авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Повышение эксплуатационных свойств мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЩУКА ИРИНА ОЛЕГОВНА

повышение эксплуатационных СВойстВ МЕМБРАННОГО БЛОКА МЕМБРАННО-ПЛУНЖЕРНОГО КОМПРЕССОРА

Специальность 05.07.06 – Наземные комплексы, стартовое оборудование,

эксплуатация летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Омск – 2012

Работа выполнена на кафедре «Авиа– и ракетостроение» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Аверьянов Геннадий Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ненишев Анатолий Степанович,

кандидат технических наук

Костогрыз Валентин Григорьевич

Ведущая организация: ОАО «Высокие технологии», г. Омск.

Защита диссертации состоится «26» апреля 2012 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.178.13 в Омском государственном техническом университете по адресу: 644050, пр. Мира, 11, корпус 6, ауд. 340.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан 26 марта 2012г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к. т. н., доцент Яковлев А.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Мембранно-плунжерные компрессоры и насосы получили самое широкое распространение не только во многих отраслях промышленности, но и в наземном оборудовании ракетных комплексов. Как известно, для опрессовки и испытания пневматических элементов летательных аппаратов и спутников необходимо использовать воздух или другие газы сверхвысокой чистоты и не допускать при этом ни малейших потерь и загрязнений посторонними веществами, особенно минеральными маслами, взаимодействие которых с некоторыми газами могут привести к взрыву. Такими агрегатами являются мембранно-плунжерные компрессоры. В них отсутствует контакт, рабочего тела (масло) плунжерной системы, и перекачиваемого газа. Эти компрессоры имеют малые габариты и вес, что очень удобно в эксплуатации, особенно в контрольно-испытательных станциях, в качестве передвижных установок.

В МК и МН мембраны при сжатии не подвергаются одностороннему действию давления, что позволяет применять тонкие мембраны для создания высоких давлений. Однако прогиб металлической мембраны ограничивается прочностными свойствами материала, из которого она изготовлена, и даже в случае применения относительно тонкой высокопрочной стали он невелик (в большинстве конструкций 110-2 от диаметра мембраны в заделке).

Удельные массогабаритные показатели МК и МН определяются частотой рабочих циклов. Если частота рабочих циклов низка (Гц), то массогабаритные показатели МК и МН не высоки (Гц). Анализ информации о состоянии развития МК и МН ведущих зарубежных фирм «Burton Corblin» (Франция) «Andreas Hofer» (Германия) «Amico» и «Durco» (США) за последние годы позволяет заключить, что каких-либо кардинальных изменений в этой области не произошло. Характерны неизменность конструктивных решений основных специфических узлов машин, постоянство номенклатуры и их типоразмеров. Проблемы реального компрессора заключаются в следующем.



У компрессоров с частотой рабочих циклов Гц мембраны выходят из строя через часов работы вместо требуемого ресурса в 10000 часов. Для обеспечения нормальной работы компрессора прикладывается пакет запасных мембран. Частый выход компрессора из строя за счет разрушения мембраны приводит к необходимости больших затрат на смену мембран и необходимости иметь запасной компрессор для осуществления непрерывной подачи газа. Причины быстрого разрушения мембраны пока не определены. Есть только предположение, что быстрый выход мембран из строя является следствием неоптимального расположения отверстий в распределительных дисках, вызывающих скачок давления. Для совершенствования конструкции мембранного блока необходимо провести теоретические обоснования причин выхода мембран из строя с целью обеспечения сохранения заданных показателей эффективности, значений эксплуатационных характеристик наземных комплексов летательных аппаратов.

Таким образом, работы по определению оптимальных размеров мембранного блока, созданию математических моделей и методик расчета расположения отверстий в распределительном диске (подложке), актуальны и имеют большое народнохозяйственное значение.

Целью настоящей работы является проектирование, расчёт, улучшение эксплуатационных и технико-экономических показателей, а так же повышение ресурса мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора.

Указанной цели подчинены следующие задачи:

1. Определение причин быстрого выхода мембран из строя и причин возникновения скачка давления.

2. Исследование МК по снижению и увеличению скачка давления за счет оптимального расположения отверстий в распределительном диске.

3. Разработка математической модели работы мембранного блока в мембранно-плунжерном компрессоре.

4. Разработка методики расчета по определению мест рационального расположения отверстий по поверхности распределительного диска и разработка рекомендации по снижению величины скачка давления в МК

5.Экспериментальные исследования МК для подтверждения расчетов по оптимальному расположению отверстий в распределительном диске и по повышению ресурса.

Методы исследований. В работе использован комплексный подход исследований, сочетающий современные методы экспериментального и расчетно-теоретического исследования мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора.

В теоретической части работы, посвященной разработкам математических моделей и методик расчета, где применялись численные методы расчета, широко используемые для решения аналогичных задач.

Научная новизна. В результатов проведенных исследований:

- составлена математическая модель, описывающая процесс возникновения скачка давления при равномерном распределении отверстий в распределительных дисках мембранно-плунжерного компрессора;

- разработана методика расчета оптимального расположения отверстий в распределительных дисках мембранно-плунжерного компрессора;

- разработан метод определения величины объемов между профилированными и ограничительными поверхностями распределительного и ограничительного дисков;

- разработан метод расчета и моделирования гидродинамических процессов в мембранно-плунжерных компрессорах, использующихся в заправочных системах.

Автор выносит на защиту следующие основные положения;

1. Математическую модель процесса возникновения скачка давления и методику расчета величины скачка давления в мембранном блоке МК.

2. Математическую модель и методик расчета мест расположения отверстий и суммарной площади отверстий в распределительном диске.

3. Все выносимые на защиту положения и полученные автором результаты подтверждены испытаниями, дающими удовлетворительное совпадение теоретических и экспериментальных данных.

Практическая ценность. Предложенные математические модели, методики и рекомендации позволяют улучшить качество проектирования, повысить достоверность результатов испытаний, дают возможность располагать отверстия в подложках мембранного блока, таким образом, чтобы величина скачка давления была минимальной.

Реализация работы. Результаты исследований могут быть использованы при совершенствовании существующих и вновь разрабатываемых мембранно-плунжерных компрессоров в АООТ «Омское моторостроительное конструкторское бюро» (г. Омск), а также в наземном оборудовании ракетно-космической отрасли.

На основные результаты работы были получены патент на изобретение №2145060 «Устройство для определения массового расхода текучих сред» (Щука И.О., Бубнов А.В., Кузнецов В.И., Федоров В.К.) и свидетельство на полезную модель №19881 «Распределительный диск пневмогидромашины» мембранного типа» (Щука И.О., Кузнецов В.И., Юминов В.Г.)

Полученные результаты могут быть рекомендованы к использованию на предприятиях машиностроения, занимающихся разработкой, созданием и производством мембранных компрессоров, а также в учебном процессе при изучении отдельных разделов дисциплины «Компрессорные машины».

Достоверность результатов работы. Обусловлена качественным и количественным соответствием теоретических результатов известных данных, а также результатам численного и физического моделирования.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (Н. Новгород, 1998); на научно-практической конференции Промтехэкспо-99 «Роли инноваций в развитии регионов» (Омск, 1999); на III международной научно-технической конференции «Динамика систем механизмов и машин» (Омск, 1999); на 12-ом Межвузовском научно-техническом семинаре «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология» (Казань, 2000), на 13-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции (Казань, 2001), на научной молодежной конференции «Молодые ученые на рубеже третьего тысячелетия», посвященной 70-летию со дня рождения академика В.А. Коптюка (Омск, 2001), на молодежной конференции «Задачи космического образования в «ХХ1 веке», всемирная космическая неделя ООН (Москва, 2001), на II международном технологическом конгрессе (Омск, 2003), в Омском научном вестнике, 2006. - №6 (41)., на международной научно-практической конференции «Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса» (Омск, 2011).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 26 печатных работ, в том числе – 2 в перечне ВАК, патент на изобретение, свидетельство на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка и акта внедрения. Общий объем составляет 162 с., в том числе основного текста 154, 39 рис. и 12 табл., список литературы 68 наименований на 7 с., акт внедрения 1 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана область применения мембранных компрессоров, перспективы развития и факторы, сдерживающие более широкое применение мембранных компрессоров в промышленности.

В первой главе проведен обзор и анализ состояния работ по исследованию мембранных компрессоров и области их применения, обоснована актуальность работы, посвященная исследованию мембранного блока мембранного компрессора, сформулирована новизна и практическая значимость исследования.

Теоретическим и экспериментальным исследованиям мембранных компрессоров посвящены работы С.М. Алтухова, А.В. Жукова, В.Д. Кузнецова, Э.А. Левина, С.Ф. Шагова, Г.Ф. Даля, В.А. Соколова, Э.С. Гриднева, В.А. Румянцева, И.О. Зеря, Г.А. Перерва, В.А. Пчелинцева, Dohme I., Decker E., Stefamides E., Hinton и др.

На основании приведенного литературного обзора сформулированы следующие задачи исследования:

1. Определение причины возникновения повышенного давления в мембранном блоке в процессе работы мембранного компрессора.

2. Составление математической модели, описывающей работу мембраны в мембранно-плунжерном компрессоре.

3. Разработка рекомендаций по снижению величины скачка давления в мембранном компрессоре.

Показано, что для повышения конкурентоспособности МК необходимо добиваться снижения их металлоемкости, одним из путей снижения которой является увеличение частоты рабочих циклов до величины Гц.

Во второй главе приведены основные гипотезы и допущения, которые позволяют построить математическую модель, а также теоретические исследования мембранно-плунжерного компрессора. Дан анализ работы мембранно-плунжерного компрессора. Получено основное дифференциальное уравнение для прогибов круглой тонкой пластинки при осесимметричном нагружении.





Приведена математическая модель, описывающая работу мембраны в мембранно-плунжерном компрессоре. Современная математическая модель работы мембранного блока построена, исходя из предпосылок, что при равномерном расположении отверстий в распределительном диске мембрана в первую очередь коснется противоположного распределительного диска в заделке по краям. Затем начнется плавное прилегание по краям (как бы качение) мембраны по противоположному распределительному диску от периферии к центру. Однако, эксперимент показал, что наблюдается волнообразное движение мембраны при ее перемещении от одного распределительного диска к другому. Объяснения этому явлению в современной литературе нет.

Для объяснения работы мембраны в мембранном блоке и построения математической модели принята следующая гипотеза. При отрыве мембраны от распределительного диска с равномерным расположением в нем отверстий противоположного распределительного диска мембрана достигает в первую очередь в заделке по краям. Так как осевое движение мембраны на периферии прекратится, и сжимаемая жидкость не сможет перемещаться параллельно оси, начнется ее радиальное перемещение от периферии к оси. Чем большая площадь мембраны будет прилегать к противоположному распределительному диску, тем большее количество сжимаемой жидкости будет двигаться в распределительном направлении от периферии к оси. Подобное движение сжимаемой жидкости вызовет скачок давления, который будет перемещаться от периферии к оси и обратно. Это перемещение жидкости вызовет волнообразное движение мембраны и возникновение в ней дополнительных напряжений. Дополнительные напряжения приводят к ускоренному разрушению мембраны.

Для исключения радиального перемещения сжимаемой жидкости от периферии к оси необходимо установить диафрагму на распределительный диск для синхронного закрытия отверстий по мере прилегания мембраны к противоположному распределительному диску. Кроме того, перемещения жидкости от периферии к оси можно избежать, если площади отверстий в распределительном диске будет пропорциональны кольцевым объемам между распределительными дисками. Допускается, что в этом случае движение жидкости между распределительными дисками и мембраной будет идти параллельно оси мембраны. В этом случае не будет скачков давления жидкости, и не будут возникать дополнительные напряжения, вызывающие ускоренное разрушение мембраны. Математическая модель работы мембранного блока построена, исходя из этих допущений.

Для составления математической модели найдено уравнение для определения объема, заключенного между мембраной и распределительным диском, как тела вращения образующей поверхности подложки вокруг оси Оу

, (1)

где .

Интегрирование уравнения (1) дает возможность определить объем между горизонтальным положением мембраны и поверхностью распределительного диска, т.е.

. (2)

где: d1 – диаметр мембраны в заделке;

- максимальный прогиб мембраны, когда она полностью прижата к распределительному диску.

Выведены уравнения для расчета мест расположения отверстий для безударного подвода жидкости под мембрану. Показано, что когда весь объем жидкости находится между распределительным диском и мембраной, то его можно разбить на элементарные кольцевые объемы тремя способами:

– все кольцевые объемы взять равновеликими;

– у кольцевых объемов равновелики площади оснований при разных высотах;

  • у кольцевых объемов берется равной толщина колец, а их высоты будут различны (рис. 1).

Из этих трех способов необходимо найти лучший.

1) Уравнение для расчета геометрических размеров равновеликих объемов между подложками находится следующим образом. Весь объем между подложками разбивается на i равных кольцевых объемов (i=1, 2,..., k)

w1=w2=... =wk.

Во все элементарные объемы будет подводиться одинаковое количество жидкости и, следовательно, площадь отверстий для подвода жидкости в эти элементарные объемы будет одинаковой.

Объем i-го кольца (i=1, 2,..., k) можно определить по формуле

. (3)

где wII- объем пространства между подложками.

Величину объема i-го кольца кроме того можно определить из уравнения

, (4)

которое после интегрирования имеет вид

; (5)

Решение последнего уравнения относительно неизвестной величины дает следующий результат

(6)

Из трансцендентного уравнения (4) определяется диаметр di+1.

2) Уравнение для расчета геометрических объемов между подложками, у которых площади кольцевых сечений равновелики

Площадь профилированной подложки проектируется на горизонтальную плоскость и разбивается на i равновеликих площадей i=1, 2,..., k.

(7)

Во все k объемов необходимо подводить количество жидкости прямо пропорциональное этим объемам. Следовательно, площади отверстий для подвода жидкости в эти объемы должны быть прямо пропорциональны подводящим объемам жидкости.

Кольцевой объем тела вращения, заключенный между горизонтальной плоскостью и профилированной поверхностью подложки (решетки) определяется по уравнению

, (8)

где F(y)=x2 - площадь поперечного сечения тела перпендикулярного к оси вращения Oy; у - ордината сечения; i, i+1 - ординаты сечений, в пределах которых изменяется образующая тела вращения; x=f(y) - уравнение образующей тела вращения (решетки).

Уравнение образующей тела вращения имеет вид

, (9)

где - площадь основания кольцевого объема.

После подстановки пределов интегрирования и приведения подобных членов находится формула для определения кольцевых объемов

(10)

Так как площади кольцевых сечений равны между собой, то можно записать соотношения

,

или

, (11)

где d1=dmax, а dk=0,

Суммарная площадь определяется по формуле

. (12)

На основании вышеизложенного можно записать

(13)

Высоту кольцевых объемов, заключенных между горизонтальной плоскостью и профилированной поверхностью подложки (решетки) можно определить по уравнению

(14)



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.