УДК 632.680АНАЛИЗ РАБОТЫ ВОЗДУШНОГО ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА СУХОГО СЖАТИЯ В.П. Попов, канд. техн. наук, доц. Сумский государственный университет 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. 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;iц, iу – удельные энтальпии газа в цилиндре и утечек газа. Изменение массы газа М в межкольцевом объеме Vk 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 (Wr=1 м/с, Rz=1,5 мкм, N=2)Средняя температура цилиндра в зоне трения составляет 75–85оС, 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, li =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 (Wr=1 м/с, Rz=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 (Wr=1 м/с, Rz=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 Rz 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 [pav] , определяющего допустимый режим эксплуатации подшипника и [п] – допустимой избыточной температуры подшипника, определяющей работоспособность полимерного материала. Основные результаты расчета приведены в таблице 1.Таблица 1 Пор. номер Параметр Обозначение, размерность Подшипник верхней головки шатуна Подшипник нижней головкишатуна 1 Расчетный режим работы подшипника (pav)p, МПам/с 0,9 11,2 2 Максимальный параметр работоспособности материала (флубон-20, графелон-20) (pav)max, МПам/с 5 5 3 Допустимая нагрузочная способность узла [pav], МПам/с 0,85 0,7 4 Действительная нагрузочная способность узла (pav)д, МПам/с 2,1 28,4 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 Параметр компрессора Разм. Величина Ф4К20 Флубон15/20 1 Давление всасываемого воздуха бар 1,02 1,00 2 Температура всасываемого воздуха °С 17,5 24,5 3 Давление нагнетания бар 6,87 6,87 4 Частота вращения 1/с 12,5 12,5 5 Температура нагнетания 1-й ступени °С 136,5 145.5 6 Температура нагнетания 2-й ступени °С 123 133 7 Производительность компрессора по условиям м3/мин 1,57 1,644 8 Потребляемая мощность кВт 10, 11,0 9 Удельная мощность кВт/(м3/мин) 6,6 6,636 10 Изотермный к.п.д. 0,49 0,48 11 Интенсивность износа колец 107мм3/(нм) 14,3 1,55 12 Срок службы уплотнений час 2200 8730 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. 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.SUMMARYThe 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 ЛИТЕРАТУРЫПопов 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.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.Полимеры в узлах трения машин и приборов: Справочник / Е.В. Зиновьев и др. – М.: Машиностроение, 1980. – 208с.Разработка поршневых уплотнений из новых композиционных материалов для повышения технического уровня компрессорного оборудования: Отчет о НИР / Сумский физико-технологический институт; № ГР01890013646. – Сумы, 1991. – 100с.Поступила в редакцию 15 октября 2004г.