На правах рукописи

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический

университет» (ФГБОУ ВПО «КНИТУ»)

Научный руководитель – доктор технических наук

, Сайфетдинов Алмаз Габдулнурович профессор Хисамеев Ибрагим Габдулхакович

Официальные оппоненты: Сухомлинов Игорь Яковлевич, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА РАБОЧЕГО ОАО «ВНИИХолодмаш - Холдинг»

ПРОЦЕССА РОТОРНОГО КОМПРЕССОРА ВНУТРЕННЕГО (г. Москва)

СЖАТИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕЗУЛЬТАТОВ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛООБМЕНА В Панфилович Казимир Брониславович, РАБОЧЕЙ ПОЛОСТИ доктор технических наук, профессор кафедры «Вакуумная техника электрофизических установок» ФГБОУ ВПО «КНИТУ» (г. Казань) 05.04.06 – Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы

Ведущая организация: ОАО «ТатНИИнефтемаш» (г. Казань)

Защита состоится 15 февраля 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.11 ФГБОУ ВПО «КНИТУ» по адресу:

420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68 (зал заседаний Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «КНИТУ».

АВТОРЕФЕРАТ

Автореферат разослан 10 января 2013 г.

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ученый секретарь диссертационного совета А.В. Герасимов Казань –

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение точности расчета при математическом моделировании рабочих процессов в Актуальность темы.

РКВнС путем учета теплообмена между газом и стенками рабочей поРоторные компрессоры типа Рутс находят свое применение там, лости.

где требуются большие расходы при малых давлениях, например, при В соответствии с этим необходимо решить следующие задачи:

транспортировке сыпучих продуктов; обеспечивают продолжительную 1. Усовершенствовать расчетно-экспериментальную методику опнадежную работу, малочувствительны к запыленности всасываемого ределения коэффициента теплоотдачи от газа к стенкам роторных комвоздуха по сравнению с компрессорами, где в камере сжатия присутстпрессоров типа Рутс путем разработки способа осуществления замеров вуют пары трения. Внешний тип сжатия данных машин называется температур газа в рабочей полости и теплообменных поверхностей изохорным и является достаточно энергозатратным.

корпуса компрессора в процессе его работы;

Исследуемый в данной работе роторный компрессор внутреннего 2. Провести экспериментальные исследования по определению сжатия (РКВнС), созданный на базе машины типа Рутс, благодаря усвнешних характеристик РКВнС и измерению изменяющихся во времетановке в полости нагнетания двух газораспределительных золотников, ни температур газа в рабочей полости и поверхностей корпуса комимеет более эффективный рабочий процесс, который происходит внутпрессора температурными датчиками, чувствительными элементами ри рабочей камеры. Наряду с характером изменения объема рабочей которых являются малоинерционные термопары. Для этого создать полости на эффективность процесса сжатия оказывают влияние услоэкспериментальный стенд в комплекте со специализированным измевия теплообмена между газом и стенками, протечки через щелевые зарительным комплексом для исследования быстропротекающих процесзоры и другие факторы, зависящие от режимных параметров. При масов;

тематическом моделировании рабочего процесса компрессора необхоПолучить на основе экспериментальных данных значения коэфдимо учитывать указанные явления. До настоящего времени теплообфициентов теплоотдачи между газом и стенками РКВнС на различных мен между газом и стенками в математической модели (ММ) РКВнС режимах его работы. Представить полученные значения коэффициенне учитывался ввиду отсутствия данных по теплообмену, что снижает тов теплоотдачи в виде критериальных уравнений с целью возможноточность расчета его характеристик.

сти применения полученных данных при математическом моделироваНа данный момент процесс теплообмена среди машин объемного нии компрессоров со схожим характером протекания рабочего процесдействия достаточно глубоко изучен только в поршневых компрессоса;

рах. Роторным компрессорам в этом направлении уделено недостаточПовысить точность ММ исследуемого РКВнС путем использоно внимания ввиду сложности осуществления измерения температур вания полученных данных по теплообмену в рабочей полости компресгаза и стенок в условиях вращения роторов. Известна диссертационная сора.

работа Шарапова И.И, посвященная экспериментальному определению Научная новизна работы. Предложена уточненная ММ рабочего параметров теплообмена в шестеренчатом компрессоре типа Рутс процесса РКВнС с учетом теплообмена в рабочей полости. Предложен внешнего сжатия (ШКВС). Однако использование полученных в дани реализован более совершенный способ регистрации температуры газа ной работе зависимостей для математического моделирования рабочего в рабочей полости роторного компрессора типа Рутс в процессе его рапроцесса РКВнС является недопустимым ввиду различий в конструкботы по сравнению с методикой, изложенной в работе Шарапова И.И.

ции машин и характере протекания сжатия газа или требует дополниПолучены зависимости для расчета коэффициентов теплоотдачи между тельного обоснования.

газом и стенками РКВнС, которые могут быть применены при матемаПоэтому изучение параметров теплообмена между рабочим телом тическом моделировании рабочих процессов в компрессорах подобной и стенками РКВнС, то есть определение значений коэффициента тепконструкции и схожим характером протекания рабочего процесса.

лоотдачи расчетно-экспериментальным путем, является в настоящее время актуальной задачей. Решение её позволит повысить точность Практическая значимость работы. Предложенная ММ рабочего расчета характеристик компрессора на этапе проектирования. процесса РКВнС с учетом теплообмена в рабочей полости позволяет 3 уменьшить расхождение между расчетными и действительными пока- использованной литературы включает 100 наименований. В зателями проектируемого компрессора, и, таким образом, качественно приложении представлен акт о внедрении результатов увеличить точность расчета характеристик машины. Полученные в без- диссертационной работы.

размерном виде уравнения для определения коэффициента теплоотдачи в РКВнС могут использоваться в ММ рабочих процессов компрессоров

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

с подобной конструкцией.

Во введении излагается назначение и область применения роторРасчетноРеализация работы в промышленности.

ных компрессоров типа Рутс, выделяются преимущества роторных экспериментальная методика определения коэффициента теплоотдачи машин внутреннего сжатия, обосновывается актуальность темы между газом и стенками роторного компрессора внутреннего сжатия и диссертации, раскрывается научная новизна выполненной работы.

расчетная методика учета теплообмена при математическом моделировании рабочего процесса роторного компрессора внутреннего сжатия Первая глава носит обзорно-постановочный характер и состоит внедрены в расчетную практику ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. из трех разделов.

Шнеппа». Первый раздел посвящен описанию особенности образования раобеспечена Достоверность полученных результатов бочих полостей РКВнС. Протекание рабочего процесса во времени свяприменением общепринятых методов исследования характеристик зано с угловой координатой ротора рот 0 360. Рабочий процесс компрессоров объемного принципа действия, основанных на был разделен на следующие стадии:

проведении и обработке результатов экспериментов, а также рения изменяющихся во времени температуры и давления газа, а также температур стенок компрессора достигнута путем использования 2. Период внутреннего сжатия газа ( 171 рот 229 );

аттестованных средств измерения, апробированных методов обработки расчетов обеспечена применением апробированных численных методов и обоснованностью принятых допущений. Во втором разделе произведен обзор работ, связанных с учетом Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на VIII и IX Международных научноРКВнС, который имеет отличный от ШКВС характер рабочего технических конференциях молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин», Казань, 2009 и 2012 гг., Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области Международной научно-технической конференции по компрессорной технике, Казань, 2011г.; ежегодных научных сессиях КНИТУ (КГТУ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано тринадцать работ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из потоков и средства измерения температуры рабочего тела. На основе введения, четырех глав, заключения, списка использованной проведенного обзора применительно к конструкции РКВнС был литературы и приложения. Работа изложена на 188 страницах выбран градиентный метод определения тепловых потоков.

машинописного текста, содержит 71 иллюстрацию и 11 таблиц. Список Температуры газа и теплообменных поверхностей решено измерять при Температура газа замерялась таким же термопарным датчиком 3, помощи термопарных датчиков. расположенным на вращающемся роторе компрессора. На этом же роВ четвертом разделе на основе выполненного анализа научно- торе, для замера давления в полости машины, установлен чувствительтехнической литературы сформулированы цель и основные задачи ный элемент давления (ЧЭД) 4. Температура наружной поверхности Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию авторским свидетельством. Схема компрессора показана на рис.1.

Рабочим телом являлся воздух.

Второй раздел посвящен описанию разработанной методики установки датчика на роторе компрессора. Рабочий спай 3 приварен к измерения температур газа и теплообменных поверхностей корпуса выводящим соответственно хромелевым 4 и копелевым 5 проводам, но Для замера температуры внутренней поверхности стенок от Провода зафиксированы в продольных отверстиях изолятора 2. Выводы патрубка всасывания до патрубка нагнетания установлены от датчика и ЧЭД проложены в проточке, выполненной по оси ротора, термопарные датчики 1 и 2 (рис.1). Диаметр проволоки хромель- и электрически изолированы от него.

копелевых термопар этих датчиков составляет 0,02 мм. Датчик замера температуры внутренней поверхности стенки Рис. 1. Расположение датчиков на корпусе и роторе компрессора В работе использовалась конструкция ЧЭД, которая была апроби- В пятом разделе изложена расчетно-экспериментальная методика рована ранее на кафедре холодильной техники и технологий ФГБОУ определения коэффициентов теплоотдачи, основанная на градиентном Описанная схема установки датчиков позволяет контролировать определялись по разности температур в поперечном сечении поверхновсе стадии рабочего процесса. сти теплообмена. С этой целью вычислялось температурное поле внутВ третьем разделе описаны экспериментальный стенд и ри стенки методом элементарных тепловых балансов (метод Ваничева) метрологическое оборудование. при известном начальном распределении температур в стенке и граЦелями экспериментального исследования были: измерение изме- ничных условиях первого рода. Граничными условиями являлись завиняющихся во времени значений температуры газа и внутренних стенок, симости экспериментальных значений температур внутренней и наа также стационарных температур наружных стенок РКВнС для полу- ружной поверхностей теплообмена от координат статоров.

чения коэффициентов теплоотдачи; определение внешних характери- Для расчета температурного поля внутри стенки корпус РКВнС Экспериментальные исследования проводились на стенде, которых находилась температура в узлах расчетной сетки в последуюсозданном на базе динамометра постоянного тока типа MS 1713-4, ко- щие промежутки времени. Результаты измерений показали, что темпеторый позволяет плавно изменять частоту вращения ротора и измерять ратура по ширине стенки компрессора практически не меняется, покрутящий момент на валу. Всасывание воздуха производилось через этому задача решалась в двумерной постановке.

аэродинамическое сопло, необходимое для замера расхода воздуха.

Давление нагнетания компрессора регулировалось при помощи задвижки на нагнетательной сети.

С целью определения внешних характеристик РКВнС замерялись перепады давления газа в сечениях аэродинамического сопла и на вхоРис. 4. Расчетная схема элементарной площадки стенки цилиндра де в компрессор водяными дифманометрами; давление газа на выходе компрессора образцовым манометром; перепад температуры газа в Определение тепловых потоков Q1...Q4 производилось по уравнекомпрессоре с помощью хромель-копелевых термопар; температуры нию Фурье. Таким образом, после преобразований, из теплового балангаза перед соплом и на нагнетании ртутными термометрами; частота са элементарной площадки определялась температура в любой точке вращения роторов, крутящий момент на валу.

Измерительные сигналы со всех термопарных датчиков, ЧЭД и углового отметчика положения роторов выводились на специализированный измерительный комплекс, предназначенный для где C0, C1, C2, C3, C4 - коэффициенты, зависящие от физических исследования быстропротекающих процессов. свойств стенки, геометрических параметров разбиения и элементарного Комплекс включает в себя сам измерительный прибор и плату ввопромежутка времени для рассматриваемой задачи k 1 k.

да-вывода, с помощью которой прибор подключается к персональному компьютеру. Частота опроса датчиков была установлена 20000 Гц.

Это, например, при частоте вращения роторов n 2900 об / мин сокоэффициента теплоотдачи в момент времени k 1.

ставляет 414 измерений за один оборот ротора.

Четвертый раздел посвящен описанию методики определения испытаний получены зависимости коэффициента подачи км и адиабатного КПД компрессора ад.вн. от режимных параметров.

где q( рот ), t г ( рот ) и t i,0, k 1 ( рот ) - осредненные по рабочей постенке корпуса компрессора, показали, что температура ее при устанолости значения теплового потока, температуры газа и температуры повившемся режиме работы имеет незначительные колебания в пределах верхности внутренней стенки.

Шестой раздел посвящен описанию погрешностей измерений при определении внешних характеристик компрессора, при определении рения температур газа и стенок РКВнС.

Расчет погрешностей показал, что максимальная относительная роторов компрессора на рис.1.

погрешность определения коэффициента теплоотдачи составила 8,6%. Регистрируемая датчиком температура газа 1 по характеру Наличие в специализированном измерительном комплексе цепи изменения не совпадала с изменением давления в рабочей полости.

фильтрации и принятие дополнительных мер по уменьшению шумов на Причинной этого могли служить погрешности методического аппаратном уровне позволили получить сигнал от измерительных дат- характера, обусловленные измерением температуры среды контактным чиков с относительно малым уровнем помех. Несмотря на это, данные, способом, - это погрешности от теплообмена излучением, теплоотвода полученные по каналам измерения, представляли собой смесь низко- по проводам и инерционность датчиков.

частотного информационного сигнала и высокочастотных помех Как показали расчеты, суммарная погрешность измерения темперис.5). ратуры газа от теплоотвода по выводящим проводам, теплообмена излучением составила менее 0,15%. Инерционность датчиков температуры газа зависит от температуры и скорости газа. Величина инерционности оказалась недостаточно малой для решаемой задачи, регистрация Как показал анализ результатов измерения, помеховые составляю- полостей (рис.6), а также зависимости температуры газа в рабочей щие в спектре сигнала находятся преимущественно на частотах в неполости от угловой координаты ротора ( рот ) (рис.7) в различном сочетании частот вращения ротора n и отношения давлений П.

Во втором разделе приводятся графики зависимостей значений приходит в движение вследствие выхлопа (при пережатии газа) и выкоэффициента теплоотдачи, осредненных по объему рабочей полости, тесняется. Это вызывает увеличение значения до некоторого среднеот угла поворота ротора в различном сочетании n и П (рис.8). го значения. Затем, по мере выравнивания давлений в полости нагнетания скорость газа становится близкой к скорости вращения ротора. Ко- го процесса в исследуемом компрессоре, являются следующие зависиэффициент теплоотдачи уменьшается, стремится к некоторой постоян- мости:

ной величине.

Температура и скорость газа, которые оказывают основное влияние на интенсивность теплообмена и определяют величину Членом, учитывающим теплообмен в рабочей полости РКВнС, явбезразмерных комплексов, для каждого из периодов рабочего процесса ляется dQ, который определяется решением уравнения Ньютонаимеют свои уровни значений. Объем рабочей камеры так же является d переменным по ходу рабочего процесса, соответственно будет Рихмана.

изменяться и определяющий характерный размер в числах Re( рот ) и Для оценки влияния теплообмена между сжимаемым газом и Nu( рот ). Таким образом, ввиду сложности получения единого уравнения, достоверно описывающего закономерности теплообмена на Результаты расчетов показали, что теплообмен между газом и протяжении всего рабочего процесса, целесообразно было рассмотреть стенками оказывает существенное влияние на результаты моделировакаждый период рабочего процесса в отдельности и получить уравнения ния только на режимах с достаточно высокой температурой нагнетания Полученные кривые всех рассматриваемых периодов описаны ли- На рис. 9 приведены результаты расчета коэффициента подачи км нейным уравнением и представлены в виде зависимостей в таблице 1.

Таблица Всасывание Nu ( рот ) 0,015 Re( рот ) 434,8 П 669, Нагнетание Nu ( рот ) 0,025 Re( рот ) 819,4 П 1319, В четвертом разделе проведен сравнительный анализ полученных для РКВнС значений с коэффициентами теплоотдачи в ШКВС при одинаковых режимных параметрах. Величины на участке всасывания, физика протекания которого идентична для обеих машин, отличаются незначительно. На участках нагнетания значения коэффициентов теплоотдачи имеют разный характер изменения, но средний уровень для обеих кривых одинаков.

Четвертая глава посвящена описанию ММ рабочих процессов Рис. 9. Влияние учета теплообмена на расчет коэффициента подачи РКВнС. Основными уравнениями, описывающими протекание рабоче- км () и адиабатного КПД ад.вн. () в математической модели РКВнС и адиабатного к.п.д. ад.вн. РКВнС с учетом теплообмена в рабочей попо теплообмену. В результате расхождение экспериментальных и раслости, а также без учета теплообмена при частоте вращения роторов П 1,4 1,8. Расчет без учета теплообмена на данной n дает максимальное расхождение между экспериментальными и расчетными значенияОсновное содержание работы

отражено в следующих публикациях:

ми км порядка 8%. Максимальное расхождение для ад.вн. составляет 1. Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодля режима с П 1,8. Расчет показателей компрессора с использо- дических изданий ВАК РФ:

ванием полученных в данном исследовании уравнений для коэффициента теплоотдачи в рабочей полости дает хорошую сходимость расчет- И.Г. Методика индицирования теплового состояния стенок цилиндра и ных и экспериментальных значений км и ад.вн..

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан способ измерения температуры газа в рабочей покамере роторного компрессора внутреннего сжатия / А.Г.

лости РКВнС в процессе его работы. Таким образом, усовершенствоваСайфетдинов, А.Ю. Кирсанов, М.С. Хамидуллин, И.Г. Хисамеев // на расчетно-экспериментальная методика определения коэффициента теплоотдачи от газа к стенкам роторных машин типа Рутс;

2. Разработан экспериментальный стенд для определения внешних тур газа в рабочей полости и теплообменных поверхностей при помощи изготовленных малоинерционных термопарных датчиков. Проведено 3. Получены расчетные значения осредненных по рабочей камере коэффициентов теплоотдачи между газом и стенками РКВнС, величиСайфетдинов А.Г., Хамидуллин М.С., Хисамеев И.Г. Определены которых в диапазоне режимных параметров исследования ( П 1,4 1,8 и n 2000 3500об / мин ) составляют: в период всасывания 140 450 Вт /( м 2 К ) ; в период сжатия 130 380 Вт /( м 2 К ) ; в период на- Казан. технол. ун-та. – 2012. – Т.15, №14. – С. 100-102.

гнетания 130 1500 Вт /( м2 K ). Увеличение отношения давлений в ком- 6. Патент на полезную модель №112763 (РФ). Устройство для определения температуры газа в рабочей полости роторной машины. / прессоре и частоты вращения роторов вызывает рост коэффициента теА.М. Ибраев, А.Г. Сайфетдинов, М.С. Хамидуллин, И.Г. Хисамеев, плоотдачи на всех участках рабочего процесса;

4. Сравнительный анализ показал, что величины коэффициентов теплоотдачи в РКВнС хорошо согласуются с данными для ШКВС тольПубликации в других изданиях:

ко в период всасывания при одинаковых режимах их работы;

виде критериальных уравнений для вычисления коэффициента теплостенками в двухроторной машине // Вторая Российская студенческая отдачи в рабочей полости для каждого участка рабочего процесса на различных режимах работы;

2. Сайфетдинов А.Г., Шарапов И.И., Ибраев А.М., Визгалов С.В.

Исследование теплообмена в шестеренчатом компрессоре с внешним сжатием // Материалы межвузовской научн.- практ. конфер. студентов и аспирантов, посвященной 40-летию города Нижнекамска «Актуальные проблемы образования, науки и производства». Изд-во: Инновационно- издательский дом «Бутлеровское наследие». – Казань, 2006.С.126-128.

3. Сайфетдинов А.Г., Кирсанов А.В., Хамидуллин М.С., Хисамеев И.Г. Методика снятия мгновенных значений температур стенок и газа в воздушном роторном компрессоре внутреннего сжатия // Проектирование и исследование компрессорных машин: Сб. науч. трудов под ред.

докт. техн. наук, проф., чл.-корр. АН РТ И.Г. Хисамеева, вып.6 / ЗАО «НИИтурбокомпрессор им.В.Б.Шнеппа», Казань, 2009. – С. 240-248.

4. Сайфетдинов А.Г., Хамидуллин М.С., Хисамеев И.Г. Методика снятия мгновенных значений температур стенок и газа в воздушном роторном компрессоре внутреннего сжатия // Тезисы докладов VIII Международной научн.-техн. конфер. молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин». – Казань: Изд-во «Слово», 2009. – С. 49-51.

5. Сайфетдинов А.Г., Шитиков Н.И. Методика экспериментального исследования рабочих процессов в роторном компрессоре внутреннего сжатия // Тез. докл. Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур». – Москва, 2010. – С. 30-32.

6. Сайфетдинов А.Г., Хамидуллин М.С., Хисамеев И.Г., Шитиков Н.И. Исследование теплообмена между стенками цилиндра и газом рабочей полости в роторном компрессоре внутреннего сжатия // Труды XV Международной научн.-техн. конфер. по компрессорной технике.

Том I / ЗАО «НИИтурбокомпрессор им.В.Б.Шнеппа». – Казань: Изд-во «Слово», 2011. – С. 149-156.

7. Сайфетдинов А.Г., Хамидуллин М.С., Хисамеев И.Г. Исследование теплообмена между стенками и газом рабочей полости в роторном компрессоре внутреннего сжатия // Тез. докл. IX Международной научн.-техн. конфер. молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин». - Казань:

Изд-во «Слово», 2012. – С. 58-60.