НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 621.514.52

Современное развитие информационных технологий привело к появлению ряда программных и аппаратных приложений, позволяющих существенно упростить процесс конструирования и исследования вновь создаваемых машин. С помощью систем САПР стало возможно создавать самые сложные модели и определять их технические характеристики с минимальными затратами времени.

Относительно новым направлением сжатия различных газов является применение вихревых и винто-вихревых машин, ранее затрудненное сложностью проточной части и большими трудозатратами на её исполнение. Но ряд преимуществ, таких как:

·        непрерывность подачи газа

·        высокий коэффициент напора при малых расходах

·        нечувствительность к помпажным режимам

·        устойчивая работа во всём диапазоне изменения характеристик

·        хорошая уравновешиваемость

·        сухая проточная часть

·        отсутствие трущихся элементов и др.

не позволили отказаться от исследования машин данного типа.

         Главным и самым сложным, с технологической точки зрения, элементом винто-вихревого нагнетателя является ротор, представляющий собой цилиндр с проточкой сложной формы, выполненной по винтовой линии на всей длине ротора. В винтовом канале равномерно по окружности расположены лопатки, установленные наклонно к радиусу ротора.

         При вращение ротора, установленного с зазором в статор (корпус) нагнетателя возникает пространственный поток газа, представляющий собой  сложное движение. Газ движется в трех направлениях: в осевом и радиальном по винтовому каналу, в направление канала, а также вихревом – в межлопаточном пространстве. Из-за сложности потока, его параметры (скорость, давление, температура) в каждой точке канала имеют различные значения, которые определить расчётными методами очень сложно.

В общем случае повышение давления происходит под действием центробежных сил и изменения скорости газа потока в межлопаточном пространстве. Частицы газа движутся по линиям тока – спиралям. Таким образом, газ многократно взаимодействует с лопатками рабочего колеса и давление газа непрерывно возрастает по всей длине ротора от всасывающего к нагнетательному патрубкам.

Теоретический расчёт течения и параметров потока винто-вихревых машин является достаточно сложным и неточным даже для самых мощным математических пакетов. Это обусловлено следующими факторами:

·        сложный пространственный поток

·        сложная структура потерь в проточной части

·        большое количество допущений.

В этой связи сотрудниками кафедры «Вакуумная и компрессорная техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана была предложена методика исследования новых проточных частей с помощью исполнения 3D моделей, изготовления их на 3D принтере и дальнейшего расчёта нагнетателя по формулам подобия.

Построение 3D модели проточной части является несложной задачей при владение основными приемами моделирования.

На примере построения ротора в системе САПР КОМПАС-3DV12 будут показаны основные приемы, примененные для создания модели.

Основными параметрами ротора являются:

·        внешний диаметр, примем значение равное 100 мм;

·        диаметр рабочего канала, определяется с помощью коэффициента относительного диаметра, равного отношению диаметра канала к диаметру ротора. Многочисленные эксперименты с подобными проточными частями позволили определить оптимальное значение относительного диаметра с точки зрения эффективности КПД. Данное значение равное 0,12 (т.е. диаметр канала будет равен 12 мм);

·        количество витков винтовой линии, является исследуемым параметром, и основной задачей является определение характера (линейно либо по определенному закону) влияния на степень повышения давления нагнетателя. Примем количество витков равным двум.

·        угол наклона винтовой линии по отношению к оси ротора. Данное значение является объектом исследования, поскольку может оказывать различное влияние на давление нагнетания. В случае маленького значения винтовая линия будет вытянута и газ не будет заходить достаточное количество раз на лопатки, в случае большого значения, гидравлическое сопротивление канала увеличится. Оба эти фактора негативно скажутся на давление нагнетания. С точки зрения энергоэффективности наилучшим значением является угол в 10⁰, что подтвердили многочисленные исследования;

·        количество винтовых линий на теле ротора. Они определяют заходность потока и как следствие производительность нагнетателя. Принимаем значение равное двум.

·        угол установки лопатки, также является исследуемым параметром из-за различного воздействия на поток. Угол в 55⁰ является оптимальным с точки зрения КПД.

·        толщина лопатки и их количество, определяются конструктивно; лопатка недолжна загромождать канал.

Последовательность выполнения построений:

1.     Предварительные расчёты.

Перед построением ротора необходимо определить его длину, которая будет определяться длиной одного витка винтовой линии.

Длину ротора принимаем равной 110 мм.

Следует отметить, что одним из направлений исследования винто-вихревых машин является определение взаимосвязи длины ротора и давления газа на выходе из нагнетателя. Но данный вопрос не является ключевым в этой работе.

2.     Построение эскиза ротора.

Т.к. ротор представляет собой цилиндр, то эскизом будет прямоугольник, который в дальнейшем необходимо будет повернуть относительно оси.

Рис. 1. Эскиз цилиндра ротора

         Центральное отверстие в теле ротора выполнено для того, чтобы разместить его на металлическом валу. С одной стороны вал будет иметь буртик, а с другой зажиматься гайкой.

3.     Построение винтовой линии и проточки канала.

Винтовую линию на теле цилиндра выполним с помощью операции «Вырезать кинематически». Для её осуществления необходимы эскиз канала и образующая – винтовая линия, по которой эскиз будет двигаться.

Рис. 2. Эскиз сечения канала ротора

Канал представляет из себя полуокружность радиусом 6 мм и надстройку над ней высотой 5 мм в виде прямоугольника. Горизонтальная линия эскиза совпадает с наружным радиусом цилиндра. Эскиз выполнен на удаление 10 мм от основного тела цилиндра для того, чтобы при вращение его по спиральной линии канал врезался в ротор и на торце образовывались серповидные окна, через которые газ будет поступать в рабочую полость.

В новой плоскости, расположенной параллельно одному из торцев на удаление 10 мм, в направление цилиндра строим винтовую линию. Для её определения нам необходимы: диаметр витка – принимаем его равным диаметру цилиндра (100 мм), шаг витка – 110,79 мм (был определен раннее в пункте 1) и количество витков – принимаем равным 1,2, это значение не является единственно верным, главное, чтобы винтовая линия выходила за цилиндр, т.е. винтовой канал выходил с тела ротора.

Рис.3. Модель после построения винтовой линии

Применив операцию «Вырезать кинематически» получим требуемый канал на роторе. В дальнейшем с помощью операции «Массив» создадим на роторе требуемо количество каналов.

Рис. 4. Модель после построения каналов

Как видно на рис. 4 на торцах ротора образовались серповидные окна, через которые газ будет поступать на ротор и выходить с него.

4.     Построение лопаток.

Лопатка строится с помощью операции «Выдавливание», для этого необходимо построить эскиз лопатки и указать длину выдавливания (равна длине ротора 110 мм).

Рис. 5. Эскиз лопатки

Эскиз лопатки строится в плоскости торца ротора (перпендикулярно направлению выдавливания). Толщину лопатки принимаем равной 2 мм, данное значение позволит ей быть достаточно прочной и в тоже время не загромождать канал. Угол наклона лопатки 55⁰. Верхние и нижние грани лопатки выполнены как часть окружности, для того, чтобы на роторе не было выступов и провалов.

После выполнения операции вытягивание и увеличения количества лопаток с помощью операции массив ротор будет выглядеть следующим образом.

Рис. 6. Окончательный вид модели ротора

В дальнейшем модель изготавливается на 3D принтере ZPrinter450, который имеет возможность печатать модели с размерами 203 x 254 x 203 мм.

Методика получения модели, описанная выше позволяет избежать дорогостоящего изготовления ротора в металле. Но в тоже время её прочностные и массогабаритные характеристики позволяют провести испытания и получить основные характеристики необходимые для проектирования винто-вихревых машин с помощью формул подобия.

Литература

1. Хмара В.Н. Вихревые вакуум-компрессоры. Учебное пособие. М., изд. МВТУ, 1979.