Совершенствование методов расчета и конструктивных элементов детандерных ступеней с поршнем двойного действия Арсеньев Иван Андреевич

Рис. 2. Схема расположения выхлопных окон цилиндра детандернои ступени с поршнем двойного действия.

При моделировании рабочих процессов в межкольцевых объемах уплот-нителыюго узла детандернои ступени с поршнем двойного, действия учтены следующие специфические особенности:

1. Дискретное изменение числа рабочих (нагруженных) уплотнительных
элементов в функции от угла поворота коленчатого вала.

2. Дополнительная утечка газа из межкольцевых объемов в выпускную каме-

РУ-

3. Одновременное совершение рабочих циклов в полостях А и Б и сдвинутых друг относительно друга на 180.

Расчет параметров газа в уплотнительных узлах основывается на тех же уравнениях, что и расчет параметров газа в рабочей камере детандера, поскольку объем, заключенный между соседними поршневыми кольцами, рассматривается в модели аналогично рабочей камере детандера.

Программа расчета, в которой реализована математическая модель, предусматривает расширенный объем выходной информации. В частности, на печать в цифровой и графической форме выводятся:

текущие значения объёма рабочей камеры, давления, температуры, энтальпии, энтропии, плотности и массы газа в ней;

перемещение и скорости перемещения каждой из пластин впускных и выпускных клапанов;

- комплекс показателей, характеризующих теплообмен и процесс переноса
массы в рабочей камере и в межкольцевых объёмах уплотнительных узлов.

На основе полученных текущих параметров формируется комплекс интегральных показателей, дающий достаточно полное представление о работе детандера.

Для подтверждения адекватности ММ на лабораторном стенде кафедры криогенной техники СПбГУНиПТ была испытана детандерная ступень с модернизированным впускным клапаном со встроенным толкателем. В ходе эксперимента исследовалась работа ступени с одно- и двухклапанной системами газораспределения при переменном мертвом пространстве. Экспериментальные индикаторные диаграммы были обработаны, перестроены и совмещены с расчетными индикаторными диаграммами. Анализ полученных данных позволил сделать следующие выводы:

1. Процесс наполнения на номинальном режиме работы ступени заканчивается практически при одном и том же угле поворота вала.

2. Изменение параметров газа в процессах расширения, выхлопа и выталкивания практически идентично.

3. Окончанию расчетного процесса обратного сжатия соответствует меньший (~ на 20) угол поворота вала, что при допущении о герметичности рабочей камеры при расчетах представляется вполне логичным.

4. Процессы «впуск-нагнетание» (работа толкателя) качественно идентичны и незначительно отличаются в количественном отношении.

Таким образом, можно сделать вывод и об адекватности ММ в целом.

Целью выполненного в работе численного эксперимента является выявление специфических особенностей газодинамических и тепловых процессов, а также процессов переноса массы в рабочих камерах детандерной ступени с поршнем двойного действия и получение рекомендаций, способствующих улучшению её технико-экономических показателей. При выполнении численного эксперимента использована прикладная программа расчета, реализованная в настоящей работе.

В ходе численного анализа был апробирован ряд новых методик.

В том числе:

Оптимизация геометрических параметров впускных и выпускных клапанов передней А и задней Б полостей детандерной ступени с поршнем двойного действия, целью которой являлось обеспечение идентичности рабочих циклов и интегральных параметров обеих полостей ступени;

Анализ динамики потоков газа в уплотнении дискового поршня с учетом сдвига по фазе рабочих циклов в полостях А и Б на угол 180.

Поиск и обоснование оптимального числа и геометрических размеров
разгрузочных каналов на торцах уплотнительных колец с целью обеспечения
равномерного распределения давления по кольцам и увеличения продолжи
тельности их работы до плановой замены в процессе эксплуатации.

Оценка интенсивности процессов теплообмена в ступенях поршневых детандеров с различной частотой вращения вала, температорой стенок рабочей камеры, степенью негерметичности впускных клапанов и др.

Обоснование оптимального объёма и диаметра патрубков входной и выходной полостей ступени с целью минимизации газодинамических потерь и снижения удельных массогабаритных показателей детандера.

Дифференцированная оценка интенсивности процесса теплообмена на различных участках рабочего цикла.

На основе анализа результатов выполненного численного эксперимента было установлено следующее:

1. В цилиндре детандерной ступени с поршнем двойного действия наличие штока предопределяет неравенство активных площадей поршня F* и рабочих объёмов V_h в передней (А) и задней (Б) полостях. В случае их комплектации идентичными органами газораспределения, возникает заметная разница в величинах относительных мертвых пространств по полостям, в скоростях течения газа через открытые клапаны, в условиях теплообмена газа с поверхностями рабочих камер и т.д., что в конечном итоге приводит к существенным различиям в отдельных процессах и рабочих циклах в полостях А и Б в целом, а также в интегральных показателей детандера. Для достижения идентичных рабочих циклов и одинаковых конечных температур газа в полостях А и Б требуется сокращение продолжительности процесса наполнения в полости Б, что достигается, в частности, путем уменьшения предварительного натяга клапанных пружин клапанов в полости Б.

Для практического решения данной задачи можно рекомендовать:

установку сменной (по толщине) прокладки между седлом и ограничителем клапана, что приводит к изменению расчетной величины максимального перемещения пластин клапана и предварительного натяга пружин (/?„ Ф const и ho ф const) при сохранении величины (й_к, + h₀) = const.

введение в конструкцию клапана промежуточного (подвижного) ограничителя подъёма, обеспечивающего плавное изменение высоты подъёма пластин (Л_к, Ф const) и натяга пружин (іг₀ ф const) в процессе работы детандера при сохранении (А„ + h₀) = const.

установку под пружины клапана регулировочных шайб переменной толщины, обеспечивающих изменение натяга пружин (h₀ Ф const) при сохра-

нении h_K., = const.

2. Оснащение детандерных ступеней впускным клапаном со встроенным в седло толкателем, обеспечивающим принудительное открытие клапана при положении поршня вблизи ВМТ в случаях отклонения режима работы от расчетного, гарантирует работоспособность детандера на любом рабочем веществе, в широком диапазоне частот вращения вала, рабочих давлений и температур и различных относительных мертвых пространствах ступени.

3. Расчетный анализ работы детандерной ступени с учетом влияния объёма присоединенных полостей и сечения патрубков на входе в эти полости показал, что при заниженном диаметре впускного патрубка наблюдается аномальная работа ступени, а именно большие газодинамические потери в процессе наполнения и недорасширение газа в момент прихода поршня в НМТ. В тоже время, анализ интегральных параметров работы детандерной ступени при переменном объеме впускной полости и "оптимальном" диаметре патрубка показал, что объем рабочей полости практически не влияет на текущие и интегральные параметры ступени.

4. Для обеспечения эффективности и долговечности работы уплотнительного узла дискового поршня на торцах поршневых колец следует выполнять радиальные разгрузочные каналы, способствующие равномерному распределению перепадов давления на кольцах уплотнительного узла и минимизации их износа при эксплуатации. Число, геометрические размеры и положение колец с разгрузочными каналами в уплотнительном узле определяется по методике, использованной в настоящей работе.

5. Путем воздействия на выпускные клапаны двухклапанной детандерной ступени в условиях эксплуатации можно обеспечивать плавное изменение расхода газа через детандер в диапазоне от 100 до 40% при сохранении постоянной конечной температуры газа и изоэнтропного КПД детандера. Одним из практически осуществимых способов реализации данного способа регулирования является перекрытие части выпускных клапанов.

6. В прямоточных ступенях поршневых детандеров средней и высокой производительности, выполняемых на современных многорядных высокооборотных базах, конвективный теплообмен газа со стенками рабочей камеры в процессах расширения и сжатия не оказывает существенного влияния на текущие и интегральные параметры ступени в широком диапазоне частот вращения вала. Интенсивность процессов теплообмена возрастает по мере уменьшения объёма (массы газа) рабочей камеры, частоты вращения вала и не герметичности комплектующих узлов (клапаны и уплотнительные узлы поршня и штока) ступени.

7. Дифференцированная оценка количества теплоты подводимой (отводимой) к газу на отдельных участках рабочего цикла, приведенная в качестве примера на рис. 5 применительно к прямоточной детандерной ступени с двухкла-панным газораспределением, позволила констатировать следующее:

- при заданном объёме цилиндра ступени детандера и величинах начального и конечного давления максимальное количество теплоты отводится от газа в процессе наполнения при минимальной частоте вращения вала;

наибольшее количество теплоты подводится к газу на участках выхлопа и выталкивания независимо от частоты вращения вала;

на участках расширения и сжатия количество подведенной и отведенной теплоты минимально и примерно одинаково, т.е. в герметичной ступени данные процессы протекают с показателем политропы расширения и сжатия по конечным параметрам п_р ~ п_сж —» к;

при сохранении качественной картины количественное соотношение подведенной (отведенной) теплоты на различных участках цикла может изменяться в зависимости от геометрических и режимных параметров ступени, свойств рабочего вещества, условий теплоизоляции ступени от окружающей среды, механического КПД детандера, уровня герметичности уплотнитель-ных узлов и клапанов в закрытом состоянии и ряда других факторов. Для любой, произвольно выполненной конструкции детандерной ступени соотношение количеств подведенной (отведенной) теплоты в различных процессах цикла может быть определено с помощью предложенной в работе программы КОМДЕТ-М.

1,5

— .-

1,5 г

0,5

-0,5

-1.5

РШ

—,т

Ф, град

ISO

ф, грал

Рис. 5. Количество подведенной (отведенной) теплоты
в прямоточной герметичной детандерной ступени
при различной частоте вращения коленчатого вала
и = 500 об/мин п = 1500 об/мин

Полученные в результате численного эксперимента данные и рекомендации легли в основу изложенной в диссертационной работе методики расчета и оптимального проектирования дстандерных ступеней с поршнем двойного действия.

При проектировании детандерных агрегатов на нормализованных базах поршневых компрессоров основным условием является ограничение действующих усилий в пределах, допустимых для выбранной базы. Поэтому нет необходимости обоснования прочности элементов базы. Прочностные расчеты должны проводиться только для специфических деталей цилиндро-поршневых групп, органов газораспределения, головок цилиндров и соединений различного типа.

В рамках настоящей работы по совершенствованию поршневых детандеров автором проведён цикл прочностных расчётов элементов самодействующих клапанов как наиболее подверженных действиям нагрузок и определяющих работоспособность агрегата в целом. Целью данного раздела диссертации являлось апробирование методики расчета с помощью программного комплекса ANSYS и подтверждение работоспособности пластин и седел самодействующих клапанов под действием предельно возможных перепадов давлений. Был изучен характер распределения напряжений и деформаций в пластине сферического клапана, в седле дискового клапана сложной формы и в контактной паре "пластина-седло".

Поршневые детандеры. Конструкции. Современное состояние

Первые работы по созданию поршневых расширительных машин независимо друг от друга были выполнены Пикте (1905 г.), Гейландом (Германия) и Плясом (США).

Петр Леонидович Капица применил поршневой детандер в установках ожижения гелия [37]. В первой машине отказались не только от смазки, но и от уплотнений поршня контактного типа. Поршень относительно цилиндра двигался с зазором, через который перетекал газ из полостей с высоким давлением в полости низкого давления. Снижение утечки достигалось за счет уменьшения продолжительности процесса расширения по сравнению с временем обратного перемещения поршня. У первого образца машины КПД достигал величины ц 0,7. Основные идеи этой конструкции в дальнейшем получили развитие в конкретных инженерных решениях применительно к поршневым детандерам гелиевых установок.

Надежность и экономичность детандера существенно зависит от конструкции органов газораспределения. Надо отметить, что условия работы клапанного механизма весьма тяжелы: низкие температуры, высокие давления, большие инерционные нагрузки. Вследствие этого условия работы механизма газораспределения определяют частоту вращения вала детандера. Поэтому одним из направлений развития детандеростроения было совершенствование механизма управления клапанами.

Классический тип поршневого детандера, наиболее распространенный на сегодняшний день, с двумя клапанами (впуска и выпуска), управляемыми от кулачков находящихся на коленчатом валу, долгое время оставался единственным, находившим применение в криогенной технике [8, 10, 16, 17, 22, 28, 51, 90]. В них осуществляется шестифазный цикл, что позволяет достигать высокой эффективности рабочего процесса. Основным недостатком детандеров данного типа является недостаточная надежность принятой системы газораспределения даже при весьма малой средней скорости поршня и частоте вращения вала, вследствие чего удельная металлоемкость детандеров традиционного исполнения чрезмерно велика.

Увеличения частоты вращения можно было достигнуть, если изменить конструкцию узла газораспределения. Замена клапанного механизма окнами привела к созданию бесклапанного детандера с четырехфазным циклом [24, 36, 87]. Принципиально данная конструкция обеспечивает возможность значительного повышения частоты вращения вала, а, следовательно, и снижения удельной металлоемкости агрегата при обеспечении высокой надежности, что обусловлено отсутствием динамически нагруженных элементов - выпускных клапанов. При распространенном в таких детандерах типе уплотнения поршня (щелевом) работоспособность и эффективность бесклапанных детандеров всецело зависят от радиального зазора в паре «поршень - цилиндр», величина которого для обеспечения приемлемой эффективности работы не должна превышать 2-3 мкм, что требует высочайшей степени очистки рабочего газа и соответствующей технологической культуры производства. Как следствие, бесклапанные детандеры трудоемки в изготовлении, отличаются высокой стоимостью и применяются лишь в установках специального назначения. При традиционном уплотнении поршня с помощью разрезных колец резко возрастают осевые размеры ступеней и газовая нагрузка на крайние в уплотнительном комплекте кольца [36], что ухудшает межремонтный цикл и приводит к дополнительным затратам на запчасти при эксплуатации. С учетом дополнительных сложностей, связанных с необходимостью работы в процессе эксплуатации на нерасчетных режимах, бесклапанные детандеры в настоящее время находят ограниченное применение.

Другой тип газораспределения — внутренний привод клапанов, в котором запорные органы открываются системой подпружиненных толкателей, расположенных в поршне [9, 13, 14, 15]. Впервые внутренний привод клапанов был применен С. Коллинзом в 1938-1940 гг.; в отечественной практике разработаны машины с внутренним приводом клапанов в ОИЯИ (Дубна) В. А. Белушкиным и Н. Ф. Готвянским и в МЭИ А. Б. Грачевым и Н. М. Савиновой. При их разработке авторы учитывали перспективу форсирования детандеров по частоте вращения вала со всеми вытекающими из этого положительными последствиями. Однако ещё большее усложнение конструкции, увеличение мертвого пространства ступеней, высокие силовые нагрузки, действующие на поршень не симметрично относительно оси цилиндра и другие негативные моменты, сопутствующие данному конструктивному решению, ставят под сомнение широкое применение подобных детандеров в промышленности.

Шагом вперед в области поршневого детандеростроения явилось создание прямоточных детандеров с электромагнитным впускным клапаном [3, 23, 25, 26] и золотниковым устройством на выхлопе. Электромагнитный привод клапанов был осуществлен в НПО «Криогенмаш» Е. А. Докшицким. Первоначально импульс на открытие и закрытие клапанов вырабатывался на механическом устройстве типа кулачкового. В современных ПД применяется микропроцессорное управление клапанами, которое позволяет в принципе осуществлять любую диаграмму рабочего процесса машины. В то же время такой конструкции присущ ряд негативных моментов [73]. К недостаткам таких детандеров следует отнести тепловыделения, возникающие при работе электромагнитного клапана, что приводит к снижению холодопроизводительности, а необходимость преодоления сил трения в уплотнительном узле штока клапана ограничивает их применение областью малых расходов при низкой частоте вращения вала [44]. К отрицательным качествам данной конструкции следует также отнести недостаточную надежность электронной системы управления работой клапана, частота отказов которой по данным ОАО «Сибкриотехника» сравнима с частотой отказов собственно клапана, и обусловленная явлением «гистерезиса» в катушке индуктивности электродинамического клапана нестабильность параметров детандера в процессе эксплуатации.

Моделирование рабочих процессов в уплотнительных узлах детандерной ступени с поршнем двойного действия

В связи с разнообразием процессов в ступенях расширительных машин, протекающих одновременно и влияющих друг на друга, метод математического моделирования является наиболее целесообразным. Он позволяет с минимальными временными затратами сопоставить серию возможных вариантов исполнения машины в целом, равно как и её отдельных узлов в частности, и предельно сократить затраты на изготовление и испытания вновь разрабатываемых или модернизируемых машин.

Под математическим моделированием будем понимать [62, 73] изучение и анализ конструкций в совокупности с протекающими физическими процессами на базе математической модели, воспроизводящей их особенности и взаимосвязь с сохранением логической структуры и последовательности во времени.

В работе [73] указывается, что сложившаяся в настоящее время структура процесса моделирования включает в себя 4 характерных этапа: 1. Выбор объекта и формулировка основных задач моделирования. 2. Схематизация объекта исследования. Базовые допущения при обосновании физической модели. 3. Математическая модель. Алгоритм и программа расчета. 4. Контрольные расчеты. Оценка адекватности модели реальному объекту. Объектом исследования (физической моделью) в настоящей работе является детандерная ступень с поршнем двойного действия, под которой будем понимать совокупность цилиндра и примыкающих к нему полостей, связанных друг с другом через органы газораспределения и уплотнительные узлы. Основное внимание было уделено моделированию работы модернизированной системы газораспределения (клапаны с толкателем на входе и выхлопные окна в виде узких кольцевых проточек на выхлопе) с учетом конструктивных особенностей, а также моделированию рабочих процессов в межкольцевых объемах уплотнительных узлов при условии одновременности совершения циклов в полостях А и Б расширительной машины с поршнем двойного действия. При таком толковании физическая модель ступени является упрощенным вариантом реальной ступени с учетом принятых базовых допущений и сохранения основных качественных и количественных закономерностей, характеризующих протекающие рабочие процессы. При замене реального объекта на его физическую модель получаемая информация должна адекватно отражать основные стороны изучаемых процессов во взаимосвязи с особенностями конструкции элементов ступени. Под математической моделью (ММ) будем понимать математическое описание физической модели реального объекта, в процессе которого могут быть приняты частные допущения, касающиеся схематизации отдельных физических процессов, конструкции элементов объекта и т.д. Она (ММ) представляет собой совокупность базовых уравнений, формул, эмпирических зависимостей, неравенств, логических условий и др., которые связывают искомую информацию с промежуточной и исходной. Математическая модель реализуется в виде основной программы и ряда подпрограмм расчета (библиотек), в рамках которых рассматриваются отдельные рабочие процессы. Под адекватностью следует понимать качественное и количественное соответствие результатов расчета по модели реально протекающим физическим процессам при идентичном реагировании объекта и модели на изменение исследуемых независимых параметров в заданном диапазоне [63]. Для установления адекватности модели обычно используются собственные или заимствованные экспериментальные данные. При их отсутствии основанием подтверждения адекватности модели может служить комплекс фундаментальных законов, основополагающих уравнений и апробированных эмпирических зависимостей, используемых при формализации модели. Конечной целью моделирования является практическое применение модели при изучении закономерностей протекающих физических процессов и при решении задач прикладного характера, связанных обычно с поиском оптимального варианта исполнения исследуемого объекта или его элементов. Под оптимизацией будем понимать отыскание лучшего из ряда возможных проектных решений, в случае реализации которого достигается удовлетворяющее исполнителя и заказчика сочетание технико-экономических показателей проектируемой машины. Поиску оптимального проектного решения предшествует выбор основных характеристик или параметров объекта, формулируемых в виде целевой функции, минимум (или максимум) которой отыскивается с помощью модели и программы расчета. Отмечается [81], что оптимизация проектных решений должна базироваться на простейших целевых функциях и применении предельно простого вычислительного аппарата. В то же время оптимизация целевой функции становится даже вредной, если при использовании вычислительных методов на задний план отодвигаются сложившиеся принципы проектирования, вопросы технологии изготовления, унификации, техники безопасности, экологические проблемы и др. Оптимальный вариант конструкции определяется на основе анализа текущих и интегральных параметров ступени детандера. В качестве целевой функции при оптимизации приняты изоэнтропный (температурный) КПД ступени или суммарные удельные приведенные затраты мощности на киловатт холодопроизводительности. 2.1. Основные допущения 1. Объём полостей, примыкающих к рабочей камере, имеет конечную величину при длине трубопроводов на входе и выходе ступени стремящейся к нулю. При таком допущении давление и температура газа в присоединенных полостях переменны во времени. В связи с тем, что при проектировании детандера, как правило, стремятся свести колебательные процессы во впускной и выпускной камерах к минимуму, погрешностями, вносимыми в модель данным допущением, можно пренебречь. 2. Частота вращения вала - постоянна. В реальных условиях постоянство угловой скорости вращения обеспечивается выбором маховика с заданным маховым моментом. 3. Истечение газа через существующие каналы адиабатное. Отклонение реальных процессов истечения через впускные и выпускные окна, а также через неплотности уплотнительных узлов от адиабатного незначительно. Это обусловлено скоротечностью массообменных процессов. 4. Теплообмен газа со стенками рабочей камеры конвективный и описывается формулой Ньютона при идентичности коэффициентов теплоотдачи на всех поверхностях рассматриваемой полости. Модель ступени формально описывается замкнутой системой уравнений с одной независимой переменной, в качестве которой принято изменение угла поворота коленчатого вала d(p. Состояние газа в любой из рабочих камер детандерной ступени с поршнем двойного действия (А или Б) полностью определяют 2 параметра: удельный объем 39 и энтропия s9, определение которых рассмотрено ниже.

Расчетная схема Обобщенная расчетная схема представлена на рис. 2.1. В общем случае рабочая полость (РП) ступени расположена между двумя соосно движущимися поршнями (Ш и П2), которые (один или оба) могут быть связаны с общим кривошипно-шатунным механизмом, допускающим возможность сдвига перемещения поршней по фазе на угол ц/. Система газораспределения может быть выполнена в клапанном, бесклапанном (золотниковом) или комбинированном исполнении и нарис. 2.1. не показана. При конкретных значениях D\, D2, d, q и у/ представленная расчетная схема трансформируется и может соответствовать любой из поршневых машин.

Этап 1. Одноклапанное газораспределение. Изменение предварительного натяга пружин

Создание новых и модернизация существующих конструкций машин объёмного действия должны опираться на глубокое знание протекающих в рабочих камерах физических процессов. Теоретическое решение данной задачи в общей постановке практически невозможно ввиду сложности учета взаимосвязи рабочих процессов. Чисто экспериментальное исследование образцов новой техники весьма трудоёмко, а получаемые при этом результаты, как правило, трудно распространить на объекты, конструктивно отличающиеся от исследованного по геометрическим параметрам и режиму работы. Серьезным недостатком экспериментального исследования следует также считать невозможность разделения различных факторов (например, не герметичность рабочей камеры и теплообмен газа с окружающими стенками) комплексно влияющих на интегральные параметры исследуемого объекта.

В связи с вышесказанным, в настоящей работе предусматривается сочетание расчетно-теоретического и экспериментального методов исследования. Такой подход позволяет наряду с получением объективных данных по интегральным показателям детандерной ступени глубже понять физическую сторону рабочих процессов.

В данной работе предполагалось проведение натурных испытаний детандерной ступени с целью подтверждения данных, полученных в ходе расчетно-теоретического анализа с использованием модернизированной математической модели и программы расчета (см. разделы 2 и 4). Были запланированы следующие испытания:

Этап 1. Прямоточная детандерная ступень с одноклапанным газораспределением. На данном этапе проведен эксперимент при изменении величины предварительного натяга пружин клапанов.

Прямоточная детандерная ступень, оснащенная модернизированными впускными клапанами с толкателями [66]. Необходимо рассмотреть одно- и двухклапанное газораспределение прямоточной детандернои ступени при изменении величины мертвого пространства ступени.

Для реализации поставленной цели был модернизирован экспериментальный стенд, смонтированный в лаборатории кафедры "Криогенная техника" СПбГУНиПТ.

В состав экспериментального стенда входит детандер-компрессорный агрегат ДКА20-7/1С, блок осушки газа ОСВ-3000, вспомогательная арматура и комплекс КИП.

Детандер-компрессорный агрегат ДКА20-7/1С Детандер-компрессорный агрегат [11] (см. рис. 3.1) выполнен на 3-х рядной Ш-образной базе с допустимым газовым усилием по рядам не более 0.25 т, смонтирован на раме, опорная часть которой устанавливается на фундамент посредством виброопор. Приводом агрегата является асинхронный двигатель с номинальной мощностью 5 кВт установленный соосно с валом ДКА.

В вертикальном ряду агрегата смонтирована детандерная ступень, поршень которой унифицирован с поршнем 2-й ступени сжатия и отличается лишь числом и расположением уплотнительных колец. При ходе поршней 45 мм и номинальной частоте вращения вала 1500 об/мин величина средней скорости поршня равна 2.25 м/с. Режимные параметры агрегата приведены в таблице 3.1.

В боковых рядах агрегата размещены 1-я и 2-я ступени сжатия компрессорного блока. Компрессорные ступени агрегата укомплектованы комбинированными кольцевыми клапанами, заимствованными от компрессора ЭКПВ 15/150; клапаны детандернои ступени - самодействующие нормально-открытые. Отличительной особенностью детандер-компрессорного агрегата является отсутствие жидкостной смазки цилиндров и элементов механизма движения. Вал агрегата монтируется на подшипниках качения. Нижняя головка шатунов неразъёмная с запрессованными подшипниками качения; в верхней головке шатунов применены игольчатые подшипники. Все подшипники смазываются консистентной смазкой. Рабочий цилиндр детандернои ступени агрегата теплоизолирован от картера и впускной полости посредством проставок из стеклотекстолита, а относительно окружающей среды - слоем внутренней теплоизоляции. Предусмотрены три варианта системы газораспределения детандерной ступени агрегата (см. рис. 3.2): 1. Ступень прямоточная одноклапанная - с размещением впускных клапанов на торцевой крышке цилиндра. В нижней части цилиндра выполнены окна круглого сечения, перекрываемые движущимся поршнем. Окна открываются в момент окончания процесса расширения, что способствует интенсивному снижению давления в цилиндре рч (процесс выхлопа) до конечного давления рк за детандером. Расширившийся в процессе выхлопа газ поступает в выхлопную ёмкость и далее к потребителю. 2. Ступень двухклапанная с золотником на выхлопе - с комбинацией впускных и выпускных клапанов при сохранении прочих конструктивных особенностей без изменения. Выпускные клапаны располагаются на периферии торцевой крышки цилиндра. 3. Ступень одно- и двухклапанная с золотником на выхлопе с модернизированным впускным клапаном - с комбинацией впускных и выпускных клапанов. Выпускные клапаны располагаются на периферии торцевой крышки цилиндра. Впускные клапаны модернизированы: оснащены толкателем [66].

Влияние температуры стенок рабочей камеры на интенсивность процессов теплообмена

В машинах объёмного действия высокой производительности с целью снижения газовых и инерционных нагрузок по рядам, амплитуды колебательных процессов в полостях, граничащих с цилиндром, и ограничения внешних утечек рабочего вещества применяют ступени с поршнем двойного действия [4]. Поршень ступеней подобного типа через шток определенного диаметра соединяется с крейцкопфом, который через шатун связан с вращающимся валом.

В цилиндре детандерной ступени такой конструкции образуются две полости, рабочие циклы в которых сдвинуты по фазе на угол 180. Наличие штока предопределяет неравенство активных площадей поршня F в передней (А) и задней (Б, ближней к валу) полостях детандерной ступени (см. рис. 4.1). Различие в величинах F A(ri) нарастает по мере снижения диаметра цилиндра и увеличения действующих нагрузок по рядам, что в наибольшей степени проявляется в детандерных ступенях высокого давления.

Вследствие различий в величинах лда рабочие объёмы передней и задней полостей детандерной ступени V/, становятся неодинаковыми и в случае комплектации их идентичными органами газораспределения возникает заметная разница в величинах относительных мертвых пространств по полостям, в скоростях течения газа через открытые клапаны, в условиях теплообмена газа с поверхностями рабочих камер и т.д., что в конечном итоге приводит к существенным различиям отдельных процессов, рабочих циклов в полостях А и Б в целом и интегральных показателей детандера.

В связи с вышеизложенным, была поставлена задача проведения расчетного анализа работы детандерной ступени с поршнем двойного действия и получения практических рекомендаций по конструированию ступеней подобного типа. Критерием целесообразности использования полученных при анализе рекомендаций является обеспечение идентичности рабочих процессов протекающих в передней и задней полостях ступени.

В качестве объекта исследования был принят отдельный ряд многорядного детандер-генераторного агрегата ДГА300-4000-26/2-(6М2.5М), выполненного на 6-ти рядной оппозитной базе с усилием по рядам Рб 2,5т при ходе поршня S„ = 80 мм и частоте вращения вала п = 1500 об/мин.

При эксплуатации детандер-генераторного агрегата используется сжатый природный газ, поступающий от магистрального газопровода при давлении 3,0 МПа и температуре + 10С. ДГА предназначен для эффективного использования (утилизации) энергии сжатого природного газа безвозвратно теряемой в процессе дросселирования на газораспределительных пунктах. В рассматриваемом случае ДГА служит для подачи природного газа в отопительные устройства ТЭЦ при строго 120 фиксированном давлении, полезного преобразования энергии сжатого газа в электрическую энергию и возврата газа в магистральный трубопровод с пониженным давлением при температуре примерно 10С. В соответствии с указанными требованиями исследуемая детандерная ступень имела следующие расчетные параметры: - начальное давление р„ = 2,6 МПа, начальная температура Тн 416К; -конечное давление рк = 0,2"005МПа; конечная температура Тк 283К. Исследуемая детандерная ступень укомплектована самодействующими впускными клапанами, в конструкции которых предусмотрен толкатель, обеспечивающий работоспособность ступени как на номинальном, так и на нерасчетных режимах в любом диапазоне начальных и конечных параметров. Расчетный анализ работы детандерной ступени проводился на основе математической модели реализованной для практического применения в виде модернизированной программы, учитывающей взаимосвязь осуществляемого рабочего цикла и особенностей конструктивного исполнения ступени. Основные уравнения математической модели приведены в разделе 2. По результатам расчетного анализа исследователь располагает выходной информацией в виде текущих и интегральных параметров ступени, на базе которых имеется возможность оценки совершенства рассматриваемого варианта исполнения детандерной ступени. Программой расчетного анализа предусматривались следующие этапы: 1. Сравнительный анализ работы полостей А и Б детандерной ступени в исходном варианте исполнения. На основании полученных результатов делаются выводы по конструктивному изменению элементов ступени с целью достижения примерно одинаковых рабочих циклов, массовых расходов газа и конечной температуре газа на выходе из детандерной ступени. Анализируются возможные варианты достижения поставленной цели. 2. Анализ работы полости Б детандерной ступени при переменном натяге клапанных пружин. 3. Анализ работы полости Б детандерной ступени при фактическом мертвом пространстве. 4. Анализ работы полости Б детандерной ступени при одновременном изменении мертвого пространства и натяга клапанных пружин. Результаты расчетного анализа представлены в виде рисунков и таблиц, приведенных ниже. Дается сравнение текущих и интегральных показателей.

Похожие диссертации на Совершенствование методов расчета и конструктивных элементов детандерных ступеней с поршнем двойного действия

Рабочий процесс и оптимизация конструкции самовсасывающего насоса с жидким поршнем многократного действия Васильев Валерий Николаевич

Усовершенствованный метод расчета герметичного компрессора с использованием ограниченного количества испытаний на новом хладагенте-диметиловом эфиреМинашкин Михаил Григорьевич

Разработка метода расчета радиальных упругогазодинамических подшипников с предварительно напряженными лепестками для малых турбомашин низкотемпературных установокЗвонарев Павел Николаевич

Разработка метода расчета гидравлического сопротивления насадки регенераторовПронин Владислав Константинович

Методы расчета и анализ эффективности комбинированных компрессионно-термоэлектрических систем охлаждения и термостатированияБогомолов Иван Николаевич

Развитие теории, методов расчета и оптимального проектирования поршневых компрессорных и расширительных машинПрилуцкий Андрей Игоревич

Разработка метода расчета и исследование характеристик газовых подвесов поршней холодильных компрессоровТищенко Игорь Валерьевич

Методы расчета тепловых процессов в стационарном переключающемся регенеративном теплоутилизатореВасильев, Владимир Анатольевич

Расчет термогазодинамических процессов и определение к.п.д. холодильного центробежного компрессора, сжимающего реальные рабочие вещества, методом обобщенной политропыПопов Андрей Александрович

Совершенствование метода расчета элементов крепления перевозимого груза при симметричном его размещении на вагоне от действия поперечных силЗачешигрива Марина Александровна