1.4.2. Основы оптимизации клапанов поршневых компрессоров

Выбор характерных параметров клапанов по величине эквивалентного сечения в щели полностью открытых клапановФ_щне гарантирует оптимального сочетания конструктивных параметров клапанов (толщины δ_пл и массы m_пл подвижных клапанных пластин, их максимального перемещенияh_кл, жесткостиС_пр, числаZ_при предварительного натяга пружинh₀, действующих на отдельные пластины клапана), а следовательно, не позволяет прогнозировать действительный уровень статической ν_при динамической ν_перне герметичности клапанов с выбранными в ходе предварительного термодинамического расчета габаритными размерами или посадочными диаметрамиd₁. Следствием такого подхода является расхождение в той или иной степени между расчетной и фактической производительностью, мощностью на валу машины и показателями надежности и эффективности работы ступеней и агрегата в целом.

С учетом указанных факторов целесообразным является выполнение комплексного поверочного расчета в видечисленного эксперимента, в ходе которого проводится сравнительный анализ вариантов ступени компрессора укомплектованного клапанами различного конструктивного исполнения. По результатам численного эксперимента рекомендуется«оптимальныйвариант» клапанов, при которых обеспечивается требуемая производительность ступени, современный уровень эффективности и надежности клапанов при работе на номинальномидругих режимах.

Подробно данный аспект работы представлен в разделе 7.

1.4.3. О целесообразности применения клапанов грибкового типа

в составе ступеней оппозитных компрессоров

Под «грибковыми» клапанами в литературе понимают индивидуальные клапаныс запорным органом в виде круглой пластины, поверхность которой со стороны седла выполнена по профилю, обеспечивающему минимальное газодинамическое сопротивление при течении газа по каналам клапана. Подвижный орган клапанов внешне напоминает грибок со «шляпкой» сферической формы, обращенной в сторону седла клапана. Конструктивно грибковые клапаны практически не отличаются от клапанов с пластинами сферической формы (см. рис. 5.10-А и5.10-Б). В силу ряда особенностей клапаны подобного типа находят применения, как правило, в малорасходных машинах объёмного действия и на ступенях высокого давления с малыми диаметрами цилиндров. Существующие методы расчета сферических клапанов вполне применимы и при анализе работы ступеней компрессоров укомплектованных грибковыми клапанами.

В настоящем разделе работы автор анализирует целесообразность применения грибковых клапанов в ступенях современных высокооборотных (n ≥ 750 об/мин) оппозитных компрессорах с поршнями двойного действия, что предопределяет боковое расположение индивидуальных клапанов с посадочным диаметром d₁на боковых стенках цилиндра.

Поскольку грибковые клапаны конструктивно идентичны сферическим, то их расчетный анализ может быть выполнен на основе прикладной программы КОМДЕТ-М. Программа хорошо зарекомендовала себя в практике расчетных и конструкторских подразделений ОАО «КОМПРЕССОР» г. С.Петербург на стадии разработки и обоснования оптимальных вариантов малорасходных компрессоров низкого, среднего и высокого давления на У-образных базах.

Рис. 5.10-А. Клапан сферический высокого давления 1 - седло, 2 - ограничитель, 3 - пластина, 4 - пружина

Рис. 5.10-Б. Грибковый клапан конструкции Сибкриотехника 1 - седло, 2 - ограничитель, 3 - пластина, 4 - пружина

Рис. 5.11. Наборный грибковый клапан

с неметаллическими запорными органами

с посадочным диаметром 125 мм(Z_кл=20)

Главным преимуществом клапановтарельчатого типа (грибковых и сферических) с неметаллическими запорными органами считается их повышенная герметичность в закрытом состоянии.

Главный недостаток – низкий коэффициент использования лобовой поверхности клапанной плиты с посадочным диаметром d₁, в пределах которой устанавливается n-е количество сферических или грибковых клапанов (см. рис. 5.11).

В качестве объекта исследования выбранаI ступень газового компрессора 4ГМ2.5-6.67/4-50С с поршнями двойного действия. Рабочие полости ступени (А и Б) могут быть укомплектованы разнотипными индивидуальными клапанами с посадочным диаметром ø125 мм с размещением их на боковой поверхности цилиндра. В ходе численного эксперимента оценивалась эффективность работы ступени при комплектации её прямоточными (ПИК), ленточными (ЛУ), полосовыми (ПК) и грибковыми клапанами при сохранении режимных параметров.

На предварительном этапе исследования определялась оптимальная величина подъёма запорного органа грибкового клапана. Результаты исследования приведены в табл. 5.6. Их анализ позволил обосновать оптимальный вариант клапана ГрК125-20-14-2.0 с диаметром отверстия в седле d_с= 14 мм и высотой подъёма запорного органа h_кл.опт= 2 мм.

Результаты 2-го этапа исследования,приведенные втабл. 5.7и на рис. 5.12 в виде текущих и интегральных параметров ступени компрессора укомплектованной клапанами различного типа, позволяют сделать следующие выводы:

1. Наборные грибковые клапаны, смонтированные в плите с посадочным диаметром ø125, при расположении на боковой поверхности цилиндра проигрывают клапанам других типов по основным показателям, включая:

- снижение производительности - на 4.3 %;

- увеличение суммарных относительных потерь в клапанах χ_вс+нгв 2 раза;

- снижение изотермного индикаторного КПД η_из.инд - на 8.0 %;

- повышение температуры нагнетаемого газа - на 14 К.

Таблица 5.6

Интегральные параметры I ступени компрессора 4ГМ2.5-6.67/4-50Спри комплектации клапанами грибкового типа с переменнойвысотой подъёма h_кл

Параметры	Размер-ность	Число и тип установленных клапанов:
		Zкл = 1вс + 1нг, тип – Грибковые
Обозначение клапана I ст.	-	ГрК125- 20-14-1.5	ГрК125- 20-14-1.8	ГрК125- 20-14-2.0	ГрК125- 20-14-2.2	ГрК125- 20-14-2.5
hкл	мм	1.5	1.8	2.0	2.2	2.5
рнг /рвс	МПа	1.2 / 0.4
П = рнг/рвс	-	3.0
а		0.34
Твс	К	293
Tст		345.2	334.9	343.1	342.9	342.7
Tнг.ц		433.5	430.3	428.3	427.8	427.4
m1.А	кг/ч	513.44	517.26	519.94	518.58	523.88
Vн.у.1А	нм3/мин	7.1011	7.154	7.1911	7.1723	7.2455
Nинд.1А	кВт	20.470	20.150	19.961	19.826	19.974
Nном.1А		16.736	16.781	16.841	16.796	16.938
∆N∑		3.634	3.369	3.120	3.030	3.036
χвс	-	0.118	0.108	0.103	0.103	0.100
χнг		0.105	0.093	0.082	0.077	0.079
Lуд	кДж/кг	143.5	140.2	138.2	137.6	137.3
hвс		528.87
hнг.S		637.43
hнг		670.56	667.33	665.24	664.66	664.33
ηиз.инд	-	0.643	0.658	0.667	0.670	0.672
λ		0.5304	0.5344	0.5372	0.5358	0.5412
λд		0.9521	0.9632	0.9664	0.9609	0.9709
λт		0.9619	0.9631	0.9642	0.9658	0.9639
λо		0.5669	0.5733	0.5746	0.5719	0.5769
∆λвс		- 0.0225	- 0.0123	- 0.0104	- 0.0139	- 0.0131
∆λнг		0.0026	0.0021	0.0007	0.0005	0.0041
ρ3	кг/м3	9.919	9.962	9.988	9.984	10.005
ρ1		4.362	4.418	4.437	4.419	4.458
ρ3 /ρ1	-	2.274	2.255	2.251	2.259	2.244
Wс.вс	м/с	1.14	0.91	0.96	1.21	2.26
Wс.нг		1.94	1.93	1.39	1.42	2.42

Шифр варианта - ГМ25-6.7-4-12-Г.Рабочая полость –А.

ВОЗДУХ,D_ц.I = 200 мм, S_п = 110 мм, L_ш = 220 мм, n = 980 об/мин,с_п = 3.593 м/с

Таблица 5.7

Параметры I ступенидожимающего компрессора 4ГМ2.5-6.67/4-50С

при комплектации клапанами различного типа

Z_кл = 1 + 1, δ_усл.кл= 1 мкм, ρ_{вс.реальная}= 4.7635 кг/м³

Параметры	Размер-ность	Вариант исполнения I ступени
		А	Б	В	Г
Тип клапанов	-	ПИК125- 1.0БМ-1.5	ЛУ125-9- 96-8-0.6-1.8	ПК125-9- 96-8-0.6-1.8	ГрК125- 20-14-2
Тнг	К	412.9	414.6	413.7	428.3 + 14 К
m1.А	кг/ч	532.3	545.4	542.2	519.9
Vн.у.1А	нм3/мин	7.362	7.544	7.499	7.191- 4.3%
Vвс.1А	м3/мин	1.862	1.908	1.897	1.819
Nинд.1А	кВт	18.221	18.809	18.568	19.961
∑∆Nкл		1.036	1.502	1.392	2.957↑ в 2 раза
χвс	-	0.034	0.048	0.044	0.103
χнг		0.026	0.039	0.037	0.082
ηиз.инд		0.749	0.743	0.748	0.667-8%

Рис. 5.12. Текущие параметры I ступени компрессора

4ГМ2.5-6.67/4-50Спри n = 980 об/мин

------ГрК125-20-12-2 ------ ПК125-9-96-8-0.6-1.8

2. Высокая частота и амплитуда колебаний клапанных пружин в периоды всасывания и нагнетания (см. рис. 5.12) способствуют преждевременному выходу их из строя.

Обобщая полученные данные, следует указать, что применение набора грибковых клапанов в клапанной плите круглой формы в составе ступеней крупных оппозитных компрессоров с поршнями двойного действия при высоких частотах вращения вала не целесообразно. Исключение могут составлять отдельные случаи применения грибковых клапанов при комплектации ступеней низкооборотных компрессоров, сжимающих «тяжёлые»-«легкие» газы (например, ВОЗДУХ - Водород и Водород-содержащие смеси) в период пуско-наладочных испытаний.

Список литературы

1. Прилуцкий И. К., Прилуцкий А.И. Расчет и проектирование

поршневых компрессоров и детандеров на нормализованных базах:

Учебное пособие для студентов вузов. – СПбГАХПТ, 1995 . – 194 с.

2. Поршневые компрессоры: Учебное пособие для студентов вузов.

Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий, П.И. Пластинин.

– Л.: Машиностроение , 1987. - 372 с.

3. Френкель М. И. Поршневые компрессоры.

– Л.: Машиностроение , 1969. - 744 с.

– М.: Машиностроение, 1979. - 616 с.

4. Каталог электродвигателей. Филиал ООО «Элком».– Москва, Россия

Ворошилов - Рыжков:

1. Дожимающие компрессоры без охлаждения цилиндров -

тепловая задача (эксперимент и Колеснев) +

оребрение крышек (эксперимент с участием представителя ККЗ и Галяева ??)

2. Унификация клапанов Iи II ступеней компрессора 4ГМ2.5-6.67/11-64

3. Рациональные технические решения Маша, Демпфирование, Унификация – Z_кл 3:1 (ПАИ)

4. Прямоугольные клапаны транспортных компрессоров - альтернатива индивидуальным клапанам круглой формыфорсированных по средней скорости поршня и частоте вращения вала(УКЗ-Демаков и ККЗ)

5. Разработка форсированной по средней скорости базы 4У4 ………….

6. Достигнутый технический уровень компрессоров.

Перспективы его дальнейшего повышения

7. Комплексный расчетно-теоретический анализ (2ВМ2.5-14/9) ………..