ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК САМОДЕЙСТВУЮЩИХ КЛАПАНОВ

Органы газораспределения поршневых компрессорных и расширительных машин являются наиболее ответственными и наименее надежными узлами, в которых теряется около 10-15% (в ряде случаев до 30%) располагаемой энергии. Поэтому исследования систем газораспределения, основанные на качественном и количественном анализе потерь энергии, направленные на повышения эффективности и надежности их функционирования, а также получение новых расчетных зависимостей являются наукоемкими и на сегодняшний день актуальными.

Современный уровень развития вычислительной техники укрепляет тенденцию трехмерного моделирования рабочих процессов в поршневых машинах и, соответственно, динамики движения запорных элементов самодействующих клапанов. Однако, в практике расчета и проектирования применяются, в основном, одномерные математические модели с сосредоточенными параметрами, позволяющие обеспечить приемлемую точность расчетов [1].

Характер движения запорных элементов клапанов влияет на индикаторные потери в рабочем цикле компрессорных и расширительных машин. При математическом моделировании наиболее качественно передать характер движения запорных элементов возможно путем уточнения уравнений динамики их движения и расхода газа через проходные сечения клапанов. Это уточнение сводится к экспериментальному определению коэффициентов давления и расхода, входящих в эти уравнения, для клапанов новых, оригинальных и нестандартных конструкций в нормально-открытом исполнении.

Как известно, в одномерной постановке, уравнение движения запорных элементов клапанов

Коэффициенты давления и расхода принято находить экспериментально в зависимости от соотношения площадей для прохода газа в щели и в седле клапана, с помощью газодинамических продувок клапанов в стационарных условиях.

Данные по коэффициентам давления и расхода для самодействующих клапанов различных типоразмеров, выпускаемых промышленностью, ранее получены в ЛПИ им. Калинина (СПбГТУ), МВТУ им. Баумана (МГТУ), ЛенНИИХимМаш [2, 3]. Следует заметить, что полученные зависимости относятся к конкретным типоразмерам клапанов и зависят от геометрических размеров запорных элементов.

В лаборатории компрессорных машин ОмГТУ проведены газодинамические испытания двух типов кольцевых клапанов компрессоров малой производительности (до 0,6 м3/мин), а также двух типоразмеров кольцевых и тарельчатых клапанов в нормально-открытом исполнении расширительных машин. Для этого был изготовлен стенд газодинамических продувок кольцевых и тарельчатых клапанов. Для измерения газовой силы, действующей на запорный элемент клапана, использовался тензометрический способ преобразования силы в электрический сигнал, который посредством АЦП преобразовывался в цифровой и обрабатывался ЭВМ, либо выводился на цифровой регистрирующий прибор.

Получены зависимости для определения коэффициентов давления и расхода кольцевых и тарельчатых клапанов поршневых компрессорных и расширительных машин, которые использовались в математической модели рабочих процессов этих машин. Газодинамическим испытаниям подвергнуты два типа кольцевых клапанов компрессоров малой производительности (до 0,6 м3/мин), по два типоразмера кольцевых и тарельчатых клапанов детандера. Параметры этих клапанов приведены в табл. 1.

На рис. 1 приведены полученные авторами графические зависимости коэффициента давления д от отношения высоты подъема запорного элемента к ширине прохода в седле клапана (hпл/b) для клапанов одноступенчатого компрессора компрессорной установки общего назначения КУ-10 и судового компрессора среднего давления 20К1. На эти же графики нанесены зависимости, полученные М.И. Френкелем и Г.Н. Чекушкиным [3] для кольцевых клапанов большой производительности. Видно, что имеет место качественное совпадение характеристик, а различие в количественных показателях обусловлено различными размерами испытываемых клапанов. При обработке данных продувок компрессорных клапанов по формуле (2) газовая сила относилась к площади проходного сечения в седле клапана, т.е. традиционным для подобных испытаний способом.

Результаты обработки данных продувок по коэффициентам давления нормально-открытых клапанов расширительных машин кольцевого и тарельчатого типов представлены на рис. 2. Коэффициенты давления обработаны двумя способами: с отнесением газовой силы к площади fс (как принято для компрессорных клапанов) и к площади fпл (как удобно при расчете детандерных клапанов). На рис. 2б также представлены данные продувок, полученные А.Л. Горбенко [4] для сферических клапанов.

Самодействующие клапаны детандера продувались двумя способами, так называемыми прямым и обратным потоками.

Для прямого потока порядок прохождения основных проходных сечений клапана следующий: щель - седло. Прямой поток воздуха имеет место во впускном клапане в процессе наполнения цилиндра детандера и в выпускном клапане в процессе выталкивания воздуха из цилиндра.

Обратное направление подразумевает противоположное движение газовой среды: седло - щель. Обратный поток воздуха имеет место во впускном клапане в процессе нагнетания (когда давление в цилиндре выше давления во впускной полости).

Аппроксимирующие выражения для коэффициентов давления нормально открытых тарельчатых и кольцевых клапанов от отношения fщ/fс обработанные в соответствие с формулой (2) с отнесением газовой силы к площади fпл приведены также на рис. 2.

Результаты обработки экспериментальных данных коэффициента расхода в зависимости от отношения сечений в щели и седле fщ/fс для кольцевых и тарельчатых детандерных клапанов приведены на рис. 3. Экспериментальные кривые качественно соответствуют полученным предыдущими исследователями для ленточных, прямоточных, кольцевых и тарельчатых клапанов [3, 4], количественные же различия прослеживаются.

Полученные расчетные зависимости для определения коэффициентов давления и расхода справедливы в диапазоне изменения для всех исследованных типов клапанов.

Имеющиеся экспериментальные данные по потерям давления в клапане и расходу через него обобщены в виде зависимостей критериев динамического подобия Эйлера и Рейнольдса.

На рис. 4 изображены кривые для компрессорных и детандерных самодействующих клапанов кольцевого и тарельчатого типа построенные в координатах Eu от Re. По графику видно, что кривые для кольцевых компрессорных и детандерных клапанов имеют близкий характер, поэтому они были сведены в одну обобщающую зависимость, вид которой в логарифмической системе координат показан на рис. 5. Аппроксимацией экспериментальных данных по кольцевым клапанам была получена следующая зависимость:

Следует отметить, что представление результатов экспериментов в виде критериев динамического подобия является удобным обобщением экспериментальных данных. К тому же, имеется однозначная связь между коэффициентом расхода, коэффициентом местных сопротивлений [5], а также и критерием Эйлера, что позволяет использовать полученные зависимости (14)–(15) в практике инженерного проектирования и математического моделирования рабочих процессов в поршневых компрессорных и расширительных машинах.

К тому же, зная значения Eu, можно находить действительный перепад давления на клапане и определять значение силы давления газового потока, не прибегая к расчету коэффициента давления.

Интересным, на наш взгляд, является применение метода анализа размерностей для представления результатов экспериментальных исследований клапанов и рабочих процессов поршневых машин в виде безразмерных комплексов [6]. Основываясь на -теореме Бэкингема получены безразмерные зависимости, связывающие между собой интегральные показатели работы поршневого детандер-компрессорного агрегата (ПДКА) – индикаторную мощности Ni и холодопроизводительность Q, геометрические параметры рабочих полостей – описанный объем ( ) и самодействующих клапанов детандерной ступени – жесткости пружин и высот подъема запорных элементов (Спр.вп., Cпр.вып., hн.вп., hн.вып.) впускного и выпускного клапанов, рис. 6, 7.

Средняя относительная погрешность экспериментальных точек на графиках (рис. 6, 7) от аппроксимирующих зависимостей не превышала 5%. Полученные расчетные формулы могут использоваться при инженерном проектировании поршневых ДКА с комбинированной системой воздухораспределения ступени детандера (впуск сжатого воздуха – через нормально-открытый самодействующий клапан; выпуск охлажденного воздуха - через выхлопные окна и выпускной клапан) и позволяют подбирать параметры клапанов и агрегата для обеспечения гарантированно устойчивой работы последнего.

Результаты расчетного анализ по разработанной авторами математической модели ПДКА с учетом полученных эмпирических зависимостей показали, что погрешность расчета интегральных показателей и характера движения запорных элементов клапанов по математической модели в сравнении с экспериментальными данными составила менее 2-4 % [7].

Результаты выполненных исследований показали, что каждой конструкции клапанов соответствуют свои зависимости коэффициентов давления и расхода, которые необходимо учитывать при моделировании рабочих процессов; исследованные кольцевые клапаны компрессоров малой производительности имеют существенно низкие значения коэффициента расхода, а значит большую долю относительных потерь энергии в них, что служит основанием для дальнейшегосовершенствования их конструктивного исполнения. Результаты могут быть использованы при расчете и проектировании поршневых компрессорных и расширительных машин.

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