Повышение эксплуатационных свойств мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора

В наземном оборудовании ракетных комплексов часто требуется перекачивать жидкость и газы высокой частоты. Это возможно в том случае, если у жидкостей и газов нет контактов с другими жидкостями и газами. Таким требованиям удовлетворяют мембранные насосы и компрессоры.

Впервые созданные в 20-х годах как лабораторные машины узкого назначения МК в настоящее время занимают видное место в компрессоростроении.

В России, Франции, Германии, США, Японии и других странах серийно выпускаются сотни типоразмеров МК, способных обеспечить сжатие газов в широком диапазоне давлений (от вакуума до нескольких тысяч атмосфер), производительностью от нескольких литров до десятков кубометров газа в час [1−10, 19−24].

Наиболее широко применяются МН и МК с металлическими мембранами, совершающими упругие прогибы под действием поршневого или плунжерного привода. Достоинство поршневого и плунжерного приводоввозможность достижения больших отношений (до 30) в одной ступени, что обусловлено наличием развитой теплопередающей поверхности камеры сжатия (у МК) и малым мертвым пространством (у МН и МК).

В МН и МК 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 1−10″ 2 от диаметра мембраны в заделке). Удельные массогабаритные показатели МН и МК определяются частотой рабочих циклов. Если частота рабочих циклов низка $ < 10 Гц), то массогабаритные показатели.

МН и МК невысоки. Если частота рабочих циклов высока (f = 25-^50 Гц), то массо-габаритные показатели МН и МК высоки.

Анализ информации о состоянии развития МН и МК ведущих зарубежных фирм «Burton Corblin» (Франция), «Andreas Hofer» (Германия), «Aminco» 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 и постоянство номенклатуры их типоразмеров. Новые машины разработаны для обеспечения развивающихся направлений современной технологии и расширения научных и поисковых работ.

В развитии отечественных МН и МК отмечается определенный прогресс, вызванный появлением унифицированных мембранных компрессоров [1].

Ниже рассмотрены новые направления в развитии отечественных МК, имеющих частоту рабочих циклов f = 25⁵⁰ Гц.

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 1-Ю" 2 от диаметра мембраны в заделке).

Удельные массогабаритные показатели МК и МН определяются частотой рабочих циклов. Если частота рабочих циклов низка (/<70Гц), то массогабаритные показатели МК и МН не высоки.

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 и постоянство номенклатуры их типоразмеров. Проблемы реального компрессора заключаются в следующем.

У компрессоров с частотой рабочих циклов f -25 + 50 Гц мембраны выходят из строя через t =10¹⁵⁰ часов работы вместо требуемого ресурса в 10 000 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 иметь запасной компрессор для осуществления непрерывной подачи газа. Причины быстрого разрушения мембраны пока неопределенны. Есть только предположение, что быстрый выход мембран из строя является следствием неоптимального расположения отверстий в распределительных дисках, вызывающих скачок давления.

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 компрессораразработан 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 № 2 145 060 «Устройство для определения массового расхода текучих сред» (Щука И.О., Бубнов A.B., Кузнецов В. И., Федоров В.К.) и свидетельство на полезную модель № 19 881 «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 «XXI 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.

Результаты работы экспериментальных и теоретических исследований Щука Ирины Олеговны (Омский государственный технический университет) изложенные в диссертационной работе на тему «Повышения эксплуатационных свойств мембранного блока мембранно-плунжерного компрессора» были использованы в конструкторской документации. В частности рекомендации по расположению отверстий в распределительном диске мембранно-плунжерного насоса введены в конструкторскую документацию опытного образца мембранного насоса НА-4.

Зам. гл. конструктора.

Ю.Н. Сушков.

Вед. конструктор

А.Н. Фендриков.