Совершенствование поршневых детандер-компрессорных агрегатов

Создание прогрессивных образцов новой техники в современных условиях неразрывно связано с разработкой более совершенных методов расчета и их практического применения на стадии проектирования. Это позволяет выявить и глубже изучить особенности протекающих физических процессов, обосновать наиболее приемлемый вариант конструкции машины, сократить затраты на подготовку и проведение натурного эксперимента при модернизации существующих или доводке вновь создаваемых машин нового поколения и прогнозировать их технико-экономические показатели при работе на номинальном и не расчетных режимах.

Широкое использование в различных отраслях народного хозяйства сжатых газов, различных по составу и параметрам, немыслимо без применения компрессорных и расширительных машин. Они широко используются в различных технологических процессах и составляют основу криогенных и холодильных установок. От их совершенства в первую очередь зависит эффективность работы и надежность установки в целом. По существующим оценкам [58] до 15% вырабатываемой электроэнергии тратится на привод компрессоров. При этом на долю поршневых компрессоров приходится до 60% от указанной величины. Применение расширительных машин (детандеров), использующих предварительно сжатые в компрессорах газы, способствует возврату затраченной при сжатии мощности в диапазоне от 5 до 30%.

В свете сказанного разработку, создание и внедрение в производство прогрессивных конструкций компрессорных и расширительных машин с улучшенными, теоретически обоснованными и подтвержденными натурным экспериментом технико-экономическими показателями следует отнести к одному из важнейших направлений развития науки и техники.

Анализируя современные тенденции, можно отметить все более широкое использование в установках различного назначения детандер — компрессорных агрегатов (ДКА), представляющих собой совокупность однотипных по конструкции компрессорных и детандерных ступеней монтируемых на серийно выпускаемых многорядных базах. Такое конструктивное решение позволяет сократить сроки технологической подготовки новых машин к производству, снизить их удельные массо — габаритные показатели, уменьшить номенклатуру комплектующих узлов, повысить безопасность эксплуатации при сохранении показателей эффективности и надежности на современном уровне.

Учитывая тенденцию по снижению габаритных размеров и удельной металлоемкости вновь создаваемых машин, в качестве основного объекта исследования автором были выбраны высокооборотные малорасходные поршневые ДКА низкого давления. Такой подход позволил минимизировать затраты на разработку и изготовление комплектующих объекта исследований и проведение натурного эксперимента.

Известно, что эффективность машин объемного действия снижается по мере уменьшения их мощности (холодопроизводительности). Исходя из этого, в работе особое внимание уделяется развитию методик расчета, обеспечивающих раскрытие физической сущности протекающих в рабочих камерах ДКА газодинамических, тепловых и механических процессов и позволяющих получать на стадии проектирования более обоснованные рекомендации по оптимизации конструкции детандер-компрессорного агрегата и входящих в его состав сборочных единиц, узлов и элементов.

К основным методическим разработкам, изложенным в работе, относятся:

1. Апробирование прогрессивной (по мнению автора) методики расчета рабочих процессов в детандерных ступенях ДКА [32], учитывающей струйно-вихревой характер движения газа в цилиндре, впускной и выпускной полостях. Научная новизна и практическая значимость данной методики состоит в том, что на стадии проектирования появляется возможность получения и анализа дополнительной информации о полях локальных скоростей газа, давлений и температур в рабочем объеме цилиндра и примыкающих полостях.

2.Развитие методики расчета ленточных (полосовых) клапанов компрессорных ступеней ДКА. Новизна разработки состоит в корректировке взаимосвязи формы профиля жесткого ограничителя подъёма пластин клапана с величинами перемещения крайних и центральной точек клапанных пластин в динамике. Методика апробирована при расчете ленточных клапанов как при наличии, так и при отсутствии в конструкции клапана упругого ограничителя. 3. Совершенствование и апробирование методики расчета рабочих процессов в уплотнительных узлах поршней. Новизна разработки заключается в учете износа уплотнительных колец в процессе эксплуатации и связанных с этим изменений в работе компрессорных и детандерных ступеней.

Вторым направлением работы является создание опытного образца автономного малорасходного высокооборотного детандер-компрессорного агрегата на Ш — образной базе (ДКА20−10/1С) без смазки цилиндров и механизма движения унифицированного с компрессором специального назначения СКАВ 6, выпускаемым объединением ОАО «Компрессор».

Рабочему проектированию и изготовлению ДКА предшествовал расчетно-теоретический анализ ряда возможных вариантов исполнения компрессорных и детандерной ступеней агрегата, выполненный с использованием указанных выше методик расчета. Основное внимание при проведении численного эксперимента было уделено оптимизации конструкции ступеней агрегата, в основу которой закладывались требования обеспечения заданных техническими условиями на проектировании параметров агрегата и максимальной эффективности и надежности его работы.

В ходе численного эксперимента: 1. Рассмотрена целесообразность применения в составе детандерной ступени одно — и двухклапанной систем газораспределения, укомплектованных самодействующими клапанами, и обоснована наиболее приемлемая из них при создании детандеров с начальным давлением газа рн <1.0 МПа;

2.На модели изучено влияние геометрических размеров компрессорных и детандерных ступеней агрегата на эффективность его работы;

3.Установлена качественная и количественная взаимосвязь газодинамических и тепловых процессов в цилиндре детандерной ступени;

4.Выявлены особенности динамики газовых потоков в уплотнениях тронковых поршней различного конструктивного исполнения;

5.Найдены оптимальные геометрические параметры самодействующих клапанов компрессорных и детандерной ступеней, соответствующие номинальному режиму работы детандер-компрессорного агрегата.

Рёзультаты предварительного расчетного анализа использованы при рабочем проектировании ступеней опытного образца ДКА.

Третьим направлением работы является создание экспериментального стенда и проведение предварительных натурных испытаний детандерной ступени агрегата*. На этом этапе решались следующие задачи:

1.Регистрация текущих и интегральных параметров, соответствующих работе опытного образца агрегата на номинальном и нерасчетных режимах;

2.Сравнение результатов предварительного расчета с данными эксперимента;

3.Анализ теплового состояния основных теплообменных поверхностей детандерной ступени агрегата на основе экспериментальных данных;

4.Корректировка конструкции детандерной ступени с учетом полученных экспериментальных данных.

5.Обоснование адекватности разработанных математических моделей.

На завершающей стадии работы на конкретных примерах показаны возможности и целесообразность применения созданных методик расчета в расчетной практике организаций, связанных с разработкой (модернизацией), изготовлением и эксплуатацией компрессорных и расширительных машин.

Указанный комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ выполнялся в соответствии со следующими программными документами: 1. Основные направления работ по программе Международной академии холода (МАХ).

В виду ощутимых материальных затрат, в металле были изготовлены только база и детандерная ступень агрегата.

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

3. Программа ОАО «Газпром» — «Создание прогрессивных технологий и технических средств в области использования СПГ в качестве моторного топлива и энергоносителя на 1997 — 2005 гг.».

4. Программа «Холод без фреонов», предложенная Конгрессом МИХ.

5. Проект программы «Промышленный холод».

До комплексных исследований, выполненных автором или при его непосредственном участии, имелись лишь отдельные разработки, связанные с созданием поршневых детандер — компрессорных агрегатов [12,19,88,92,93, 95], имеющих общий механизм движения для привода поршней компрессорных и детандерных ступеней. Их можно разделить на две основные группы:

1.Детандерная ступень агрегата питается от внешнего источника сжатого газа, а компрессорная ступень в составе ДКА выполняет функцию «тормоза» [88].

2.Источником сжатого воздуха на входе в детандерную ступень агрегата является компрессорный модуль, состоящий из одной или нескольких компрессорных ступеней. В этом случае имеем дело с автономным детандеркомпрессорным агрегатом, рабочие параметры которого всецело определяются расходом и давлением газа на выходе из компрессорного модуля ДКА [11].

В настоящей работе основное внимание уделено детандер-компрессорным агрегатам второй группы. Автором выполнено разноплановое (численный анализ и натурный эксперимент) исследование автономного многорядного детандер-компрессорного агрегата с «сухим» картером. В результате получены сведения о тепловом состоянии элементов ряда детандерной ступени с поршнем дифференциального типа, о направлении тепловых потоков и их интенсивности, о целесообразности организации внутренней теплоизоляции выхлопной полости, введения водяного охлаждения направляющей дифференциального поршня (крейцкопфа ряда детандерной ступени) и установки теплоизоляторов между направляющей крейцкопфа и базой агрегата.

В процессе работы над диссертацией опубликовано 9 печатных трудов. Отдельные методические разработки внедрены в расчетную практику ряда проектных организаций и промышленных предприятий, а также 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».

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам ОАО «Компрессор» за участие в технической экспертизе сборочных и рабочих чертежей ДКА, в изготовлении и монтаже элементов экспериментального стенда и проведении предварительных испытаний опытного образца, а также профессорско-преподавательскому составу кафедры «Криогенная техника» за практические советы и конструктивную критику на различных этапах работы над диссертацией.

9.Результаты работы позволяют утверждать, что детандер-компрессорный агрегат ДКА20−10/1С и его модификации снабжены эффективной и надежной системой газораспределения, экологически безопасны и перспективны при использовании в качестве автономных источников холода с регулируемым расходом воздуха и его температуры у потребителя.

Ю.Разработанные методики реализованы в виде прикладных программ расчета, внедрены в ОАО «КОМПРЕССОР» и ООО «НИИХИММАШ» и используются в учебном процессе кафедры «Криогенная техника» СПбГУНиПТ.

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Обобщая результаты работы, можно отметить следующее:

1.Разработан автономный малорасходный экологически чистый поршневой детандер-компрессорный агрегат без смазки цилиндров и механизма движения. Опытный образец ДКА изготовлен на многорядной высокооборотной базе и унифицирован с серийными компрессорами ОАО «КОМПРЕССОР».

Предложен ряд модификаций опытного образца ДКА с повышенной холодопроизводительностью, работающих в диапазоне давлений 0.4 — 0.8 МПа при постоянном расходе газа через детандерную ступень и обеспечивающих температуру газа у потребителя в диапазоне от +5°С до -70°С.

На основе опыта, приобретенного при выполнении работы, обоснован параметрический ряд автономных малорасходных ДКА на унифицированных базах с частотой вращения вала п = 1500 об/мин с номинальным усилием по рядам от 0.25 до 1.6 т, освоенных на отечественных предприятиях.

2.При обосновании конструкций ДКА использован метод численного анализа, базирующийся на математических моделях различного уровня сложности, в сочетании с экспериментальной проверкой принятых конструктивных решений.

3.Усовершенствована математическая модель рабочих процессов детандерной и компрессорных ступеней, базирующаяся на допущении о механическом и термическом равновесии газа в пределах рабочей камеры переменного объёма.

Новизна модели заключается:

— В более корректном описании взаимосвязи геометрических параметров клапанов типа ЛУ, при котором принятый профиль жесткого ограничителя однозначно предопределяет предварительный натяг упругих элементов и перемещение крайних и центральной точек клапанных пластин в динамике.

— В формализации закономерностей изменения геометрических параметров уплотнительных элементов поршней в процессе эксплуатации, что позволяет прогнозировать интенсивность износа уплотнительных колец и изменения параметров, характеризующих работу детандер-компрессорного агрегата.

— В более корректном, основанном на результатах численного и натурного эксперимента, задании геометрических размеров каналов, разделяющих полости с различным давлением газа.

4.Апробирована модель, предполагающая струйно-вихревой характер движения газа в цилиндре детандерной ступени, т. е. учитывающая неравновесность параметров газа по оси и радиусу цилиндра в функции от угла поворота вала.

Научная новизна и практическая значимость данной методики состоит в том, что на стадии проектирования появляется возможность получения и анализа дополнительной, принципиально новой информации о полях локальных скоростей газа, давлений и температур в рабочем объеме цилиндра переменного во времени.

5.В ходе численного эксперимента выявлен ряд специфических особенностей физических процессов, протекающих в ступенях ДКА. В частности:

— Температурное поле газа в цилиндре детандерной ступени в процессах «выхлоп-вытеснение» неоднородно и представляет собой низкотемпературное «ядро» сложной конфигурации, окруженное более теплой оболочкой, толщина которой переменна во времени и зависит от типа ступени, режима её работы, способа подвода газа в цилиндр, геометрических размеров цилиндра, каналов в клапанах и выхлопных окнах, эффективности элементов теплоизоляции.

— Применение клапанов с минимальным газодинамическим сопротивлением не гарантирует существенного выигрыш в эффективности работы ступени из-за «негерметичности» клапанов в закрытом состоянии.

— При малой продолжительности процесса наполнения и низком отношении давлений в детандерной ступени с двухклапанным газораспределением возможен переход от детандерного цикла к компрессорному. В прямоточных детандерных ступенях при пуске агрегата возможна кратковременная работа на холостом ходу сопровождаемая разогревом цилиндра.

6.Результаты численного анализа указывают на перспективность применения предложенных методов расчета при решении ряда практических задач на стадии проектирования компрессорных и детандерных ступеней. В частности:

— Анализ влияния рода рабочего газа, конструктивных и режимных параметров ступеней, недоохлаждения газа в промежуточном холодильнике и других факторов на эффективность и надежность работы агрегата в целом.

— Прогнозирование работы ступеней на расчетных и нерасчетных режимах с отысканием новых значений промежуточных давлений между ступенями.

— Дифференцированная оценка интенсивности протечек газа через закрытые всасывающие (нагнетательные) клапаны и оптимизация их конструкции.

— Оптимизация конструкции уплотнений поршней, включая анализ процессов массообмена в уплотнении и оценку его герметичности при эксплуатации.

— Возможность эффективного использования прикладных программ расчета компрессорных и детандерных ступеней в учебном процессе.

7. По результатам численного эксперимента сделаны следующие выводы:

— Создание короткоходных (ф = S/D и Сп = 2Sn min) детандерных ступеней, максимальный диаметр цилиндра которых выбран по номинальному усилию базы, является одним из перспективных направлений совершенствования ДКА.

— Применение детандерных ступеней с двухклапанным газораспределением целесообразно лишь в агрегатах низкого давления (П < 4) при условии возможности достижения предельно малого мёртвого пространства.

— Оптимальный относительный ход поршня в процессе наполнения зависит от давления на входе в детандерную ступень и рекомендуется в диапазоне:

Сг — 0.2. 0.3 — в циклах высокого давленияС2 = 0.3. 0.4 — в циклах среднего давленияСг — 0.5. 0.6 — в циклах низкого давления;

— При расширении «легких» газов относительный ход поршня Сз, соответствующий началу процесса выхлопа, следует задавать максимальным при минимальном числе и размерах выхлопных окон.

— При предварительных расчетах процессов теплообмена среднюю температуру стенок рабочей камеры детандерной ступени следует задавать, используя эмпирическую зависимость вида:

TCT = (TH + TKS)/(1.7. 1.8).

— В ступенях, укомплектованных комбинированными кольцевыми клапанами, предпочтительным является вариант с периферийным входом газа и нагнетанием в направлении оси цилиндра, поскольку при этом снижаются суммарные относительные протечки через закрытые клапаны.

8. По результам натурного эксперимента рекомендуется:

— Дифференциальное исполнение поршня ряда детандерной ступени.

— Водяное охлаждение направляющей крейцкопфа дифференциального поршня.

— Установка теплоизоляторов между элементами ряда детандерной ступени и базой агрегата.

— Обеспечение внутренней теплоизоляции выхлопной полости.

— Ограничение объёма выхлопной полости величиной VB, n «0.5Vh.