Разработка и создание поршневых компрессорных и расширительных машин с сухим картером

3.2. О деформации неметаллических уплотнительных колец.120.

3.3. Обоснование текущего зазора в закрытых клапанах МОД.125.

3.4. Упругая характеристика клапанных пружин и механического демпферного устройства.129.

3.5. Газодинамические коэффициенты нормально-открытых клапанов.133.

3.6. Течение газа в рабочей камере детандерной ступени.145.

3.7.

Заключение

147.

4. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ.

РАБОТЫ ОДНОСТУПЕНЧАТЫХ ДЕТАНДЕРОВ 148.

4Л.

Введение

.:.148.

4.2. Бесклапанные поршневые детандеры.149.

4.2.1. Работа ступени детандера при рн?*сот1.149.

4.2.2. Работа детандера при Тн:>?соп$ 1.151.

4.2.3. Комплексное влияние начальных параметров газа.154.

4.2.4. Работа ступени детандера при переменном мертвом пространстве.157.

4.2.5. Работа ступени детандера при переменном объеме цилиндра.159.

4.2.6. Работа ступени детандера при переменной частоте вращения вала.164.

4.2.7.

Заключение

166.

4.3. Прямоточные поршневые детандеры.170.

4.3.1.

Введение

170.

4.3.2. Расчетные параметры опытного образца детандера.172.

4.3.3. Работа детандера при переменной частоте вращения вала.180.

4.3.4. Воздушные поршневые детандеры для экологически чистых установок умеренного холода.184.

4.3.5. Рациональное число и форма выхлопных окон.189.

4.3.6. Рациональная величина относительного мертвого пространства ступени.193.

4.3.7. К вопросу минимизации размеров впускного клапана.195.

4.3.8. Влияние масштабного фактора на эффективность и тепловое состояние ступени детандера.197.

4.4. Поршневые детандеры с двухклапанным газораспределением.206.

4.4.1. Влияние конструктивных параметров механизма движения на работу детандера.206.

4.4.2. Пусковые режимы детандера.210.

4.4.3. Влияние газодинамических характеристик клапанов на работу ступени.216.

4.4.4. Рациональное соотношение S/D в ступени.220.

4.4.5. Работа ступени при переменном начальном давлении.225.

4.4.6. Влияние процессов теплообмена на работу ступени детандера.228.

4.4.7. Оптимизация конструкции самодействующих клапанов.237.

4.5. Сравнительный анализ рабочих циклов.243.

4.6. Регулирование расхода газа многорядных одноступенчатых детандеров.246.

5. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ ДВУХСТУПЕНЧАТЫХ ДЕТАНДЕРОВ.255.

5.1.

Введение

255.

5.2. Теоретические предпосылки осуществления двухступенчатого расширения.256.

5.3. Использование двухступенчатых поршневых детандеров.259.

5.4. Анализ работы однорядных двухступенчатых детандеров.261.

5.4.1. Сравнительная опенка методик расчета.262.

5.4.2. Модификации однорядного двухступенчатого детандера.267.

5.4.3. Соотношение рабочих объемов ступени.283.

5.4.4. Оптимизация объема межступенчатой коммуникации.289.

5.5. Анализ работы многорядных двухступенчатых детандеров.299.

5.5.1. Возможные кинематические схемы.

Оптимальный фазовый угол.299.

5.5.2. Прогноз параметров унифицированного двухступенчатого детандера.309.

5.5.3. Работа двухступенчатого детандера при переменных параметрах газа на входе.318.

5.5.4. Пусковые режимы.328.

5.5.5.

Заключение

333.

6. НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ КОМПРЕССОРОВ И ДЕТАНДЕРОВ.

УНИФИКАЦИЯ МАШИН В ПРОИЗВОДСТВЕ.334.

6.1. Цель и задачи эксперимента.334.

6.2. Заводские испытания базового компрессора с сухим картером.334.

6.3. Предварительные испытания многорядного детандера в сухом исполнении.347.

6.4. Контрольные теплотехнические испытания детандера.351.

6.5. Унифицированный ряд компрессоров и детандеров ОАО «Компрессор».357.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

360.

ЛИТЕРАТУРА

364.

ПРИЛОЖЕНИЯ.374.

Условные обозначения, а — относительное мертвое пространствоС — относительный ход поршняс — мгновенная скорость поршня, м/ссп — средняя скорость поршня, м/сспр — жесткость пружины, Н/м;

1) — диаметр цилиндра, м;

1С — диаметр седла клапана, м;

Оэ — эквивалентный диаметр, м;

Е — энергия, переносимая с массой вещества, ДжЛ модуль упругости, Н/м — Н — высота перемещения пластины клапана, мэнтальпия, Дж/кгН0 — предварительный натяг пружины, мк — показатель адиабатыЬ — работа, Дж;

М — критерий скорости потокатпл — масса запорного органа клапана, кгт — массовый расход, кг/сN — мощность, Втр — абсолютное давление газа, Па- <2 — количество теплоты, Вт- 0о — холодопроизводительность, ВтЯ ~ газовая постоянная, Дж/(кг ¦ К) — г — радиус кривошипа, м- - ход поршня, м- - энтропия, Дж/(кг • К);

Т — абсолютная температура газа, К;

U — внутренняя энергия, Дж;

V — объемный расход, м3/с;

Vh — объем, описываемый поршнем, м3;

W — скорость движения пластины клапана, м/ст7 — КПД;

F — сила, Нр — угол поворота коленчатого вала, градЛ — коэффициент подачикоэффициент теплопроводностиЛд — коэффициент давления;

Лт — температурный коэффициент;

Хш — относительная длина шатунац — коэффициент расхода местного сопротивления;

П — отношение давленийт — время, ср — плотность, кг/м3- рд — коэффициент давления потока газасо — угловая скорость вращения коленчатого вала, рад/с.

Индексы:

МАХ — максимальный;

MIN — минимальный;

5 — изоэнтропныйр — величина, зависящая от (р вх~ входнойвых — выходной;

К — параметры на выходе из детандера (конечные) — я — параметры на входе в детандер (начальные) — относящийся к направляющим кольцам;

ВС — параметры на всасывании компрессора (ступени) — ягпараметры на нагнетании компрессора (ступени) — кл — клапан;

ОПТ — оптимальный;

С — седлос Ж — сжатие;

СР — средний;

Т — температурныйт — теоретический;

ТР — трениец — цилиндрш — шатуншт — штокщ — щель клапана.

Аббревиатуры:

ВМТ — верхняя мертвая точкаНМТ — нижняя мертвая точкаВРУ — воздухоразделительная установкаМОД — машины объемного действияВХМ — воздушная холодильная машинаДНД — детандер низкого давленияДСД — детандер среднего давленияДВД — детандер высокого давленияКПД — коэффициент полезного действия.

Современный этап создания новой техники характеризуется повышением роли науки, направленной на разработку методов расчета и оптимального проектирования и их практического применения с целью сокращения объема натурного эксперимента при доводке опытных образцов машин нового поколения.

Широкое использование в различных отраслях народного хозяйства сжатых газов, различных по составу и параметрам, основано на применении компрессорных и расширительных машин. По существующим оценкам до 15% вырабатываемой электроэнергии тратится на привод компрессоров. При этом на долю поршневых компрессоров приходится до 60% от указанной величины. Применение расширительных машин способствует возврату мощности в диапазоне 5−30% от затраченной при сжатии.

Наиболее массовым представителем поршневых компрессоров являются высокооборотные компрессоры малой производительности (до 0.1 м /с). Они составляют более 70% от выпуска компрессоров всех типов и наиболее часто используются в различных отраслях народного хозяйства.

Компрессорные и расширительные машины составляют основу криогенных и холодильных установок. От их совершенства в первую очередь зависит эффективность работы установки в целом.

В свете сказанного создание и внедрение в производство компрессорных и расширительных машин с улучшенными технико-экономическими показателями на основе их предварительного теоретического обоснования следует отнести к одному из важнейших направлений развития современной науки и техники.

Анализируя современные тенденции, можно отметить, что для повышения качества машин и снижения себестоимости их изготовления целесообразно идти по пути применения отработанных баз унифицированных для компрессорных и расширительных машин. Такой подход позволяет при сохранении двигателя с постоянной мощностью и частотой вращения вала создавать параметрические ряды машин с различными техническими параметрами. Унификация компрессоров и детандеров по цилиндро-поршневым группам в еще большей степени способствует снижению затрат в производстве.

Известно, что эффективность машин объемного действия снижается по мере уменьшения их мощности (холодопроизводительности). Исходя из этого, применительно к малорасходным машинам особое внимание следует уделять совершенству органов газораспределения и уплотнительных элементов поршневых групп. В условиях отсутствия смазки при повышенной частоте вращения вала отработка данных узлов наряду с элементами механизма движения становится первостепенной и определяет работоспособность и технический уровень конструкции в целом.

Одним из важнейших показателей вновь создаваемых машин является их удельная металлоемкость и габаритные размеры. Для их снижения идут по пути повышения частоты вращения вала и применения многорядных баз. Данный подход освоен в отрасли компрессоростроения. Однако при разработке детандеров он до сих пор не применялся из-за трудностей конструктивного исполнения существовавших систем газораспределения. В связи с этим при разработке унифицированных поршневых детандеров автор ориентируется на применение нормально-открытых самодействующих клапанов, хорошо зарекомендовавших себя в составе однорядных детандеров высокого давления. Вместе с тем в ряде специфических конструкций предусматривается комбинация клапанного и бесклапанного газораспределения.

Учитывая специфику предприятия, на котором осуществлялись изложенные ниже разработки, основным объектом исследования, выполненного автором, являются малорасходные поршневые компрессоры и детандеры с «сухим» картером или машины без смазки цилиндров, но при наличии циркуляционной системы смазки механизма движения.

Комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ выполнялся автором в соответствии со следующими программными документами:

1. Программа конверсии ОАО «Компрессор».

2. Основные направления развития отрасли компрессоростроения в период до 2000 года (доклад ГКНТ).

3. Проект программы «Промышленный холод».

4. Основные направления работ по программе Международной академии холода (МАХ).

5. Рекомендации международных и всероссийских конференций по компрессорной, холодильной и криогенной технике.

До комплексных исследований, выполненных под руководством и непосредственном участии автора, имелись лишь отдельные разработки, связанные с созданием многорядных компрессоров в сухом исполнении. Аналогичные расширительные машины — детандеры в силу ряда технических причин вообще отсутствовали. Унификация компрессоров и детандеров ограничивалась, как правило, применением отдельных однотипных элементов. Низкий технический уровень детандеров объяснялся применением устаревших однорядных низкооборотных баз и неэффективных систем газораспределения. Существующие методы расчета и проектирования базировались на данных, полученных при экспериментальном исследовании морально устаревших конструкций со снятием, как правило, только интегральных характеристик, без раскрытия сущности протекающих в них физических процессов.

Сказанное позволяет считать актуальными вопросы, связанные с изучением основных физических процессов в детандерах нового поколения с принципиально новыми конструктивными элементами в условиях форсирования машин по частоте вращения вала и отсутствия смазки, разработку методов их расчета и рекомендаций по проектированию, что и составляет существо излагаемой ниже работы.

Отличительной особенностью данной работы является то, что созданию опытных образцов машин не имеющих аналогов предшествовал комплекс расчетных исследований и обоснования варианта конструкции близкой к оптимальной. На завершающей стадии создания опытные образцы прошли натурные испытания, позволившие оценить адекватность разработанных методик расчета и не учитываемые в них специфические факторы (тип материалов, особенности технологического характера и др.).

С учетом изложенного под руководством и при непосредственном участии автора выполнен комплекс НИиОКР, направленный на изучение основных физических процессов, определяющих эффективность работы поршневых компрессорных и расширительных машин, на разработку, апробирование и реализацию принципиально новых конструктивных решений узлов и систем, на разработку и внедрение в практику проектно-конструкторских организаций методов расчета и оптимизации конструкции компрессоров и детандеров нового поколения.

При выполнении работы традиционные методы исследования (теоретический, экспериментальный) сочетались с численным экспериментом на базе разработанной обобщенной математической модели рабочих процессов машин объемного действия.

Впервые непосредственно автором, под его руководством или при его участии выполнено исследование многорядных однои двухступенчатых поршневых детандеров с сухим картером. В процессе исследования варьировался комплекс параметров, характеризующих конструктивное исполнение детандера, режим его работы, внешние условия, колебательные процессы в межступенчатой коммуникации и т. д. Созданы и апробированы в условиях натурных испытаний различные типы самодействующих нормально-открытых клапанов (многокольцевые, сферические с механическим демпфером в седле и др.). оценена надежность работы поршневого (крейцкопфного) пальца в условиях предельных газовых нагрузок и отсутствия циркуляционной смазки.

Даны практические рекомендации по проектированию многорядных высокооборотных детандеров.

Обобщение результатов расчетных и экспериментальных исследований позволило внедрить в расчетную практику ОАО «Компрессор» современные методы расчета, основанные на применении ПЭВМ и предложить заказчикам автономные компрессорные установки и детандерные агрегаты сухого исполнения.

В процессе работы над диссертацией опубликовано .36 печатных трудов, получено.. авторских свидетельств, подготовлена технологическая база для производства малорасходных поршневых компрессоров и детандеров низкого и среднего давления в сухом исполнении, реализована программа рабочего проектирования с использованием компьютерной техники.

Автор выражает благодарность сотрудникам ОАО «Компрессор» Александрову Р. Б., Альперович СЛ., Ефремову A.A., Зотову Д. Ю., Сынгаевскому В. А., Френкелю М. М. и СПбГУН и ПТ Горбенко A. JL, Иванову Д. Н. и Молодовой Ю. И., принявшим участие на разных стадиях работы в выполнении предварительных расчетных и конструкторских разработок, подготовке и проведении экспериментальных исследований и в долговременной программе испытаний вновь разрабатываемых образцов машин объемного действия на долговечность и надежность, а также профессорско-преподавательскому составу кафедры «Криогенная техника» за методическую помощь и критический анализ работы в процессе её выполнения.

Результаты работы модернизированного варианта компрессора приведены в табл. 6.3 из которой следует:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основе обзора литературных данных состояния и тенденций развития отечественного и зарубежного машиностроения показано, что создание перспективных малорасходных компрессорных и расширительных машин неразрывно связано с появлением принципиально новых схемных решений и конструкций основных узлов, современных методов расчета и оптимального проектирования, с применением унифицированных базовых элементов, работающих как при наличии, так и при отсутствии смазки поршневых групп и механизма движения. При этом одним из приоритетных направлений следует признать применение многорядных баз без смазки механизма движения форсированных по частоте вращения вала, принципиально новых систем газораспределения, разработку и освоение на практике современных методов расчета и оптимального проектирования.

Исходя из этих положений были сформулированы научная и техническая проблемы, решаемые в рамках диссертационной работы.

2. Теоретически решена задача о деформации уплотнительных колец из неметаллических материалов, что позволило рекомендовать на перспективу создание усовершенствованной методики расчета протечек через узкие щели с переменной диффузорностью (конфузорностью) каналов.

3. Решен ряд прикладных задач направленных на повышение точности результатов расчета при использовании методов математического моделирования, а именно: экспериментальным путем получены эмпирические зависимости для коэффициентов давления и расхода клапанов со сферической тарелкой при наличии дополнительных решеток со стороны цилиндраобобщены данные по условным зазорам в щелях закрытых клапанов и уплотнительных узлов поршней при наличии и отсутствии смазкирекомендованы эмпирические зависимости, характеризующие упругие свойства механического демпфера в седле клапанана основе выполненного анализа рекомендована расчетная зависимость для коэффициента трения неметаллических поршневых колец с использованием прогрессивных на сегодняшний день материалов.

4. Создан методический и технический задел по расчету, конструированию и изготовлению машин объемного действия в условиях повышенной частоты вращения вала и отсутствия смазки поршневых групп и элементов механизма движения. В частности:

— разработана и апробирована инженерная методика расчета машин, позволяющая на стадии проектирования обосновать близкий к оптимальному вариант исполнения компрессора (детандера);

— разработана и апробирована обобщенная математическая модель рабочих процессов машин объемного действия ориентированная на современную вычислительную технику и учитывающая совокупность конструктивных параметров объекта исследования, режим его работы и взаимосвязь процессов в рабочих камерах ступеней и в межступенчатой коммуникации;

— оборудовано и укомплектовано подразделение компьютерной графики оперативно претворяющее результаты расчетного анализа вариантов вновь создаваемых машин в конкретную техническую документацию, что позволило резко сократить сроки проектных работ;

— освоена технология изготовления специфических узлов и деталей детандеров нового поколения;

— накоплен банк данных по унифицированным узлам и деталям компрессорных и расширительных машин со смазкой и без смазки механизма движения;

— разработан и испытан ряд компрессоров и детандеров с сухим картером, что позволило оценить надежность работы наиболее ответственных узлов (клапаны, шатунные подшипники и др.) в условиях предельных нагрузок при отсутствии циркуляционной смазки;

— отработаны порядок пуска и остановки детандеров с различными системами газораспределения;

— проанализированы возможные способы изменения расхода газа через детандер многорядного исполнения;

— разработан и испытан ряд газоплотных клапанов для оборудования газовых машин (водород, метан и др.).

Перечисленное позволяет утверждать, что создана база для быстрой реализации заказов по новой и нетрадиционной технике с использованием существующих и разработанных за последнее время высокооборотных многорядных баз.

5. Спланирован и выполнен обширный численный эксперимент, на основе которого:

— выявлены специфические особенности рабочих процессов в ступенях различного конструктивного исполнения и в коммуникации 2-х ступенчатых детандеров;

— проанализирована работа воздушных и газовых детандеров с различным конструктивными и режимными параметрами;

— выявлено влияние масштабного фактора на работу детандера.

6. На основе данных анализа получен ряд рекомендаций практического плана:

— рекомендованы перспективные схемные решения двухступенчатых детандеров, основанные на сочетании различных систем газораспределения на I и П ступенях, обеспечивающее минимальные массо-габаритные показатели детандера, надежность и эффективность его работы, минимизацию газовых усилий по рядам;

— обоснован оптимальный угол смещения рабочих циклов ступеней 4^=180°;

— даны рекомендации по соотношению объемов цилиндров I и II ступеней, а также по относительной величине объема промежуточной коммуникации;

— получена эмпирическая зависимость для задания предельной высоты перемещения пластин самодействующих клапанов детандеров в функции от частоты вращения вала, массы пластин, начального давления и других факторов;

— предложена целевая функция увязывающая эффективность и надежность.

363 разрабатываемой конструкции.

7. Созданы и реализованы для практических целей ряд устройств и экспериментальных стендов, на базе которых выполнен комплекс исследований отдельных узлов и макетных образцов разрабатываемых машин. Результаты эксперимента использованы при доводке макетных и опытных образцов компрессорных и расширительных машин.

8. Разработан и освоен в производстве типоразмерный ряд компрессоров и детандеров на унифицированных базах. Впервые в отечественной практике созданы многорядные высокооборотные поршневые детандеры низкого и среднего давления с сухим картером.

9. По мнению автора сформулированные в работе проблемы и задачи полностью выполнены.