Уравновешивание сил инерции масс, движущихся возвратно-поступательно

Для полного уравновешивания сил инерции и моментов масс т_s движущихся возвратно-поступательно, необходимо было бы создать в компрессоре специальный механизм, движущий соответствующие уравновешивающие массы в противоположных направлениях.

Но такое устройство значительно усложнило бы машину, поэтому оно не могло найти применения.

В однорядном компрессоре силы инерции 2-го порядка J_nΙΙ обычно не уравновешиваются. Частично можно уравновесить только силы инерции 1-го порядка J_nΙ дополнительными противовесами, помещенными на концах щек, противоположных кривошипной шейке вала. При этом, когда поршень будет находиться в наружной или внутренней мертвых точках, центробежные силы инерции противовеса будут направлены в сторону, противоположную силам инерции поступательного движения J_nΙ и, следовательно, будут уравновешивать их. При всех других положениях поршня (например, при повороте вала на 90°) силы инерции J_nΙ, по-прежнему будут действовать вдоль оси цилиндра компрессора, хотя их величина и будет меньшей, тогда как J_np будут действовать под углом, равным углу поворота вала, и будут являться неуравновешенными силами, вызывающими колебания машин. Дополнительными противовесами обычно в таких машинах уравновешивается только ½· J_nΙ. При этом, когда вал повернется на 90˚ или на 270°, величина J_nΙ = 0, но при этих углах поворота в горизонтальной плоскости будет действовать от дополнительных противовесов сила J_np = ½· J_nΙ которая сама будет неуравновешена. При таком частичном уравновешивании однорядной машины амплитуда колебаний неуравновешенных сил уменьшается в два раза.

Дополнительные противовесы обычно выполняются заодно с противовесами, необходимыми для уравновешивания силы J_R.

В двухрядных горизонтальных машинах при смещении кривошипов на 180° (фиг. 48, а) и при равных симметрично движущихся массах в обоих рядах силы инерции J_nΙ и J_nΙΙ полностью уравновешиваются, но остается неуравновешенным их момент, максимальная величина которого равна

(298)

В машинах, выполненных по схеме фиг. 48, б и имеющих по рядам равные массы m_s, силы J_nΙ взаимно уравновешиваются. Силы инерции J_nΙΙ остаются неуравновешенными, и максимальная величина их будет

(299)

Максимальный неуравновешенный момент от сил J_nΙ будет

(300)

При прочих равных условиях неуравновешенный момент от силы J_nΙ у машины, выполненной по схеме фиг. 48, а, будет меньше, чем у машины по схеме фиг. 48, б, так как в последнем случае плечо сил b всегда будет больше, чем в первом, вследствие одностороннего размещения цилиндров относительно линии коленчатого вала. Неуравновешенные моменты сил М_неур в указанных схемах в значительной мере (до 50%) могут быть уменьшены силами инерции дополнительных противовесов J_np, закрепленных на концах, противоположных шейке коленчатого вала, как это указано на фиг. 48.

В многорядных компрессорах аналогичной конструкции взаимное уравновешивание сил инерции может быть достигнуто путем рациональной компоновки рядов.

Рассмотрим схему двухрядного компрессора с параллельными осями цилиндров, установленных с одной стороны вала (фиг. 49, а); колена расположены под углом 90°. Максимальные силы инерции будут

в 1-м ряду

и

во 2-м ряду

и

Фиг. 48. Схемы действия сил инерции J_nΙ и J_nΙΙ в двухрядных компрессорах.

Неуравновешенные силы инерции в такой схеме равны J_nΙ. Эти силы частично могут быть уравновешены дополнительными противовесами. Силы же инерции 2-го порядка J_nΙΙ и их момент m_sω²Rλ_шb не уравновешиваются и остаются свободными.

Таким образом, в двухрядных компрессорах с углом между кривошипами 90° нельзя достигнуть хорошего уравновешивания сил инерции. В этом отношении лучшей будет схема с углом между кривошипами в 180°. Однако диаграмма тангенциальных сил в компрессорах двойного действия с углом между кривошипами 90° получает такой характер, который обусловливает при той же степени неравномерности меньший маховой момент, а следовательно, и более легкий маховик. Поэтому схема со смещением кривошипов на 90° применяется для крупных компрессоров с малым числом оборотов. Для многооборотных машин более целесообразной является схема с кривошипами, смещенными на 180°.

На фиг. 49, б показан трехколенный вал компрессора с параллельными осями цилиндров и односторонним их расположением относительно оси вала. Колена размещены под углом 120°.

При угле α = 0 в 1-м ряду

Одновременно во втором ряду будет

В третьем ряду

Суммируя эти силы, при равенстве масс т_s во всех трех рядах, получим Σ J_nΙ == 0 и Σ J_nΙΙ = 0. Таким образом, в рассматриваемой схеме возможно полностью взаимно уравновесить силы инерции 1-го и 2-го порядков. Сумма же моментов от сил инерции не уравновешивается, возникает продольный свободный момент от сил J_nΙ и J_nΙΙ.

В компрессорах производится уравновешивание только момента 1-го порядка. Наиболее целесообразным методом здесь следует считать уравновешивание посредством установки двух противовесов на концах вала (фиг. 49, б).

Величину результирующего момента определим как сумму моментов сил J_nΙΙ относительно середины третьего колена.

Фиг. 49. Схемы действия сил инерции J_nΙ и J_nΙΙ в компрессорах, выпол­ненных по различным схе­мам.

Момент силы J_nΙ первого колена, равный 2 J_nΙ · а, действует в плоскости этого же колена. Действие силы J_п1 второго колена создает момент J_п1 a, действующий в плоскости второго колена. Сумма этих моментов дает результирующий момент [93].

Плоскость действия результирующего момента определяется углом ψ (между плоскостью первого колена и плоскостью действия М_JΙ):

откуда

Если в плоскости действия момента М_JΙ установить два противовеса по концам вала на плече b, то он может быть уравновешен. Массу противовеса можно определить из условия

следовательно,

Если в компрессоре, выполненном по схеме фиг. 54, а, массы m_s, поршневых групп первой ступени равны между собой и сумма их равна массе симметрично движущихся поршней второй ступени, т. е. 2т_s1 = m_s11, то достигается полное взаимное уравновешивание сил инерции 1-го и 2-го порядков без применения дополнительных противовесов. Здесь также отсутствует и неуравновешенный момент. Вышеуказанное равенство может быть достигнуто, если поршни первых ступеней изготовить из легких сплавов (например, из силумина), а поршень второй ступени из чугуна.

Хорошее уравновешивание сил инерции в двухрядном компрессоре получается при расположении осей цилиндров под углом 90°. Рассмотрим схему фиг. 49, в. Если в этой схеме массы обоих рядов, движущиеся возвратно-поступательно, равны между собой (что в большинстве конструкций удается осуществить), то при повороте вала на угол α, получим

для 1-го ряда

для 2-го ряда

и

Геометрическая сумма этих сил даст равнодействующие

и

Из уравнения для Σ J_n1 следует, что равнодействующая от сил инерции 1-го порядка при равенстве масс по рядам постоянна по величине и направ­лена по радиусу кривошипа. Следовательно, она легко уравновешивается путем увеличения массы противовесов, устанавливаемых на щеках колена вала для уравновешивания сил J_R. Величина добавочной массы противовеса определяется из равенства

откуда добавочная масса противовеса

Силы инерции 2-го порядка равны по величине и направлены вдоль осей своих цилиндров в противоположные стороны. Величина равнодействующей Σ J_nΙ1 будет меняться по гармоническому закону.

Угол между осью у (фиг. 49, в) и направлением равнодействующей может иметь лишь два значения: 90 и 270°. Следовательно, равнодействующая сил J_nΙ1 всегда расположена горизонтально и может быть уравновешена только с помощью специальных устройств, которые вследствие сложности их выполнения практически не находят применения. Так как в этой схеме цилиндры компрессора расположены в одной плоскости, то продольный свободный момент от неуравновешенных сил J_nΙ1 не возникает.

Проанализировав (аналогично вышеизложенному) действия сил инерции 1-го и 2-го порядков J_n1 и J_nΙ1 для компрессора, выполненного по любой схеме, можно найти возникающие во время работы машины ΣЈ_п1 и ΣЈ_п11 по величине и направлению. Анализ покажет, могут ли взаимно уравновешиваться силы инерции и их моменты. Если взаимной уравновешенности нет, то подобным анализом можно установить, какая неуравновешенность будет в машине при данной ее схеме и как и в какой мере она может быть уменьшена противовесами.

Так, например, для трехрядных компрессоров, выполненных по W -образной схеме с углом 60° между осями цилиндров и одним общим кривошипом (фиг. 51, г), анализ дает следующие результаты.

Вертикальные и горизонтальные составляющие J_nΙ меняются по закону эллипса. Причем малая полуось этого эллипса вертикальна и равна

Большая полуось горизонтальна и при одинаковых массах обоих цилиндров первой ступени равна

Полное уравновешивание этих сил может быть достигнуто противовесами только тогда, когда массы, движущиеся возвратно-поступательно, у всех трех рядов будут равны между собой.

Силы инерции 2-го порядка J_nΙ1 в рассматриваемой схеме не уравновешиваются. Вектор геометрической суммы этих сил вращается в сторону вращения вала с удвоенной угловой скоростью. Величина его изменяется по закону эллипса, малая полуось которого вертикальна и равна

а большая полуось горизонтальна и равна

Для компрессоров, выполненных по W-образной схеме с углом 60° между осями цилиндров и с двумя кривошипами, расположенными под углом 180° друг относительно друга (фиг. 42, д), анализ действия сил инерции дает следующие результаты. Если m_s11 = 0,5 m_s1, то вертикальная составляющая геометрической суммы сил инерции 1-го и 2-го порядков обращается в нуль; здесь m_s11 — масса среднего ряда, m_s1 — масса наклонного ряда. Горизонтальные же их составляющие взаимно не уравновешиваются и остаются свободными так же, как и моменты составляющих сил инерции, действующих в вертикальной плоскости. В этой схеме не достигается полного уравновешивания сил инерции. Однако достоинствами ее являются возможность частичного уравновешивания силы J_nΙ без дополнительных противовесов и хорошая диаграмма тангенциальных усилий.

В шестирядной машине с параллельными рядами цилиндров, расположенных по одну сторону вала, шестиколенчатый вал может быть выполнен с углами между коленами в 60 или 120°. В обоих случаях, если движущиеся массы по рядам равны между собой, геометрические суммы сил инерции 1-го и 2-го порядков равны нулю, т. е. силы инерции полностью взаимно уравновешиваются. Причем угол 60° дает лучшую диаграмму тангенциальных усилий.

Питання: За яким критерієм оцінюється досконалість камери згоряння з точки зору забезпечення надійності деталей вузла турбіни? При відомих значеннях температур визначити досконалість камери згоряння якщо:

температура повітря за компресором = 400 К;

Дата добавления: 2015-07-25