مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی تجربی و عددی عوامل شکست در سوپاپ‌های یک‌طرفه رینگی در کمپرسورهای رفت و برگشتی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی برق، مکانیک و کامپیوتر، دانشگاه ایوان‌کی، گرمسار، ایران
2 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران
چکیده
رینگ داخل سوپاپ یک‌طرفه، در کمپرسور رفت و برگشتی نقش کلیدی و مهمی دارد. در این مقاله دو جنس متفاوت برای رینگ درنظر گرفته شده است. یکی، فولاد ضد زنگ به شماره ماده 1/5022 و با علامت 38si6 و دیگری، کامپوزیت کربن- پیک است. این دو رینگ در سوپاپ‌های یکسانی از نظر طراحی و ساخت قرار داده شدند. سپس این سوپاپ‌ها درکمپرسورهایی با کاربرد یکسان مورد آزمایش قرار گرفتند. در آزمایش‌های تجربی استفاده از این دو رینگ مشاهده شد که عمر سوپاپ با رینگ فولادی، 145 روز است. در حالی‌که سوپاپ با رینگ کربن- پیک بعد از گذشت 210 روز سالم بود. مهم‌ترین علت شکست در رینگ فولادی مربوط به توزیع نامناسب نیروهای ناشی از فنرهایی است که در زیر سطح رینگ قرار دارند. یکی دیگر از عوامل شایع خرابی در این سوپاپ‌ها مربوط به تنش‌های وارده از طرف فنرها به دیواره‌های محل قرارگیری آن‌ها است. بنابراین در این مقاله، به بررسی تنش‌ها در محفظه قرارگیری فنرها که جزء نقاط بحرانی در طراحی و ساخت سوپاپ‌ها است، نیز پرداخته شده است. با استفاده از کدهای تجاری کارآ مانند آباکوس، مراحل طراحی و تحلیل سوپاپ در شرایط شبه‌استاتیکی انجام شده است. فشارها و تنش‌های وارده به محفظه فنر و خود رینگ در شرایط استفاده از رینگ فولادی بیشتر از رینگ کامپوزیتی کربن- پیک است. نتایج به‌دست آمده از شبیه‌سازی عددی با مشاهدات تجربی مطابقت خوبی را نشان می‌دهند. ضمناً با استفاده از معادلات جریان مقدار ضخامت مناسب برای رینگ تعیین شده است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Experimental and Numerical Investigating of Failure Factors in One-Way Ring Valves in Reciprocating Compressors

نویسندگان English

Mostafa Sayahbadkhor 1
Ali Mozafari 1
Alireza Naddaf Oskouei 2
1 Mechanical Engineering Department, Electrical, Computer & Mechanical Engineering Faculty, Eyvanekey University, Eyvanekey, Iran
2 Mechanical Engineering Department, Engineering Faculty, Imam Hossein Comprehensive University, Tehran, Iran
چکیده English

The ring inside the one-way valve has an important role in the reciprocating compressor. In this article, two different materials for rings were considered; stainless steel with the material number 1.5022 and sign 38si6, and carbon-peek composite. These two rings were prepared in valves with identical conditions in design and manufacturing and were used in reciprocating compressors with the same applications. The results of this experiment showed that the life of the valve with a steel ring was 145 days, while the valve with a carbon-peek ring was intact after 210 days. The most important reason for early failure in the steel ring is an inappropriate distribution of forces due to the springs below the ring. Another common cause of failure in these valves is the stresses on walls in the location of springs. Therefore, in this paper, the stresses in the chamber of springs, which are critical points in the design and construction of the valves, are also discussed. By using robust business codes like Abaqus software, the design and analysis stages of the valve are carried out in quasi-static conditions. The stresses and tensions on the chamber of spring and the ring are much stronger in the steel ring than the carbon-peek composite ring. The results obtained from numerical simulations are consistent with experimental observations. In addition, accurate thickness for the ring was determined by use of flow relations.

کلیدواژه‌ها English

One-way valves
Reciprocating Compressor
Carbon-Peek Ring
Steel Ring
Amiri MM, Mehri Z. Introduction and comparison of active compressors in Iran's oil industry. Scientific Monthly Journal of Exploration and Production of Oil and Gas. 2014;(111):7-12. [Persian] [Link]
Zhao B, Jia X, Sun Sh, Wen J, Peng X. FSI model of valve motion and pressure pulsation for investigating thermodynamic process and internal flow inside a reciprocating compressor. Applied Thermal Engineering. 2018;131:998-1007. [Link] [DOI:10.1016/j.applthermaleng.2017.11.151]
Bloch HP, Godse A. Compressors and Modern Process Applications. Hoboken: John Wiley & Sons; 2006. [Link] [DOI:10.1002/0470047208]
Trout JN, Kolodziej JR. Reciprocating compressor valve condition monitoring using image-based pattern recognition. presentado en Annual conference of the Prognostics and health management society. 2016;7(005). [Link]
Arztmann R. Operation and maintenance of different valve types. Workshop Reciprocating Compressors, Rheine, Germany, October 2002. Rheine: KÖTTER Consulting Engineers; 2002. [Link]
Elhaj M, Gu F, Ball AD, Albarbar A, Al-Qattan M, Naid A. Numerical simulation and experimental study of a two-stage reciprocating compressor for condition monitoring. Mechanical Systems and Signal Processing. 2008;22(2):374-89. [Link] [DOI:10.1016/j.ymssp.2007.08.003]
Michal V, Roman G. Modeling reciprocating compressor valve dynamics. AIP Conference Proceedings. 2017;1889(1):020049. [Link] [DOI:10.1063/1.5004383]
Touber S. A contribution to the improvement of compressor valve design. Unknown City: Laboratory for Refrigerating Engineering; 1976. pp. 46-110. [Link]
Horinek A. The efficient ring valve for heavy gases [Internet]. Vienna: Hoerbiger; 2016 [cited 2017 Dec 17]. Available from: http://www.hoerbiger.com/en-0/pages/64 [Link]
Tierean MH, Baltes LS. Design of valves used in reciprocating compressors. In: Bulucea CA, Mladenov V, Pop E, Leba M, Mastorakis N, editors. Recent advances in applied and theoretical mechanics: Proceedings of the 5th WSEAS international conference on applied and theoretical mechanics (Mechanics '09), December 14-16, 2009, Puerto De La Cruz, Tenerife, Canary Islands, Spain. Puerto De La Cruz: WSEAS Press; 2009. pp. 138-143. [Link]
Foreman S. Compressor valves and unloaders for reciprocating compressors - an OEM's perspective. Unknown City: Dresser-Rand Literature; 2002. [Link]
Wegst CW, Wegst M. Steel key. 2nd Edition. Saatchi A, Edriss H, translators. Isfahan: Arkan Danesh; 2006. pp. 290-335. [Persian] [Link]
Pederson J. Finite element analysis of carbon fiber composite ripping using ABAQUS [Dissertation]. Clemson: Clemson University; 2008. [Link]