Способ определения силы газового потока в клапанах поршневых компрессоров

Способ определения силы газового потока в клапанах поршневых компрессоров

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области экспериментальной газодинамики, а также к способам определения силы давления газа на пластину клапана при течении газа через проточную часть клапана и может быть использовано при исследовании рабочего процесса в машинах объемного действия, в частности в поршневых компрессорах и их систем газораспределения.

Известные компрессоры осуществляют повышение давления газа или пара и могут быть разделены на три группы по способу их действия, т.е. по тому, каким образом энергия передается газу, и по тому, какие физические явления используются для повышения давления газа:

1. объемные компрессоры;

2. динамические компрессоры;

3. тепловые компрессоры.

Объемные компрессоры повышают давление газа путем уменьшения замкнутого объема (камеры), содержащего определенное количество газа. Процесс сжатия в объемных компрессорах происходит периодически. Необходимо, чтобы рабочая полость объемного компрессора периодически то увеличивалась, то уменьшалась. Во время увеличения объема рабочей полости газ заполняет последнюю, входя в нее. Во время уменьшения этого объема газ сжимается, его давление повышается, и затем в сжатом виде газ выталкивается из рабочей полости.

Наиболее типичным представителем объемных компрессоров является поршневой. Поршневым компрессором называется компрессор объемного действия, в котором изменение объема рабочей полости осуществляется поршнем, совершающим прямолинейное возвратно-поступательное движение.

Сжатие газа может осуществляться поршнями в цилиндрах простого действия, имеющих одну рабочую полость, или в цилиндрах двойного действия с двумя рабочими полостями. В соответствии с количеством рабочих полостей компрессоры делят на компрессоры простого действия и компрессоры двойного действия.

Органами распределения поршневых компрессоров называют узлы или элементы, которые периодически открываются и закрываются, сообщая и разделяя рабочую полость цилиндра и полости и нагнетательного патрубков.

Наиболее широкое применение в качестве органов распределения нашли самодействующие клапаны, в которых клапанная плита (седло) разделяет две полости с различными давлениями. В плите выполнено отверстие, которое перекрывается запорным элементом - клапанной пластиной. Запорный элемент представляет собой тонкую стальную пластину, которая может подниматься и открывать отверстие, сообщая две полости. На пластину действуют с одной стороны давление одной величины, с другой - давление другой величины и сила упругости пружины. Подъем пластины лимитируется ограничителем подъема.

Известен способ для определения силы газового потока на исследуемый объект путем статических продувок этого объекта в аэродинамической трубе [Краснов Н.Ф. Прикладная аэродинамика. - М., 1974. - c.18.].

Способ заключается в том, что исследуемый объект (например, модель летательного аппарата) закрепляют при помощи специальных державок на чувствительных элементах измерительного прибора (например, весов) и помещают в проточную часть аэродинамической трубы; при течении газа через проточную часть аэродинамической трубы измеряют полную аэродинамическую силу, действующую со стороны газового потока на исследуемый объект и являющуюся результатом воздействия на обтекаемую поверхность объекта трения и давления одновременно.

Для определения силы газового потока, действующей на пластину клапана, этот способ непригоден, так как на процесс воздействия газового потока на пластину влияют конструктивные параметры других деталей клапана, а также взаимное расположение пластины по отношению к этим деталям. Таким образом, продувка в аэродинамической трубе отдельно взятой пластины не будет соответствовать условиям ее функционирования в проточной части клапана. Кроме того, установившийся режим обтекания газовым потоком исследуемого объекта в аэродинамической трубе не соответствует нестационарному характеру течения газа в клапане при работе, например, поршневого компрессора или любой другой машины объемного действия.

Известен способ определения силы газового потока, действующей на пластину клапана, путем статических продувок проточной части клапана [Френкель М.И. Поршневые компрессоры. - М.-Л., 1980. - с.240.].

Способ заключается в том, что клапан устанавливают в продувочной камере с весами, а через проточную часть клапана направляется стационарный газовый поток; при этом давление газового потока на пластину, установленную в клапане без пружин, уравновешивается гиревой нагрузкой; причем одновременно с силой газового потока, действующей на пластину, измеряют высоту подъема пластины в клапане и давление газа перед клапаном и за ним.

Задачей изобретения является определение силы газового потока, действующей на пластину самодействующего клапана объемного компрессора, при его течении через клапан в условиях подвижности пластины и изменяющихся давлений на входе и выходе клапана.

Данный технический результат достигается тем, что в герметичной рабочей камере размещают поршень двойного действия таким образом, что образуются две рабочие полости, сообщающиеся между собой через установленный на поршне самодействующий клапан; при возвратно-поступательном движении поршня одновременно измеряют мгновенные значения положения поршня Н и высоты подъема пластины в клапане h, а силу газового потока Р_Г, действующую на пластину клапана, определяют по формуле:

где m - масса пластины, кг;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

Δτ=1/(N·v),

где N≥360 - число измерений за цикл;

v - частота рабочего цикла;

Х_i, X_i-1, X_i+1 - координата пластины в начале i-го, (i-1)-го и (i+1)-го шага,

причем X_i=H_i+h_i, X_i-1=H_i-1+h_i-1, X_i+1=H_i+1+h_i+1,

где H_i, h_i-1, Н_i+1 - положение поршня в начале i-го, (i-1)-го и (i+1)-го шага мм,

h_i, h_i-1, h_i+1 - высота подъема пластины в начале i-го, (i-1)-го и (i+1)-го шага мм,

Предложенный способ определения мгновенной силы газового потока, действующей на пластину клапана, может быть осуществлен устройством, схема которого представлена на чертеже. Устройство содержит: движущийся возвратно-поступательно поршень двойного действия 2, размещенный в рабочей камере 1 и разделяющий ее на две рабочие полости 3 и 4, которые сообщаются между собой через самодействующие клапаны 5, установленные на поршне 2, и у которых отсутствуют упругие элементы (пружины); сальник 6 - для поддержания герметичности рабочей камеры 1; датчик перемещения пластины 7 и датчик положения поршня 8; усилитель 9 - для усиления аналоговых сигналов датчиков; аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10 - для преобразования сигнала в цифровой; ЭВМ 11 - для обработки цифрового сигнала, полученного с АЦП 10.

Сам способ реализуют следующим образом. При запуске описанного выше устройства поршень 2 совершает возвратно-поступательное движение в рабочей камере 1 и изменяет геометрические объемы полостей 3 и 4; при этом газ перетекает между полостями 3 и 4 через один из клапанов 5, через какой из клапанов - зависит от текущего процесса в камере - нагнетание или всасывание. Одновременно измеряют положение пластины в этом клапане с помощью датчика 7 и положение поршня 2 с помощью датчика 8. Сигналы с датчиков 7 и 8 непрерывно поступают на вход усилителя 9, где происходит амплитудное усиление сигнала для последующей обработки, и далее на АЦП 10, откуда преобразованный сигнал в цифровом виде поступает в ЭВМ 11. В ЭВМ полученные данные запоминаются в виде массивов двоичных чисел, причем следующее значение массива записывается через определенный интервал времени Δτ=1/(N·v), где N≥360 - число измерений за полный цикл, например, за один оборот приводного вала машины объемного действия; v - частота цикла, например, частота вращения приводного вала машины объемного действия. Далее этот массив двоичных чисел приводят к десятичному виду, переводят полученное значение в необходимые единицы измерения в соответствии с уравнениями преобразования датчиков и рассчитывают силу газового потока, действующую на пластину клапана, по формуле (1).

Применение формулы (1) можно обосновать следующим образом. Известно уравнение динамики пластины самодействующих клапанов [Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. - М., 2000. - с.18]:

где m - масса пластины, кг;

а - ускорение пластины, м/с²;

Р_ПР - сила упругости пружин, Н;

Р_ТР - сила трения пластины о газ, Н;

Р_Д - сила давления газа на пластину, Н;

G=m·g - вес пластины, Н.

Рассматривая силу газового потока Р_Г как Р_Г=Р_ТР+Р_Д, то есть как силу, учитывающую воздействие на пластину трения и давления со стороны газового потока, а также учитывая отсутствие в клапане упругого элемента (Р_ПР=0), величину силы газового потока Р_Г, действующую на пластину, можно представить в следующем виде:

Известно, что для малых промежутков времени Δτ допустимо рассматривать неравномерное движение тела в пределах каждого промежутка времени Δτ как равноускоренное или равнозамедленное; в этом случае справедливы следующие соотношения [Яблонский Л.А., Никифорова В.М. Курс теоретической механики. - СПб.: Лань, 2001. - с.148, 157]:

где v - скорость тела,

х - координата этого тела,

Δτ - промежуток времени.

Для нашего случая, выбирая из массива чисел данные для i-го, (i-1)-го и (i+1)-го шагов измерения, можно записать

Δv=v₁-v_i-1;

X_i=Н_i+h_i;

X_i-1=H_i-1+h_i-1,

X_i+1=H_i+1+h_i+1,

Тогда

и .

Откуда и получается расчетная формула (1):

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить мгновенную силу газового потока, действующую на пластину клапана через малые промежутки времени при его течении через клапан в условиях подвижности пластины и изменяющихся давлений на входе и выходе клапана.

Способ определения силы газового потока, действующей на пластину самодействующего клапана объемного компрессора, путем продувки газа через проточную часть клапана, состоящий в том, что в герметичной рабочей камере размещают поршень двойного действия таким образом, что образуются две рабочие полости, сообщающиеся между собой через установленный на поршне самодействующий клапан; при возвратно-поступательном движении поршня одновременно измеряют мгновенные значения положения поршня Н и высоты подъема пластины в клапане h, a силу газового потока Р_Г, действующую на пластину клапана, определяют по формуле

где m - масса пластины, кг;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

Δτ=1/(N·v),

где N≥360 - число измерений за цикл;

v - частота рабочего цикла;

X_i, X_i-1, X_i+1 - координата пластины в начале i-го, (i-1)-го и (i+1)-го шага,

причем X_i=H_i+h_i, X_i-1=H_i-1+h_i-1, X_i+1=H_i+1+h_i+1,

где H_i, H_i-1, H_i+1 - положение поршня в начале i-го, (i-1)-го и (i+1)-го шага, мм;

h_i, h_i-1, h_i+1 - высота подъема пластины в начале i-го, (i-1)-го и (i+1)-го шага, мм.