АНАЛИЗ РАБОТЫ ВОЗДУШНОГО ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА СУХОГО СЖАТИЯ

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 находится в стадии создания опытных образцов. Основная трудность состоит в разработке надежных уплотнений и опор, что обусловлено высокой теплонапряженностью деталей цилиндро-поршневой 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.

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).

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 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.

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.

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 флубона15(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.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004