ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 2, 2015
УДК 62.522:62.387
© 2015 г. Ивлев В.И., Бозров В.М., Воронов В.А.
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СПИРАЛЬНОЙ МАШИНЫ В РЕЖИМЕ ПНЕВМОМОТОРА-ДЕТАНДЕРА
Представлены результаты экспериментального исследования спиральной машины, работающей в режиме пневмомотора-детандера. Построены механические характеристики и зависимости для изоэнтропного КПД при различных давлениях питания и вида рабочих тел. Проведен анализ полученных данных и сравнение с характеристиками других типов пневмомоторов. Получены оценки влияния вида рабочего тела на механические характеристики пневмомоторов объемного принципа действия.
Одно из основных достижений в области компрессорной техники за последние годы стало освоение массового производства спиральных компрессоров с мощностью привода до нескольких десятков киловатт как для получения сжатого воздуха, так и различных холодильных агрегатов [1, 2]. Это обусловлено рядом преимуществ спиральных компрессоров по сравнению с поршневыми такой же мощности: более высоким КПД (на 10—12%), лучшими удельными массогабаритными показателями, более низким шумом. Есть примеры их использования для других приложений, например, фирма "Volkswagen" разработала спиральный нагнетатель для систем наддува автомобильных двигателей.
Спиральные компрессоры являются машинами объемного принципа действия, которые обратимы и без особых конструктивных изменений могут работать в других режимах: насоса, пневмомотора и детандера. Схема спиральной машины, дающая представление о принципе ее работы, представлена на рис. 1.
Исследованиям работы спиральной машины как вакуумного насоса посвящено значительное число работ (см. библиографию в [3]). В то же время публикации, направленные на изучение работы спиральной машины в режиме пневмомотора-детан-дера, практически отсутствуют. Потребность в таких исследованиях связана с разработкой быстродействующих аварийных источников электропитания для крупных серверных центров [4], где пневмомотор, питающийся от автономного баллонного источника, вращает генератор, а отработанный сжатый воздух идет на охлаждение электронных блоков. Другое приложение связано с разработкой пневмоаккумулирую-щих энергобуферов для ветровых и солнечных электростанций [5, 6]. В [7] представлены результаты исследования спиральной машины, работающей в режиме пневмомо-тора, которые показали его достаточно высокую энергоэффективность по сравнению с другими типами пневмомоторов.
В настоящей статье даны результаты исследования работы спиральной машины в режиме пневмомотора-детандера при использовании сжатого воздуха и других газов (Ar, CO2) в качестве рабочего тела.
На рис. 2 представлена принципиальная схема экспериментального стенда, который, в отличие от предыдущей модификации [7], позволяет работать с различными рабочими телами, осуществлять теплоизоляцию подводящих и выхлопных трактов, а
Рис. 1. Схема расположения рабочих элементов спирального пневмомотора-детандера: 1, 5 — полости выхлопа; 2, 6 — линии касания спиралей; 3 — замкнутые полости расширения; 4 — неподвижная спираль; 7 — центральная полость; 8 — окно подвода сжатого воздуха; 9 — подвижная спираль
также корпуса пневмомотора-детандера. В эксперименте вместо масла Mobil rarus 425 использовали ФМ5,6АП, имеющее в области низких температур в 2,5—3 раза меньшую кинематическую вязкость. В качестве спирального пневмомотора-детанде-ра был использован компрессор модели Mitsubishi MSC90 CAS с некоторыми конструктивными изменениями. Основные его параметры составляют: высота пера эвольвентной спирали 30 мм, диаметр впускного отверстия в центре неподвижной спирали 8 мм, полный угол закрутки спирали 4,3п, внутренний диаметр корпуса 118 мм.
На рис. 3, а, б, в представлены полученные экспериментально механические характеристики спирального пневмомотора; зависимости крутящего момента M (ю), развиваемой на валу мощности N(bi) и удельного расхода д(ю) (расхода приведенного к нормальным условиям сжатого воздуха, приходящегося на единицу развиваемой мощности) для давлений питанияpm = 0,5, 0,4 и 0,3 МПа (соответственно линии 1, 2 и 3). Здесь ю — установившаяся угловая скорость вала пневмомотора. Для удельного расхода при pm = 0,4 и 0,5 МПа кривые практически совпадают, поэтому приводится только одна кривая.
Следует отметить достаточно высокую энергоэффективность рассматриваемого спирального пневмомотора, для которого удельный расход сжатого воздуха при давлении питания рт = 0,5 МПа достигал 0,67 м3/(мин • кВт). Эта величина превосходит данный показатель для наиболее экономичных моделей поршневых пневмомоторов (0,87 м3/(мин • кВт)) [8, 9]. Лучший показатель удельного расхода 0,65 м3 /(мин • кВт) имеют только мощные (40—55 кВт) двухступенчатые турбинные пневмомоторы, например, пневмостартеры модели ST599 фирмы Ingersoll Rand (США). Для турбинных
2
Рис. 2. 1 — баллон, 2 — компрессор, 3 — фильтр — осушитель, 4 — редукционный клапан, 5 — манометр и термопара, 6 — лубрикатор, 7 — пневмомотор-детандер, 8 — датчик статического момента YDNF-100KC, 9 — электромагнитная порошковая муфта Р128, 10 — лазерный тахометр, 11 — маслоотделитель, 12 — расходомер
Мр, Нм
3
1
0
N, Вт 1000
600
200 0
100
А а
1
2
3
300 ш, 1/c 500
1 б У
1 1
Р— 2
3
%
q, м3/(мин ■ кВт) 1,5
100
300 ш, 1/c 500
0
П», % 50
48
46
44
42
300 ш, 1/c 500
♦ ■
\ 1 /
■ >
\
2 \
V
t, °C
-19
-20
-21
-22
50
150
250 ш, 1/c 350
Рис. 3
5
пневмомоторов сопоставимой мощности (1—5 кВт) этот показатель уже составляет 0,8-1,2 м3/(мин • кВт).
Важным показателем качества работы пневмомотора является наклон его момент-ной характеристики или жесткость характеристики Km = АМ(ю)/Аю, которая косвенно позволяет судить о совершенстве организации процессов впуска и выхлопа сжатого воздуха в полостях пневмомотора. В соответствии с полученными данными (рис. 3, а) величина Km = 7,7 • 10-3 Нмс при рт = 0,5 МПа. Это соответствует показателям пластинчатых пневмомоторов сопоставимой мощности, которые обладают жесткой мо-ментной характеристикой в отличие от поршневых пневмомоторов, имеющих мягкую характеристику.
Конструкция спиральной машины не обеспечивает полной герметичности рабочих полостей, соответственно возникающие утечки влияют на энергоэффективность и другие показатели машины. Для оценки величины утечек обычно используется безразмерный коэффициент, равный отношению расхода сжатого воздуха при остановленном роторе к номинальному расходу (расходу при максимальной мощности мотора). Объемный расход утечек определяли как Gu = Sw, где S — площадь выхлопного канала на корпусе, w — средняя скорость воздуха в сечении выхлопного канала, которую измеряли термоанемометром testo410-2. Применение термоанемометра связано с тем, что измеряемый уровень утечек ниже порога чувствительности используемого в конструкции стенда ротаметра ЭМ-210. Расход утечек практически прямо пропорционален давлению питания и мало зависит от углового положения ротора (колебания величины расхода не более 6% от среднего). При давлении pm = 0,2 МПа — Gu = 0,05 м3/мин, а при pm = 0,5 МПа — Gu = 0,11 м3/мин. Значение коэффициента утечек составило 0,18—0,2, что примерно соответствует величине этого показателя для поршневых пневмомоторов.
Использование масла ФМ5,6АП вместо масла Mobil rarus 425 позволило повысить развиваемую мощность пневмомотора примерно на 12—15% по сравнению с [7] и получить несколько лучшие показатели удельного расхода сжатого воздуха.
На рис. 3, г показана зависимость изоэнтропного КПД п и температуры воздуха на выхлопе от величины установившейся скорости вращения вала при рт = 0,36 МПа. Величина п является одним из основных показателей качества работы спиральной машины в режиме детандера и определяется как отношение теплоперепада реального детандера к изоэнтропному перепаду [10] п = (к — А2)/(А1 — к,), где к1(Т,рт) — энтальпия сжатого воздуха на входе в пневмомотор-детандер; к2(Тв, ра) — энтальпия на выходе; Тв — температура воздуха на выходе; ра — атмосферное давление; к, Тв) — энтальпия сжатого воздуха, имеющего энтропию при параметрах состояния на входе ^ (рт, Т). Величины энтальпий определяли с использованием программного комплекса [11], позволяющего для различных рабочих тел по двум известным параметрам состояния вычислять все остальные. Время выхода на установившийся режим при работе спиральной машины в режиме детандера при теплоизоляции корпуса машины и трубопроводов достигает 25 минут.
Представленный на рис. 3, г результат по определению изоэнтропного КПД при рт = 0,36 МПа является наилучшим среди аналогичных кривых, полученных при различных давлениях питания. Это объясняется тем, что геометрическая степень расширения замкнутой серповидной полости с момента образования до момента раскрытия и сообщения с атмосферой для этих параметров спирали составляет величину 3,45.
Если спиральная машина как пневмомотор по энергоэффективности превосходит поршневые пневмомоторы, то в качестве детандера она имеет несколько худшие показатели, что связано со спецификой утечек и перетечек в рабочих полостях. Сжатый воздух, поступающий в мотор-детандер из впускного отверстия (рис. 1), может перетекать в другие полости через торцевые зазоры спиралей и по линии их контакта. Эти перетечки, прежде чем уйти в атмосферу, принимают участие в формировании крутящего момента, но при этом расширение воздуха в замкнутых серповидных полостях уже не является адиабатическим. Последнее приводит к ухудшению основного показателя эффективности работы детандера — изоэнтропного КПД, но в меньшей мере влияет на показатель эффективности работы пневмомотора (удельный расход).
Для оценки влияния типа рабочего тела на механические характеристики пневмо-мотора рассмотрим простейшую модель рабочей полости — цилиндр одностороннего действия. Рабочий ход поршня для этой модели описывается следующей системой дифференциальных уравнений [12]:
с-х „ о йР1
т-с =р- с
ЛКРт^Ф^^Рт) -Р1 —
(1)
где т — масса подвижных часте
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.