параметром, характеризующим условия внешнего теплоотвода, является приведенный коэффициент теплоотдачи ?пр, а также температура охлаждающей среды.
В общем случае анализ формирования нестационарных температурных полей в стенках рабочей камере ступени может быть проведён путём решения заданной задачи теплопроводности для системы конструктивных элементов, формирующих рабочую камеру ступени, со взаимозависимыми быстроизменяющимися граничными условиями на внутренней поверхности стенок рабочей камеры, обусловленные характером изменения параметров состояния, поверхностей и теплофизических свойств газа, и с нестабильно изменяющимися граничными условиями внешней поверхности стенок рабочей камеры [9,12]. Разработанная методика расчёта реализована в программном пакете PASCAL.
Входными данными являются следующие величины: температура всасывания; давление нагнетания и давление всасывания; газовая постоянная; теплоёмкость газа; коэффициент теплопроводности; диаметр цилиндра; ход поршня; величина мёртвого объёма (мм); обороты коленчатого вала; характеристики материала из которого сделаны детали, образующие рабочую камеру (плотность; теплоёмкость; коэффициент теплопроводности); толщина стенок; площадь клапана; коэффициент расхода; коэффициенты теплоотдачи на внешних поверхностях по участкам.
Выходными данными являются как функция времени: температура газа; давление газа; объём газа; температура элементов стенок рабочей камеры; масса газа в рабочей камере; тепловые потоки; а также интегральные характеристики: количества тепла отданное или принятое по рабочим процесса; средняя температура нагнетания.
Иинтенсивное охлаждение рабочего газа в тихоходной длинноходовой ступени даёт возможность в одной ступени обеспечивать существенно более высокие отношения давления нагнетания к давлению всасывания [10,13]. На рис.2,3 представлены результаты расчётов температурного состояния стенок цилиндра такой ступени при отношении давления нагнетания к давлению всасывания, равном 70.
Рисунок 2 – Изменение температуры зеркала цилиндра тихоходной длинноходовой ступени поршневого компрессора за рабочий цикл (время цикла – 1 с) при внешнем воздушном охлаждении (?н=20 Вт/м2*К):
1 – верхняя часть цилиндра; 2 - средняя часть цилиндра; 3 - нижняя часть цилиндра
Анализ полученных результатов показал, что для рассмотренного режима работы тихоходной длинноходовой ступени при внешнем воздушном охлаждении цилиндра (рис. 2) амплитудное изменение температуры зеркала цилиндра составляет не более 5 К, а температурный градиент по длине цилиндра не превышает 10К. При этом скорость изменения температуры стенки не превышает 3К/с, что в на порядок меньше чем у быстроходных ступеней [10, 12]. Отметим, что увеличение отношения давлений нагнетания и всасывания приводит к некоторому увеличению амплитудного изменения температуры стенок по сравнению с номинальным режимом. Однако при интенсивном внешнем охлаждении цилиндра (рис. 3) амплитудное изменение температуры стенок не превышает 1,5К, а температурный градиент по длине цилиндра не превышает 3,5К. Кроме того, снизилась и максимальная температура стенки. По сравнению с воздушным охлаждением применение водяного охлаждения позволило понизить максимальную температуру зеркала цилиндра примерно на 10К. Поэтому в целом можно говорить о том, что циклический температурный режим деталей, формирующих рабочую камеру тихоходных длинноходовых поршневых компрессоров, более щадящий, чем у быстроходных поршневых компрессоров.
Рисунок 3 – Изменение температуры зеркала цилиндра тихоходной длинноходовой ступени поршневого компрессора за рабочий цикл (время цикла – 1 с) при интенсивном внешнем водяном охлаждении (?н=5000 Вт/м2*К):
1 – верхняя часть цилиндра; 2 - средняя часть цилиндра; 3 - нижняя часть цилиндра
Таким образом, к уже известным преимуществам длинноходовых поршневых компрессоров по сравнению с быстроходными (низкий уровень шума и вибрации, повышенных ресурс работы, низкая температура нагнетаемого газа) следует добавить и повышенную долговечность деталей, формирующих рабочую камеру и проточную часть в целом, обусловленную низкой средней температурой деталей, малой амплитудной величиной циклического изменения температуры деталей и малой скоростью изменения температуры деталей. Соответственно, это открывает новые возможности в том числе и для применения в таких компрессорах неметаллических конструкционных материалов.
Список литературы
Борздыка, напряжений в металлах и сплавах / , . - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1978. – 256 с. Зарубин, задачи термопрочности элементов конструкций / . – М.: Машиностроение, 1985. – 296 с. Исаченко, : учеб. для вузов. / , , . – 4 – е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с. Одинг, ползучести и длительной прочности металлов / [и др.]. - М.: Металлургиздат, 1959. – 488 с. Пластинин, компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчёт / . – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Колос, 2000. – 456 с. Третьяченко, усталость материалов в условиях неоднородного термонапряжённого состояния / , . – Киев.: Наука думка, 1985. – 280 с. Третьяченко, прочности / , – Киев: Наука думка, 1990. – 256 с. Юша, процессов теплообмена в рабочей камере бессмазочных компрессоров / // Вестник международной академии холода. - 2004. - Вып.4.- С.53-60. Юша, В. Л., Интенсификация внешнего охлаждения бессмазочных компрессоров // Холодильная техника. 2006. №2.С.24-28. Юша, В. Л., , Анализ нестационарных температурных полей в стенках цилиндра компрессорной ступени // Омский научный вестник. – 2006. – №5. Вып.39 – С.96-101. Юша, В. Л., Бусаров, С. С., Криницкий, процессов теплопередачи в ступени поршневого компрессора при симметричном температурном поле / , , // Известия высших учебных заведений. – 2007. – №6. – С.59 – 66. Yusha, V. L. , Den’gin, V. G. , Karagusov, V. I., Busarov, S. S. Theoretical analysis of the working process of the superlow rotary low expense piston compressor with the increased piston stroke / V. L. Yusha, V. G. Den’gin V. I. Karagusov, S. S. Busarov // 8thInternational Conference on Compressors and Coolants, 2013, Papiernicka, Slovakia. Book of abstracts. – p. 22. V. L.Yusha, V. G.Dengin, S. S. Busarov, A. V.Nedovenchanyi, A. Yu. Gromov, The estimation of thermal conditions of highly-cooled long-stroke stages in reciprocating compressors, International Conference on Oil and Gas Engineering, OGE-2015,- p.264-269.