Применение роторно-поршневого компрессора в пневматических системах транспортных средств
|
ВВЕДЕНИЕ 6
1. Аналитический обзор и перевод с английского языка иностранных источников на тему эффективность компрессоров различных типов и строений 9
1.1 Обзор и перевод статьи «Numerical analysis of gas leakage in the piston cylinder clearance of reciprocating compressors considering compressibility effects / Численный анализ утечки газа в зазоре поршневого цилиндра поршневых
компрессоров с учетом эффектов сжимаемости» 9
1.1.1 Ведение 9
1.1.2 Численная модель и процедура решения 11
1.1.3 Результаты и обсуждение 14
1.1.4 Выводы 21
1.2 Обзор и перевод статьи «A miniature Rotary Compressor with a 1:10
compression ratio / Миниатюрный роторный компрессор с коэффициентом сжатия 1:10» 22
1.2.1 Необходимость разработки очень маленького роторного
компрессора с высокой степенью сжатия 22
1.2.2 Проектирование «нано» конического роторного компрессора 25
1.2.2.1 Результаты дизайн-проекта 25
1.2.3 Работа конического роторного компрессора 27
1.2.4 Термодинамическая модель 32
1.2.5 Следующие шаги: разработка набора для нано-крио-охлаждения.33
1.2.6 Следующие шаги: разработка набора для нано-крио-охлаждения.35
1.3 Обзор и перевод статьи «A new Wankel-type compressor and vacuum pump/ Новый компрессор и вакуумный насос Ванкеля» 35
1.3.1 Введение 35
1.3.2 Концепции 36
1.3.2.1 Новая концепция 36
1.3.3 Замечание о фундаментальном качестве уплотнения Ванкеля 38
1.3.4 Обсуждение основных конструктивных характеристик 38
1.3.4.1 Минимальный объем камеры сгорания 38
1.3.5 Качество газонепроницаемости 39
1.3.5.1 Утечка через радиальный зазор между боковой поверхностью
ротора и отверстием корпуса 39
1.3.5.2 Утечка через осевой зазор между сторонами ротора и боковыми
пластинами 40
1.3.6 Утечка через верхушки уплотнений 41
1.3.7 Механические потери на трение 41
1.3.8 Объемная эффективность (VE) 42
1.3.9 Незначительные особенности дизайна 43
1.3.9.1 Основное нововведение ротора 43
1.3.10 Изготовление зубчатых колес 44
1.3.11 Выходные односторонние клапаны требуются в GW в отличие от
SV, винтовых и спиральных типов 44
1.3.12 Стоимость производства 45
1.3.13 «Бесплатное» добавление к рабочему объему 45
1.3.14 Работа с частичной нагрузкой 46
1.3.15 Применение GW в качестве вакуумного насоса 46
1.3.16 Некоторые сравнения GW с существующими компрессорами....48
1.3.16.1 CV (или «мертвый объем») 48
1.3.17 Газовое уплотнение 48
1.3.18 Механические потери на трение 48
1.3.19 Тестирование 49
1.3.20 Выводы 49
2. Влияние утечки и трения на миниатюризацию компрессора Ванкеля 51
2.1 Структура компрессора Ванкеля 51
2.2 Механическая оптимизация 53
2.3 Оптимизация для снижения трения в компрессоре Ванкеля 55
2.4 Термодинамический анализ мезо компрессора Ванкеля 56
2.4.1 Утечка компрессора Ванкеля 57
2.4.2 Анализ процесса сжатия 58
2.5 Расчетный предел мезо компрессора Ванкеля 63
2.6 Выводы 65
3. Анализ уплотнительной системы роторно-поршневого компрессора 68
3.1 Роторно-поршневой насос 68
3.1.1 Общая информация о роторно-поршневых компрессорах 68
3.1.2 Структура Р1П1 68
3.2 Рабочая характеристика 69
3.3 Уплотнительная система 72
3.3.1 Уплотнительная конструкция 72
3.3.2 Осевое уплотнение 73
3.3.3 Радиальное уплотнение 76
3.4 Выводы 76
4 Оценка производительности и анализ расхода двухцилиндрового насоса с
треугольным ротором на основе эксперимента и численного моделирования 77
4.1 Структура роторно-поршневого компрессора 77
4.2 Принципы новой РПК 79
4.3 Математическая модель цилиндра и ротора 80
4.4 Уплотнительная система 81
4.5 Численное моделирование AB-1.25D 85
4.5.1 Численный метод 85
4.6 Анализ гидродинамического поля 87
4.6.1 Анализ структуры поля потока 87
4.6.2 Распределение и изменение поля давления 89
4.7 Результаты численного моделирования и анализ 92
4.8 Сравнение производительности 93
4.9 Выводы 93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 96
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 97
1. Аналитический обзор и перевод с английского языка иностранных источников на тему эффективность компрессоров различных типов и строений 9
1.1 Обзор и перевод статьи «Numerical analysis of gas leakage in the piston cylinder clearance of reciprocating compressors considering compressibility effects / Численный анализ утечки газа в зазоре поршневого цилиндра поршневых
компрессоров с учетом эффектов сжимаемости» 9
1.1.1 Ведение 9
1.1.2 Численная модель и процедура решения 11
1.1.3 Результаты и обсуждение 14
1.1.4 Выводы 21
1.2 Обзор и перевод статьи «A miniature Rotary Compressor with a 1:10
compression ratio / Миниатюрный роторный компрессор с коэффициентом сжатия 1:10» 22
1.2.1 Необходимость разработки очень маленького роторного
компрессора с высокой степенью сжатия 22
1.2.2 Проектирование «нано» конического роторного компрессора 25
1.2.2.1 Результаты дизайн-проекта 25
1.2.3 Работа конического роторного компрессора 27
1.2.4 Термодинамическая модель 32
1.2.5 Следующие шаги: разработка набора для нано-крио-охлаждения.33
1.2.6 Следующие шаги: разработка набора для нано-крио-охлаждения.35
1.3 Обзор и перевод статьи «A new Wankel-type compressor and vacuum pump/ Новый компрессор и вакуумный насос Ванкеля» 35
1.3.1 Введение 35
1.3.2 Концепции 36
1.3.2.1 Новая концепция 36
1.3.3 Замечание о фундаментальном качестве уплотнения Ванкеля 38
1.3.4 Обсуждение основных конструктивных характеристик 38
1.3.4.1 Минимальный объем камеры сгорания 38
1.3.5 Качество газонепроницаемости 39
1.3.5.1 Утечка через радиальный зазор между боковой поверхностью
ротора и отверстием корпуса 39
1.3.5.2 Утечка через осевой зазор между сторонами ротора и боковыми
пластинами 40
1.3.6 Утечка через верхушки уплотнений 41
1.3.7 Механические потери на трение 41
1.3.8 Объемная эффективность (VE) 42
1.3.9 Незначительные особенности дизайна 43
1.3.9.1 Основное нововведение ротора 43
1.3.10 Изготовление зубчатых колес 44
1.3.11 Выходные односторонние клапаны требуются в GW в отличие от
SV, винтовых и спиральных типов 44
1.3.12 Стоимость производства 45
1.3.13 «Бесплатное» добавление к рабочему объему 45
1.3.14 Работа с частичной нагрузкой 46
1.3.15 Применение GW в качестве вакуумного насоса 46
1.3.16 Некоторые сравнения GW с существующими компрессорами....48
1.3.16.1 CV (или «мертвый объем») 48
1.3.17 Газовое уплотнение 48
1.3.18 Механические потери на трение 48
1.3.19 Тестирование 49
1.3.20 Выводы 49
2. Влияние утечки и трения на миниатюризацию компрессора Ванкеля 51
2.1 Структура компрессора Ванкеля 51
2.2 Механическая оптимизация 53
2.3 Оптимизация для снижения трения в компрессоре Ванкеля 55
2.4 Термодинамический анализ мезо компрессора Ванкеля 56
2.4.1 Утечка компрессора Ванкеля 57
2.4.2 Анализ процесса сжатия 58
2.5 Расчетный предел мезо компрессора Ванкеля 63
2.6 Выводы 65
3. Анализ уплотнительной системы роторно-поршневого компрессора 68
3.1 Роторно-поршневой насос 68
3.1.1 Общая информация о роторно-поршневых компрессорах 68
3.1.2 Структура Р1П1 68
3.2 Рабочая характеристика 69
3.3 Уплотнительная система 72
3.3.1 Уплотнительная конструкция 72
3.3.2 Осевое уплотнение 73
3.3.3 Радиальное уплотнение 76
3.4 Выводы 76
4 Оценка производительности и анализ расхода двухцилиндрового насоса с
треугольным ротором на основе эксперимента и численного моделирования 77
4.1 Структура роторно-поршневого компрессора 77
4.2 Принципы новой РПК 79
4.3 Математическая модель цилиндра и ротора 80
4.4 Уплотнительная система 81
4.5 Численное моделирование AB-1.25D 85
4.5.1 Численный метод 85
4.6 Анализ гидродинамического поля 87
4.6.1 Анализ структуры поля потока 87
4.6.2 Распределение и изменение поля давления 89
4.7 Результаты численного моделирования и анализ 92
4.8 Сравнение производительности 93
4.9 Выводы 93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 96
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 97
Рост производительности при перевозках грузов и пассажиров автомобильным транспортом в настоящее время обеспечивается преимущественно увеличением полной массы транспортной единицы с одновременным повышением скорости движения в транспортном потоке. Увеличение интенсивности и скорости движения предъявляет все более жесткие требования к обеспечению активной и пассивной безопасности, а также, к более четкой организации управления транспортным потоком.
Повышение активной безопасности сопровождается интенсивным усложнением конструкции тормозных систем, что влечет за собой существенное увеличение затрат на их производство, эксплуатацию и ремонт.
В связи с ростом сложности и стоимости тормозных систем становится весьма актуальным вопрос рационального выбора типа тормозного привода, его конструкции и параметров, обеспечивающих соответствие современным требованиям активной безопасности при минимальных издержках на производство, эксплуатацию и ремонт.
На сегодняшний момент поршневые компрессоры нашли широкое применение в автомобильном транспорте в качестве источника питания пневмосистем, составной частью которых являются усилители привода сцепления и тормозные механизмы.
Однако, существующие типы компрессоров имеют в основном кривошипно-шатунный привод, который создает колебания и вибрации в связи с большими трудностями его полного уравновешивания, также такая конструкция компрессора является довольно громоздкой и имеет большое количество деталей, что сказывается на КПД компрессора. В связи с этим актуальна задача рассмотрения применения компрессора иного типа.
Целью работы является доказать эффективность применения роторно-поршневого компрессора в пневматической тормозной системе.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
1. Проанализировать существующие виды компрессоров;
2. Провести расчет эффективности роторно-поршневого компрессора;
3. Рассмотреть слабые места роторно-поршневого компрессора;
4. Провести расчеты, доказывающие эффективность роторно-поршневого компрессора.
Объект исследования: Роторно-поршневой компрессор.
Предмет исследования: внедрение и применение компрессора нового типа.
Методы исследования: Метод статистической обработки информации, экспериментальный метод исследования.
В данной работе проведено исследование гипотезы, что для улучшения эффективности пневматической тормозной системы автомобиля, возможно применение роторно-поршневого компрессора вместо поршневого. Это позволит снизить массу, уровень шума и вибрационные нагрузки. Так же улучшит работу системы.
Научная новизна исследования
Разработана математическая модель роторно-поршневого компрессора, позволяющая оценить эффективность данного типа компрессора, по сравнению с компрессорами других типов. В отличии от известных подходов модернизации поршневых компрессоров, в данной работе предложен вариант полной замены компрессора. Это позволило достигнуть более высокой эффективности, снижения уровня шума и вибрационных нагрузок.
Научно-практическая значимость данной работы проявляется в доказательстве эффективности применения компрессора роторного типа в пневматической тормозной системе автомобилей.
На защиту выносятся:
1. Для повышения эффективности пневматической системы тормозов, следует рассмотреть замену поршневого компрессора на роторно-поршневой. С помощью математического расчета можно доказать большую эффективность роторно-поршневого компрессора;
2. Вывод по проведенному анализу уплотнительной системы роторно-поршневого компрессора;
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных на семинарах кафедры «Энергетические машины и системы управления» и на конференциях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 печатных работы в сборнике научно-практической конференции «Студенческие Дни науки в ТГУ».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 35 наименований. Работа изложена на 99 страницах машинописного текста, иллюстрированного 11 таблицами и 43 рисунками
Повышение активной безопасности сопровождается интенсивным усложнением конструкции тормозных систем, что влечет за собой существенное увеличение затрат на их производство, эксплуатацию и ремонт.
В связи с ростом сложности и стоимости тормозных систем становится весьма актуальным вопрос рационального выбора типа тормозного привода, его конструкции и параметров, обеспечивающих соответствие современным требованиям активной безопасности при минимальных издержках на производство, эксплуатацию и ремонт.
На сегодняшний момент поршневые компрессоры нашли широкое применение в автомобильном транспорте в качестве источника питания пневмосистем, составной частью которых являются усилители привода сцепления и тормозные механизмы.
Однако, существующие типы компрессоров имеют в основном кривошипно-шатунный привод, который создает колебания и вибрации в связи с большими трудностями его полного уравновешивания, также такая конструкция компрессора является довольно громоздкой и имеет большое количество деталей, что сказывается на КПД компрессора. В связи с этим актуальна задача рассмотрения применения компрессора иного типа.
Целью работы является доказать эффективность применения роторно-поршневого компрессора в пневматической тормозной системе.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
1. Проанализировать существующие виды компрессоров;
2. Провести расчет эффективности роторно-поршневого компрессора;
3. Рассмотреть слабые места роторно-поршневого компрессора;
4. Провести расчеты, доказывающие эффективность роторно-поршневого компрессора.
Объект исследования: Роторно-поршневой компрессор.
Предмет исследования: внедрение и применение компрессора нового типа.
Методы исследования: Метод статистической обработки информации, экспериментальный метод исследования.
В данной работе проведено исследование гипотезы, что для улучшения эффективности пневматической тормозной системы автомобиля, возможно применение роторно-поршневого компрессора вместо поршневого. Это позволит снизить массу, уровень шума и вибрационные нагрузки. Так же улучшит работу системы.
Научная новизна исследования
Разработана математическая модель роторно-поршневого компрессора, позволяющая оценить эффективность данного типа компрессора, по сравнению с компрессорами других типов. В отличии от известных подходов модернизации поршневых компрессоров, в данной работе предложен вариант полной замены компрессора. Это позволило достигнуть более высокой эффективности, снижения уровня шума и вибрационных нагрузок.
Научно-практическая значимость данной работы проявляется в доказательстве эффективности применения компрессора роторного типа в пневматической тормозной системе автомобилей.
На защиту выносятся:
1. Для повышения эффективности пневматической системы тормозов, следует рассмотреть замену поршневого компрессора на роторно-поршневой. С помощью математического расчета можно доказать большую эффективность роторно-поршневого компрессора;
2. Вывод по проведенному анализу уплотнительной системы роторно-поршневого компрессора;
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных на семинарах кафедры «Энергетические машины и системы управления» и на конференциях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 печатных работы в сборнике научно-практической конференции «Студенческие Дни науки в ТГУ».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 35 наименований. Работа изложена на 99 страницах машинописного текста, иллюстрированного 11 таблицами и 43 рисунками
В данной выпускной квалификационной работе была затронута актуальная проблема повышения эффективности тормозной системы автомобилей. Было собрано большое количество материалов как отечественных, так и зарубежных авторов. Проведенные анализы и собранная информация помогли разобраться в устройстве и принципе работы компрессоров различных типов. В этой работе была разработана упрощенная модель двухцилиндрового роторно-поршневого компрессора. Были представлены его механическая структура, принципы работы и математическая модель ключевой структуры.
Из численного расчета Fluent были оценены внутренняя линия потока насоса, вектор скорости и распределение давления. Были сделаны следующие выводы:
1. Для выходного размера a (b) и n, равного 190 (160) об/мин, q, Ap, T и P достигли максимумов одновременно, при 8,83 (7,34) м3/ч, 1,97 (2,31) МПа, 265,71 (303,92) Н-м и 5,2 (5,1) кВт соответственно.
2. При увеличении n испытательного насоса п медленно уменьшался, па и Рь> 64,2% и 61,4% соответственно. Максимальные значения рм для разных размеров выходов были одинаковыми: 86,2% и 85,9% для pMaи pMb соответственно, а затем они снижаются до 73% и 71,9%. При том же n, pVb> pVa, 96.8% и 95.5%, и pVмало менялись с n с увеличением n, pHaи pHbплавно колебались, со средними значениями 90,8% и 88,4% соответственно.
3. В камерах появилось четыре вихря для разных рабочих процессов и областей. Давление в камерах сначала увеличивалось, а затем уменьшалось, и максимум давления возникал в начале стабильного состояния полного сжатия.
4. Роторно-поршневой компрессор демонстрирует превосходную производительность по сравнению с существующими насосами и может применяться в пневматических системах для нагнетания сжатого воздуха.
Из численного расчета Fluent были оценены внутренняя линия потока насоса, вектор скорости и распределение давления. Были сделаны следующие выводы:
1. Для выходного размера a (b) и n, равного 190 (160) об/мин, q, Ap, T и P достигли максимумов одновременно, при 8,83 (7,34) м3/ч, 1,97 (2,31) МПа, 265,71 (303,92) Н-м и 5,2 (5,1) кВт соответственно.
2. При увеличении n испытательного насоса п медленно уменьшался, па и Рь> 64,2% и 61,4% соответственно. Максимальные значения рм для разных размеров выходов были одинаковыми: 86,2% и 85,9% для pMaи pMb соответственно, а затем они снижаются до 73% и 71,9%. При том же n, pVb> pVa, 96.8% и 95.5%, и pVмало менялись с n с увеличением n, pHaи pHbплавно колебались, со средними значениями 90,8% и 88,4% соответственно.
3. В камерах появилось четыре вихря для разных рабочих процессов и областей. Давление в камерах сначала увеличивалось, а затем уменьшалось, и максимум давления возникал в начале стабильного состояния полного сжатия.
4. Роторно-поршневой компрессор демонстрирует превосходную производительность по сравнению с существующими насосами и может применяться в пневматических системах для нагнетания сжатого воздуха.