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

Поршневые детандеры до настоящего времени широко применяются в криогенной технике и являются одним из основных технологических агрегатов, определяющих эффективность и надёжность работы криогенных установок малой производительности.

К основным недостаткам существующих поршневых детандеров следует отнести их высокие удельные массогабаритные показатели, что обусловлено ориентацией на применение принудительной системы газораспределения, стабильность и надежность которой гарантируются лишь при ограниченной частоте вращения вала. В то же время поршневые детандеры обладают тем преимуществом, что в качестве тормоза допускают применение стандартных двигателей-генераторов с частотой вращения вала в пределах п < 3000 об/мин и позволяют полезно использовать вырабатываемую механическую энергию.

Анализ работ, выполненных за последнее время, показывает, что наиболее прогрессивным направлением совершенствования поршневых детандеров является унификация по базам с современными высокооборотными поршневыми компрессорами и переход на ступени с поршнем двойного действия, укомплектованные самодействующими клапанами и золотником на выхлопе. Подобный подход позволяет создавать не только воздушные, но и газовые поршневые детандеры различного назначения с повышенной производительностью и гарантирует резкое снижение их удельных массогабаритных показателей.

Анализируя современные тенденции, можно отметить все более широкое использование установок, утилизирующих энергию сжатого природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) магистральных газопроводов и выполняющих функции газового двигателя — источника механической энергии, так называемые детандер-генераторные агрегаты (ДГА). В связи с исторически сложившейся высокой степенью газификации промышленного производства в России, потенциал возможного энергосбережения при внедрении ДГА достаточно высок. Наряду с выработкой электроэнергии использование ДГА позволяет полезно использовать теплоту различных температурных уровней: высокотемпературных для теплоснабжения и низкотемпературных для создания холодильных установок и систем кондиционирования. Важным преимуществом детандер-генераторных агрегатов в составе ГРС является возможность получения сжиженного природного газа (СПГ). В настоящее время природный газ используется в качестве энергоносителя на крупных промышленных предприятиях, как сырье в химической промышленности, при снабжении населения и промышленных объектов экологически чистым топливом.

Учитывая, что создание ДГА целесообразно только в области средних и больших расходов газа основное внимание в настоящей работе автор уделяет исследованию детандерных ступеней с поршнем двойного действия, спроектированных на освоенных оппозитных компрессорных базах.

Включение ДГА в состав газораспределительных станций (ГРС) и газораспределительных пунктов (ГРП) связано с необходимостью стабилизации работы агрегата в широком диапазоне рабочих параметров. С учетом данного обстоятельства в конструкции детандерных ступеней следует предусматривать элементы, обеспечивающие работоспособность агрегата на режимах отличных от номинального.

Создание прогрессивных конструкций поршневых детандеров с улучшенными, теоретически обоснованными и подтвержденными натурным экспериментом технико-экономическими показателями неразрывно связано с разработкой более совершенных методов расчета. Они должны основываться на комплексном описании сущности протекающих в ступени детандера физических процессов и учете их взаимосвязи с конструктивными параметрами элементов ступени, режимом её работы и свойствами реального рабочего вещества.

Прикладная программа расчета, создаваемая на базе математической модели, должна быть проста при использовании и обеспечивать достоверную информацию о текущих и интегральных параметрах ступени детандера в объёме достаточном для обоснования оптимального (из ряда возможных) варианта объекта исследования на стадии проектирования.

Основные положения настоящей работы, отличающиеся, по мнению автора, новизной и практической значимостью, можно сформулировать в следующем виде:

1. Усовершенствованная математическая модель рабочих процессов в прямой и обратной полостях детандерной ступени с поршнем двойного действия учитывающая:

— реальные свойства рабочего вещества;

— целесообразность анализа работы ступени детандера на основе расчетных циклов в координатах р — V, Т — s и h — m с дифференцированной оценкой количества подводимой к газу (отводимой от газа) теплоты и интенсивности процессов переноса массы на любом участке рабочего цикла;

— особенности динамики подвижных элементов самодействующих впускных клапанов укомплектованных толкателем, наличие которого обеспечивает принудительное открытие клапана в конце процесса обратного сжатия независимо от соотношения давлений газа в цилиндре и впускной камере;

— многорядное исполнение выхлопных окон различной формы с заданным суммарным проходным сечением, способствующее снижению осевого размера каждого из окон и, как следствие, уменьшению интенсивности износа поршневых колец;

— особенности рабочих процессов в межкольцевых объёмах уплотнительного узла поршня двойного действия, разделяющего переднюю и заднюю полости цилиндра, рабочие циклы в которых смещены на угол поворота вала (р = 180°.

2. Разработка, создание и натурные испытания опытного образца ступени детандера с самодействующими клапанами сферического типа, содержащими толкатели в седле. Результаты контрольных испытаний подтвердили стабильность работы детандера в широком диапазоне режимных параметров и адекватность используемой при анализе математической модели. и.

3. Результаты численного эксперимента, позволившие:

— показать превалирующее влияние на изменение параметров газа в ступени высокооборотных детандеров в процессах расширения и сжатия не герметичности клапанов и уплотнительных узлов поршня;

— установить качественные и количественные закономерности интенсивности теплообмена газа со стенками рабочей камеры в течение цикла в функции от геометрических размеров цилиндра, отношения давлений в ступени, частоты вращения вала, температуры стенок цилиндра, продолжительности процессов наполнения-выхлопа-вытеснения и других факторов;

— увеличить долговечность работы элементов уплотнения поршня за счет разгрузки первого и последнего кольца уплотнительного узла;

— предложить способ изменения расхода газа в ступени низкого давления обеспечивающий постоянство конечной температуры за детандером;

— получить комплексную информацию о работе детандерной ступени с поршнем двойного действия необходимую при предварительном расчете вновь проектируемых детандеров различного назначения и исполнения.

4. Основы проектирования и оптимизации конструкции детандерных ступеней с поршнем двойного действия на стадии поверочного расчета с помощью прикладной программы. Суть оптимизации заключается в поиске и обосновании такого сочетания геометрических параметров элементов ступени, при которых обеспечивается идентичность рабочих циклов в прямой и обратной полостях ступени и равенство температур газа на выходе.

5. Анализ напряжений и деформаций элементов самодействующих клапанов поршневых детандеров на основе метода конечных элементов с применением программного комплекса АК8У8 при заданных перепадах давлений в ступени, по результатам которого делается заключение о надежности работы спроектированного детандера.

В процессе работы над диссертацией опубликовано 6 печатных трудов, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Отдельные методические разработки используются в учебном процессе СПбГУНиПТ при изучении ряда специальных курсов («Машины низкотемпературной техники», «Расширительные машины» и др.), при дипломном и курсовом проектировании и в научно-исследовательской работе студентов кафедры «Криогенная техника».

При участии автора выпущены следующие методические указания:

1. Компрессорные машины Машины низкотемпературной техники. Методические указания к лабораторным работам № 1 и № 2 для студентов направлений 140 400, 140 500 всех форм обучения.

2. Расширительные машины. Методические указания к лабораторным работам для студентов направления 140 500 всех форм обучения.

3. Программа КОМДЕТ (инструкция пользователю).

Методические указания к практическим занятиям по дисциплинам «Машины низкотемпературной техники», «Компрессорные машины», «Расширительные машины» для студентов направлений 140 400, 140 500 всех форм обучения.

Результаты выполненной работы докладывались на ряде международных научно-технических конференциях и конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУНиПТ.

2. Результаты работы полостей, А и Б при различном натяге клапанных пружин показаны на рис. 4.3 и в таблице 4.2, из которых следует, что при сохранении неизменного натяга в полости, А равного 3 мм и его уменьшение в полости Б до 2,7 мм обеспечивает примерное равенство расходов газа и конечных температур в обеих полостях детандерной ступени.

Заключение

.

Обобщая результаты работы, можно отметить следующее: 1. Усовершенствована математическая модель расчета машин объемного действия. Новизна модели заключается в следующем:

— учитываются реальные свойства рабочего вещества, что позволило проводить расширенный анализ работы ступени детандера на основе расчетных циклов в координатах р — V, Т — s и h — m с дифференцированной оценкой количества подводимой к газу (отводимой от газа) теплоты и интенсивности процессов переноса массы на любом участке рабочего цикла;

— в модели учитываются особенности динамики подвижных элементов самодействующих впускных клапанов укомплектованных толкателем, наличие которого обеспечивает принудительное открытие клапана в конце процесса обратного сжатия независимо от соотношения давлений газа в цилиндре и впускной камере;

— моделируется процесс истечения газа из цилиндра через многорядные выхлопные окна различной конфигурации с наперед заданным суммарным проходным сечением и их расположением относительно ВМТ;

— учитываются особенности рабочих процессов в межкольцевых объёмах уплотнительного узла поршня двойного действия, разделяющего переднюю и заднюю полости цилиндра, рабочие циклы в которых смещены на (р = 180°;

— расширен объем выходной информации, в качестве которой 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 полное представление о работе детандера.

2. На базе модернизированной детандерной ступени, укомплектованной сферическими клапанами с толкателем в седле, проведены натурные испытания детандера с однои двухклапанной системой газораспределения, в ходе которых записаны и обработаны экспериментальные индикаторные диаграммы. Путем сравнения расчетных и экспериментальных индикаторных диаграмм, соответствующих различным режимам работы детандера, подтверждена адекватность созданной математической модели.

3. По результатам численного эксперимента сделаны следующие выводы:

— показано превалирующее влияние на изменение параметров газа в ступени высокооборотных детандеров в процессах расширения и сжатия не герметичности клапанов и уплотнительных узлов поршня;

— установлены качественные закономерности и количественные соотношения, характеризующие интенсивность теплообмена газа со стенками рабочей камеры на различных участках цикла в функции от геометрических размеров цилиндра, отношения давлений в ступени, частоты вращения вала, температуры стенок цилиндра, продолжительности процессов наполнения-выхлопа-вытеснения и других факторов;

— показана возможность повышения долговечности элементов уплотнения поршня за счет разгрузки первого и последнего кольца уплотнительного узла;

— предложен способ изменения расхода газа в ступени низкого давления обеспечивающий постоянство конечной температуры за детандером;

— получена комплексная информация о работе детандерной ступени с поршнем двойного действия, использование которой позволяет более обоснованно выполнять предварительный термодинамический расчет вновь создаваемых детандеров различного назначения и исполнения.

4. Заложены основы расчета и оптимального проектирования ступеней детандеров с поршнем двойного действия. В частности, рекомендуется:

— выбор максимально возможного диаметра цилиндра в функции от номинального усилия принятой для проектирования стандартной базы;

— использование впускных клапанов со встроенными толкателями, обеспечивающими стабильную работу детандера на режимах, отличающихся от номинального (расчетного);

— использование методики оптимального проектирования ступени детандера с поршнем двойного действия при конструктивно одинаковых клапанах в передней и задней полостях ступени. Суть методики сводится к поиску и обоснованию такого сочетания геометрических параметров элементов ступени, при которых обеспечивается идентичность рабочих циклов в прямой и обратной полостях ступени и равенство конечных температур газа на выходе обеих полостей. Для этого, в качестве рационального технического решения, предлагается снижать предварительный натяг пружин клапанов, устанавливаемых в обратной полости цилиндра;

— при проектировании уплотнительного узла поршня двойного действия на части уплотнительных колец следует предусматривать радиальные разгрузочные каналы с целью обеспечения примерного равенства средних перепадов давлений на кольцах и их равномерного износа во времени.

— предложен способ изменения производительности высокооборотных детандеров с двухклапанным газораспределением, при котором конечная температура газа на выходе детандера остается постоянной.

5. Результатом анализа напряженно деформированного состояния элементов самодействующих клапанов является подтверждение работоспособности пластин и седел кольцевых и сферических клапанов при заданных на стадии проектирования перепадах давления.

6. Разработанные методики реализованы в виде прикладной программы расчета КОМДЕТ-М, используемой сотрудниками кафедры «Криогенная техника» СПбГУНиПТ при выполнении НИиОКР и студентами в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных работ.

По мнению автора, поставленные перед началом работы над диссертацией задачи, решены полностью.