Cт. викл. Дудін В.Ю., Плотницький В.І.

Дніпропетровський державний аграрний університет, м. Дніпропетровськ

К.т.н., с.н.с. Алієв Е.Б.

Відділ біоекотехнічних систем у тваринництві ННЦ «ІМЕСГ» НААН, м. Запоріжжя

Експериментальні дослідження фаз розподілу повітря ротаційного пластинчатого вакуумного насоса

Основним параметром, що закладаються на стадії розробки насоса, який суттєво впливає на вказані показники, є фази розподілу повітря. Невірно обрані фази розподілу повітря, а це форма та розташування вікон, негативно впливають на робочий процес насоса, його зовнішні характеристики.

На сьогодні в більшості доїльних установках застосовуються ротаційні вакуумні насоси, які виконують із невеликою кількістю пластин (до чотирьох). У цих конструкціях, внаслідок значного перепаду тисків в суміжних робочих камерах, виникають великі втрати від перетікань газу. Перетікання збільшуються, якщо дійсний режим вакуумного насоса не відповідає розрахунковому, тобто високий коефіцієнт відкачування та низька енергоємність забезпечуються лише тоді, коли дійсна індикаторна діаграма наближена до розрахункової, що в свою чергу залежить від правильного визначення фаз розподілу повітря. Таким чином, дійсна індикаторна діаграма ротаційного вакуумного насоса визначає ступінь досконалості його конструкції.

У зв'язку із цим метою роботи були теоретичні та експериментальні дослідження фаз розподілу повітря дійсного вакуумного насоса і зняття його індикаторної діаграми.

Згідно [1, 2] початок фаз всмоктування та нагнітання визначається з умови рівності тисків в робочій камері та відповідному вікні в момент їх з’єднання. Закінчення зазначених фаз повинно відбуватися в момент, коли об’єм робочої камери набуває максимального (всмоктування) та мінімального (нагнітання) значень. Виходячи з цього, правильний вибір положення кромок всмоктувального та нагнітального вікон, в першу чергу залежить від правильного визначення динаміки зміни об’єму робочої камери насоса та тиску в ній в залежності від кута повороту ротора.

Використовуючи методику визначення зміни площі перерізу робочої камери, викладену в [3,4] та враховуючи дані [5], які свідчать про те, що:

, (1)

де Р_ст. – тиск газу на початку стиску, приймається рівним тиску всмоктування, кПа;

S_max – максимальна площа перерізу робочої камери, м²;

S_φ – площа перерізу робочої камери при куті повороту φ, м²;

γ – показник політропи,

для насоса індивідуальної доїльної установки з діаметром статора D = 0,105 м та розмірами інших формуючих елементів робочої камери: діаметр ротора d = 0,088 м, ширина пластини L = 0,085 м та кутом нахилу пластин 45° [4] було побудовано залежність Р = Р(j), або розгорнуту по куту повороту теоретичну індикаторну діаграму робочої камери насоса (рис. 1) з розрахунку створення ним вакуумметричного тиску 70 кПа.

Приведена на рисунку 1 залежність зміни тиску в робочій камері дозволяє стверджувати, що її з’єднання з нагнітаючим вікном (точка А) повинно відбуватися при значенні кута 76°, а початок всмоктування – 187,4° (точка В). Момент роз’єднання робочої камери з нагнітаючим вікном буде відповідати куту повороту ротора 222,5°, при якому відбувається повний перехід робочої камери з боку стиску на бік всмоктування (точка Г на рис. 1). Точка Б характеризує момент переходу першої по ходу обертання пластини зі сторони нагнітання на сторону всмоктування (проходження точки найменшого радіального зазору між ротором і статором), тобто розділення робочої камери на дві частини. При цьому в першій половині камери (відрізок Б-В-Д) вакууметричний тиск збільшується, а в другій тиск рівний тиску нагнітання (відрізок Б-Г). Точка Е відповідає куту повороту ротора 347,3°, при якому об’єм робочої камери набуває найбільшого значення і відбувається її від’єднання від всмоктувального вікна.

Рисунок 1 - Розгорнута по куту повороту теоретична індикаторну діаграму робочої камери насоса: А – початок нагнітання; Б – розділення робочої камери; В – з’єднання півкамери з всмоктувальним вікном; Г – закінчення нагнітання; Д – початок всмоктування; Е - закінчення всмоктування.

В результаті експериментальних досліджень фаз розподілу повітря ротаційного пластинчатого вакуумного насоса були отримані динамічні залежності (рис. 2), що характеризують зміну вакуумметричного тиску в робочій камері від кута повороту ротора (розгорнуті по куту повороту дійсні індикаторні діаграми) вакуумного насоса при різних частотах обертання ротора та значеннях вакуумметричного тиску у всмоктувальному вікні.

Рисунок 2 – Залежність зміни вакуумметричного тиску в робочій камері насоса від кута повороту ротора при різних частотах його обертання n та значеннях вакуумметричного тиску у всмоктувальному вікні P: 1- n=1000 об/хв., P=52,4 кПа; 2 - n=1500 об/хв., P=61,2 кПа; 3 - n=2000 об/хв., P=71,3 кПа; 4 - n=2200 об/хв., P=71,3 кПа.

Аналіз експериментальних даних показує, що характер динамічного розподілу вакуумметричного тиску однаковий при будь-якій частоті обертання ротору та змінюється з однаковою періодичністю. Дане спостереження свідчить про стабільність роботи експериментального ротаційного пластинчатого вакуумного насоса на різних режимах.

Для ідентифікації теоретичної моделі фаз розподілу повітря ротаційного вакуумного насоса побудовані експериментальні і теоретичні графіки розподілу вакуумметричного тиску в робочій камері насоса від кута повороту ротора (рис. 3). При цьому експериментальні дані відповідали рівню вакууметричного тиску прийнятому при розрахунках.

Рисунок 3 – Результати співставлення теоретичних (1) та експериментальних (2, 3) даних залежності зміни вакуумметричного тиску в робочій камері насоса від кута повороту ротора

Аналізуючи графіки приведені на рис. 3, можна стверджувати, що на стороні стиску та нагнітання (відрізок Е-А-Б) відхилення експериментальних даних від отриманих теоретично досить не значне. На стороні всмоктування, яке починається після розділення камери (точка Б), спостерігається відхилення теоретичних та експериментальних даних, відрізок Б-В хоча за характером і відповідає відрізку Б¢-В¢, але має зсув по куту j. Це пояснюється тим, що канал датчика тиску розміщено в задній, по ходу обертання ротора, частині камери, через це була відсутня можливість фіксування зміни вакууметричного тиску в першій півкамері. Що стосується сплеску тиску на експериментальних кривих в діапазоні значень кута j 160-180°, то його можна пояснити преретіканням повітря між півкамерами при збільшенні різниці тисків в них. Загалом з отриманих даних можна стверджувати, що розрахований теоретично вакуумметричний тиск знаходиться у довірчому коридорі експериментальних досліджень. Кореляція теоретичних та експериментальних даних складає 0,89. Це дає змогу стверджувати, що теоретичне рівняння розподілу вакуумметричного тиску в робочій камері насоса від кута повороту ротора є справедливим при будь-якому значені частоти обертання ротора для заданого значення вакууметричного тиску.

Висновки. В результаті експериментальних досліджень фаз розподілу повітря ротаційного пластинчатого вакуумного насоса були отримані динамічні залежності, що характеризують зміну вакуумметричного тиску від кута повороту ротора насоса при різних його частотах обертання. Згідно розрахованого коефіцієнту кореляції між теоретичними та експериментальних даними (0,89) підтверджено теоретичну модель фаз розподілу повітря ротаційного вакуумного насоса.

Список літератури:

1. Механические вакуумные насосы /[Е. С. Фролов, И. В. Автономова, В.И. Васильев и др.] – М.: Машиностроение, 1989. – 288 с.

2. Мжельский Н.И. Вакуумные насосы для доильных установок / Н.И. Мжельский – М .: Машиностроение, 1974. – 151 с.

3. Павленко С.И. К вопросу определения фаз распределения воздуха ротационного вакуумного насоса с тангенциальным расположением лопаток/ С.И. Павленко, Н.Н. Науменко, В.Ю. Дудин // Матер. Межд. науч.-практич. конф. “Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве”. – Минск, 2010. – Т. 2. – С. 107 – 112.

4. Обґрунтування окремих параметрів пластинчатих вакуумних насосів / С.І. Павленко, В.Ю. Дудін, М.В. Колончук, Д.Ф. Кольга // Геотехнічна механіка: міжвід. зб. наук. праць Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С.Полякова НАН України. – Дніпропетровськ, 2008. – Вип. 75. – С. 258 – 268.

5. Хамеев В. М. Термодинамические процессы и параметрические характеристики вакуумных насосов / В. М. Хамеев – Новосибрск: Наука, 1986 – 75 с.