Разработка пневмопривода вихревого типа с внутренним периферийным каналом и исследование влияния газодинамических и геометрических параметров на его эффективность

В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;85 годы и на период до 1990 года», утвержденных ХХУХ съездом КПСС, поставлена в частности задача:" сосредоточить усилия на повышении качества, надежности, экономичности и производительности, уменьшении шума и вибраций машин, оборудования и других изделий машиностроения, снижении их материалоемкости и энергопотребления." Это относится и к созданию пневматических приводов, находящих все более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Такие их важные преимущества, как взрыво и пожаробезопасность, способность работать в тяжелых климатических условиях, надежность, длительный срок службы и другие в отдельных случаях являются определяющими при выборе типа привода. Основной недостаток пневмоприводовдовольно низкий КПД, составляющий 20−30%, а с учетом энергии, подводимой к компрессорам и потерь в коммуникациях величина его снижается до 5−15 $ [1б] .

В СССР серийно выпускаются в основном шестеренные, поршневые, ротационные и турбинные пневмоприводы. Каждый тип обладает своими преимуществами и недостатками [ie]. Шестеренные просты по конструкции, надежны, но имеют наибольшую массу и габариты. Поршневые обладают сравнительно высоким КПД, но из-за наличия большого числа кинематических пар быстро изнашиваются. Ротационные являются самым распространенным типом пневмоприводов с небольшой массой и габаритами, но им свойственен довольно низкий КПД. Ввиду наличия трущихся частей они быстро изнашиваются и, кроме того, как правило работают со смазкой и поэтому загрязняют окружающую среду масляными аэрозолями. Недостатком их является и то, что ротационный пневмопривод имеет негарантированный запуск, что вызывает необходимость предусматривать специальные конструктивные мероприятия. Существенными преимуществами обладает другой тип пневмоприводов — турбинные. Непосредственно преобразуя энергию сжатого воздуха в механическую работу, эти машины работают с «сухой» проточной частью, не загрязняя рабочее тело — воздух маслом, способны развивать значительные мощности.

Следует отметить, что ниже речь пойдет о так называемых «малоразмерных» /маломощных/ приводах агрегатов, а не о мощных турбоприводах основных двигательных установок, литература по теории и проектированию которых достаточно обширна. Малоразмерные турбоприводы имеют свою специфику расчета и проектирования [и]. К достоинствам турбинных малоразмерных пневмоприводов следует отнести также кинематическую простоту их конструкции — они имеют единственным подвижным элементом рабочее колесо, совершающее простое вращательное движение, что обуславливает малые габариты, вес, высокую эксплуатационную надежность, простоту обслуживания, низкую стоимость. Главные их недостаткивысокооборотность и относительная сложность изготовления. Воздушные микротурбоприводы известных типов /осевые, радиальные/ работают в зоне 20 000−75 000 об/мин ?l6 J. Высокие обороты обуславливают применение специальных опор, редукторов, что усложняет и удорожает установку. Для снижения оборотов применяют парциальные и многоступенчатые турбоприводы. Но парциаль-ность значительно снижает КПД машины, а увеличение числа ступеней усложняет конструкцию. Для микротурбоприводов характерны также сравнительно низкие пусковой и номинальный моменты. В этом смысле более перспективным представляется использование вихревых машин в режиме пневмопривода.

Вихревой пневмопривод, являясь машиной, обратной по дейст-ствию вихревому компрессору, относится к приводам турбинного типа и, обладая всеми преимуществами последних, позволяет исключить при прочих равных условиях основной их недостатоквысокооборотность. Так, при примерно равных расходах воздуха и. снимаемой мощности оборотность вихревого пневмопривода на порядок ниже, чем у центростремительной турбины, а по сравнению с ротационно-пластинчатым двигателем он обладает более высоким КПД и исключает его недостатки [3l]. В таблице I приведены сравнительные характеристики различных пневмоприводов, в том числе и вихревого, исследованного в настоящей работе.

Конструктивная схема ступени вихревого двигателя с боковым каналом представлена на рис. I.B. Ступень состоит из рабочего колеса I с лопатками 2, установленного в корпусе 3 с малыми торцевыми зазорами. В корпусе выполнен кольцевой канал 4, разделенный в одном месте перемычкой 5 /отсекатель/. Рабочее тело /газ, жидкость/ подводится и отводится через входной 6 и выходной 7 патрубки. Лопатки рабочего колеса и канал в корпусе в совокупности образуют проточную часть ступени. В отличие от других типов турбоприводов частицы рабочего тела в проточной части вихревого привода многократно взаимодействуют с лопатками колеса, отдавая ему свою энергию. Это обусловлено особым, продольно-вихревым движением частиц в проточной части. Согласно имеющимся на сегодня теоретическим и экспериментальным данным, чем интенсивнее организовано вихревое движение частиц рабочего тела в проточной части машины /будь то пневмопривод, либо компрессор или насос/, тем эффективнее ее работа [ 5 J. Продольно-вихревое движение частиц является базовым при обмене энергией между рабочим телом и колесом. Организация вихревого движения существенным образом зависит от геометрии проточной части. В настоящее время известно достаточно большое количество типов проточных частей вихревых машин, различающихся между собой по.

Сравнительные характеристики пневмоприводов.

Характеристика пневмопривода Тип пневмопривода шестеренные 1 ! ротационные I i i турбинные 1 • 1 ! вихревые 1.

Мощность, КВТ 3−40 0,05−3 0,03−2 0,1−5.

Частота вращения, об/мин 2000;5000 2000;25 000 20 000−75 000 2000;20 000.

Расход свободного воздуха на I квт мощности, кг/мин 1,2 1,1 1,2 1,2.

Коэффициент расширения воздуха 1,1 1,3−2 — 2,5−3.

Относительная масса, кг/квт 8*12 1*2 2*5 2*3 расположению кольцевого /рабочего/ канала корпуса /периферийное, боковое и т. д./, количеству каналов, профилю меридионального /поперечного/ сечения проточной части и пр. Отдельные виды известных типов проточных частей вихревых машин представлены на рис. 2. В: а/ - с боковым каналомб/ - с периферийно-боковым каналомв/ - с периферийным каналомг/ - с внутренним периферийным каналом [Ч] - д/ - с двухсторонней проточной частью и прямоугольным профилем меридионального сеченияе/ - с периферийно-боковым каналом и центральным обтекателем [з];

На организацию вихревого движения влияют также различные геометрические параметры ступени /углы наклона, число лопаток, отношение диаметра проточной части к диаметру колеса и др./. Необходимо отметить, что в настоящее время накоплено сравнительно мало экспериментального и теоретического материала по исследованию вихревых машин в режиме турбопривода. Их преимущества, о которых говорилось выше, дают повод для дальнейшего исследования этих машин в этом режиме, повышения их эффективности .

Одним из способов повышения эффективности ступени вихревого привода, в частности, является интенсификация вихревого движения в проточной части с внутренним периферийным каналом, в соответствии с предложенной схемой на рис. 2. В г .

Пневмопривод вихревого типа может оказаться весьма перспективным для современных турбо-компрессорных агрегатов небольшой мощности /в особенности работающих со взрыво и пожароопасными, агрессивными средами/. Для них вопрос привода, как правило, требует отдельном проработки, т.к. диапазон чисел оборот об здесь выше, чем у электродвигателей и ниже, чем у турбин известных типов. В этом смысле вихревой привод может быть использован без усложняющих установку редукторов. Сравнительные низкооборотность и высокое отношение пускового момента к номинальному делают возможным применение привода, например в качестве пневмостартеров для мощных дизелей, работающих в тяжелых климатических условиях. Возможность срабатывать сравнительно большие перепады давлений в одной ступени, при умеренных числах оборотов выгодно отличает пневмопривод вихревого типа от известных пневмоприводов турбинного типа /осевых, радиальных/, что также расширяет перспективу их применения. Например, вихревая турбина может использоваться для детандерного расширения газа, что может найти применение для целей охлаждения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

" .

1. Проведен обзор используемых в промышленности типов пневматических приводов и среди них определено место пневмопривода вихревого типа как сравнительно низкооборотного, со сравнительно высоким отношением пускового момента к номинальному, пневмопривода в настоящее время практически «не исследованного.

2. Предложен новый тип проточной. части вихревого пневмопривода, позволяющий существенно повысить КПД /на 25 — 30%> / по сравнению с известными типами проточных частей вихревых машин и защищенный авторским свидетельством № 979 716 кл ./" 04 $ 17/06.

3. Дан теоретический анализ работы вихревой машины в режиме пневмопривода с рассмотрением структуры потерь и КПД и получены основные расчетные зависимости.

4. Разработаны и созданы экспериментальная модель вихревого пневмопривода с новым типом проточной части /с внутренним периферийным каналом/ и экспериментальный стенд для ее испытания.

5. На основании экспериментального исследования выявлены оптимальные газодинамические и геометрические параметры ступени вихревого пневмопривода с внутренним периферийным каналом и даны рекомендации по .их выбору: а/ Газодинамические параметры:

— коэффициент расхода.

1,15*1,2;

— приведенная окружная скорость колеса.

J = 0,14*0,16 ;

— степень расширения воздуха в рабочем канале ступени 2,5−2,8 ;

— параметр быстроходности.

Ml, «0,15*0,17 б/ Геометрические параметры:

— угол установки лопаток.

Л — э0-" 0 ;

— угол наклона лопаток.

Jhfi «33°*37° ;

— относительный шаг лопаток.

1 = 0,9*1,1 ;

— относительная длина проточной части.

2 = 0,1*0,13 ;

— безразмерный комплекс,' учитывающий влияние торцевого зазора = 0,05*0,09. б. На основе экспериментальных данных дана количественная оценка составляющих структуры КПД и определены пути дальнейшего повышения эффективности пневмопривода.

7. Исследован пусковой режим вихревого пневмопривода с новой проточной частью. Установлено, что привод обладает сравнительно высоким отношением пускового момента к номинальному.

Мп ~Tj- = 1,6 / и получены рекомендации по его расчету на этот.

Пн режим.

8. Разработана методика расчета вихревого пневмопривода с внутренним периферийным каналом.

9. Результаты исследований и предложенная методика расчета использованы при разработке пневмопривода вихревого типа по плану работ, предусмотренных научно-исследовательской темой, выполняемой по Постановлению Правительства.