автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Основы расчета и проектирования двухступенчатых поршневых детандеров

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ФОРМУЛИРОВКА ЦЕЛИ

И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Детандеры в современных технологических циклах. Их назначение.

1.2. Анализ литературных данных.

1.3. Формулировка целей и задач работы.

2. КОНСТРУКЦИИ ДВУХСТУПЕНЧАТЫХ ПОРШНЕВЫХ ДЕТАНДЕРОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ.

2.1. Требования к конструкции.

2.2. Принципиальная схема отдельного ряда двухступенчатого поршневого детандера.

2.3. Разгрузка ряда от газовых усилий.

2.4. Основные конструктивные соотношения при проектировании.

2.5. Межступенчатая коммуникация однорядного двухступенчатого поршневого детандера.

2.6. Многорядные двухступенчатые поршневые детандеры.

2.7. Конструкция двухступенчатого поршневого детандера на базе СКАВ-6.

2.8. Схематизация многорядных двухступенчатых детандеров.

3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ДВУХСТУПЕНЧАТЫХ

ПОРШНЕВЫХ ДЕТАНДЕРОВ.

3.1. Введение.

3.2. Инженерная методика расчета двухступенчатых детандеров.

3.3. Математическая модель двухступенчатого детандера.

3.4. Сравнение одно- и двухступенчатых детандеров.

4. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ.

4.1. Двухступенчатый однорядный детандер. Контрольные расчеты.

4.2. Модификации однорядного двухступенчатого детандера.

4.3. Соотношение объемов цилиндров I и II ступеней.

4.4. Обоснование требуемого объема межступенчатой коммуникации однорядного двухступенчатого детандера.

4.5. Многорядные двухступенчатые детандеры.

Смещение циклов по фазе.

4.6. Анализ работы и прогнозирование параметров двухступенчатого детандера на Ш-образной базе с сухим картером.

4.7. Влияние внешних параметров газа на работу двухступенчатого воздушного детандера.

4.8. Подогрев газа в межступенчатой коммуникации.

4.9. Пусковые режимы детандера.

Криогенная техника и технология за последние годы развились в мощную отрасль промышленности, обеспечивающую в широких масштабах потребности металлургии, химии, нефтехимии, машиностроения, радиоэлектроники, транспорта, медицины, космоса в таких газах как кислород, азот, водород, аргон, гелий, неон, криптон. С развитием криогенной техники связаны многие современные проблемы, в частности, создание систем управляемых термоядерных реакций, МГД-генераторов, мощных сверхпроводящих электрогенераторов и линий электропередач, ожижение газов и многие другие.

Большинство криогенных установок предназначены для работы в составе крупных промышленных комплексов. Наряду с этим широко распространены установки, предназначенные для удовлетворения потребностей в малых количествах охлажденных и сжиженных газов, экологически безопасные для окружающей среды.

Одним из важнейших элементов криогенных установок является расширительная машина - детандер, который выполняет функции генератора холода. Основными требованиями предъявляемыми к детандерам являются: надежность и эффективность работы, малые массо-габаритные показатели, широкий диапазон регулирования с сохранением экономичности, простота конструкции и безопасность эксплуатации.

В настоящее время наиболее распространенными являются турбодетандеры, сочетающие в едином комплексе большинство из перечисленных выше требований. К недостаткам турбодетандеров следует отнести малоэффективную работу на режимах регулирования и низкий коэффициент полезного действия в области малорасходных машин, трудности утилизации мощности, передаваемой на вал агрегата при частоте вращения вала в сотни тысяч оборотов в минуту.

В связи с указанным в области малых расходов рабочего вещества с турбодетандерами могут успешно конкурировать поршневые детандеры нового поколения, которые оснащены принципиально новой системой газораспределения (самодействующие клапаны конструкции проф. Прилуцкого И.К.), гарантирующей надежную и эффективную работу при повышенной частоте вращения вала, при наличии или отсутствии смазки цилиндров и механизма движения. Данное обстоятельство способствует резкому снижению показателей удельной металлоемкости, что всегда являлось одним из существенных недостатков поршневых детандеров.

Освоение предложенной системы газораспределения и её дальнейшее совершенствование позволили поставить вопрос о разработке поршневых детандеров двухступенчатого расширения отвечающих по своим технико-экономическим показателям современному уровню. Указанное направление и является основным в настоящей работе. Автором сделана попытка теоретического обоснования двухступенчатого процесса расширения применительно к комбинированной системе газораспределения: клапанное с золотником на I ступени и бесклапанное на второй. При выполнении работы в качестве важнейшего требования предусматривался высокий уровень унификации вновь разрабатываемого детандера с машинами-прототипами (аналогами).

Автор понимал, что для создания нового образца требуется тщательное обоснование конструкции и показателей работы детандера в целом. С этой целью серьезное внимание в работе уделено методикам «оптимального» проектирования, основанным на расчетно-теоретическом анализе серии вариантов исполнения детандера на стадии проектирования.

Работа представляет собой комплекс НИиОКР направленный на разработку методики расчета и конструирования двухступенчатых поршневых детандеров на современных многорядных базах. Она состоит из трех основных разделов: методы расчета, перспективные конструкции детандеров, расчетно-теоретический анализ с целью изучения рабочих процессов в ступенях при 9 наличии колебаний параметров в полостях между ними и обоснования практических рекомендаций по расчету, проектированию и эксплуатации машин данного типа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании обзора литературных данных, состояния и тенденций совершенствования поршневых детандеров показано, что двухступенчатые конструкции детандеров практически не разрабатывались в силу специфических недостатков традиционных систем газораспределения принудительного действия. С появлением принципиально новых подходов к проектированию систем газораспределения появилась возможность создания двухступенчатых поршневых детандеров без заметного усложнения конструкции, увеличения габаритов и металлоемкости.

2. Существующие методы расчета ориентированы на одноступенчатое выполнение детандера. Взаимосвязь работы ступеней учитывалась лишь при разработке конструкций и методов расчета многоступенчатых компрессоров. Полученные при этом рекомендации затруднительны к применению в случае разработки двухступенчатых детандеров.

3. Практически отсутствуют данные о работе одно- и двухступенчатых детандеров в многорядном исполнении при сдвиге рабочих циклов в отдельных ступенях и рядах на определенный фазовый угол.

4. Основываясь на критическом обзоре литературных данных в настоящей работе решены следующие задачи:

- Обоснована целесообразность создания двухступенчатых поршневых детандеров с точки зрения термодинамической эффективности.

- Разработаны методы расчета двухступенчатых детандеров, учитывающие колебательные процессы в межступенчатой коммуникации и ориентированные на современную вычислительную технику.

- Уточнена инженерная методика расчета, применяемая на начальной стадии проектирования детандера.

-На базе разработанной математической модели и созданной программы расчета выполнен подробный анализ работы двухступенчатых детандеров с реальной межступенчатой коммуникацией, позволившей глубже изучить

170 особенности рабочих процессов в обеих ступенях детандера во взаимосвязи с процессами в межступенчатой коммуникации и предложить практические рекомендации по конструктивному исполнению двухступенчатых поршневых детандеров.

- На базе полученных данных спроектирован (на уровне технического проекта) двухступенчатый детандер без смазки цилиндро-поршневых групп и механизма движения унифицированный с серийным компрессором СКАВ-6 производства ОАО «Компрессор».

- Предложены схемы двухступенчатых многорядных детандеров на У и Ш-образных базах, предусматривающие оптимальный фазовый угол смещения рабочих циклов Ч/=180°.

5. Материалы диссертационной работы используются в ОАО «Компрессор» при рабочем проектировании двухступенчатого детандера сухого исполнения и в учебном процессе СПбГУНиПТ при чтении курса «Расширительные машины», при курсовом и дипломном проектировании.

6. Сформулированные в работе научная и техническая проблемы решены полностью.

171

1. A.c. 1553731 СССР, МКИ F015 В 29/08. Поршневая пневматическая машина двухстороннего действия. / Ульянов И.Е., Беляков В.А., Калюжный В.В. и др. // Моск. авиац. Институт №4449211/25-06; Заявл. 28.06.88; Опубл. 30.03.90.

2. Акулов JI.A. Использование холода сжиженного природного газа в установках разделения воздуха. // Обзорная информация. Серия ХМ-6. Криогенное и вакуумное машиностроение. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1984.-36с.

3. Архаров A.M. и др. Исследование рабочих процессов в волновом криоде-тандере с резонансной трубкой / Архаров A.M., Бондаренко В.Л., Муха-медов P.C., Плужник В.В., Липа В.И. // Труды МВТУ. 1986, №460, -с.39-45.

4. Архаров A.M. Низкотемпературные газовые машины. М.: Машиностроение, 1969. -233с.

5. Белоногов A.B., Добров В.М., Орлов A.B., Поваров Ю.И. Поршневые детандеры для криогенных устанвок. В кн. Криогенное и кислородное машиностроение. - М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1974, №2.

6. Белушкин В.А., Готвянский Н.Ф, Двухцилиндровый поршневой детандер с самодействующими клапанами впуска. // Вып. ОИЯИ, Р8-5539. 1970.

7. Белушкин В.А. Создание и исследование криогенных установок экспериментальной физики на основе поршневых детандеров новых типов.: Авто-реф. дисс. . к.т.н. М., 1974. - 16с.

8. Белушкин В.А., Готвянский Н.Ф. Новый поршневой детандер с внутренним приводом клапанов для водородного сжатия. // Химическое и нефтяное машиностроение. 1972. - №1. - с.36-39.

9. Бершадский С.А., Вайнфельд A.A., Марков Ю.Г. Некоторые колебательные процессы в поршневых компрессорах. Труды ЛПИ им.Калинина, 1972, №323.

10. Ю.Бочавер К.З., Старцев A.A. Графо-аналитичеекий метод расчета процесса выхлопа в поршневом детандере. // Кислородное и автогенное машиностроение №1- 1969.

11. П.Бродянский В.М., Грачев А.Б., Бумагин Г.И. Новый поршневой детандер для кислородных установок. // Криогенное, кислородное и автогенное машиностроение. 1971. -№3.

12. Бродянский В.М., Савинова Н.М. Новый прямоточный детандер с внутренним приводом клапанов. // Компрессорное и автогенное машиностроение. 1971. - №1.

13. Бумагин Г.И. Выбор оптимальной величины обратного сжатия в поршневом детандере. Известия ВУЗов «Энергетика», 1972, №8, с. 141-144.

14. Бумагин Г.И. Поршневые детандеры. Уч. Пособие Омск: ОмПИ, 1981(3) -85с.

15. Бумагин Г.И. Савинова Н.М. О выборе оптимальной величины степени наполнения в поршневом детандере. Известия ВУЗов «Энергетика», 1973, №6, с.147-151.

16. Бумагин Г.И., Савинова Н.М. Влияние утечек газа на изменение температур в рабочем процессе поршневого детандера. // В кн. : Вопросы криогенной техники. Омск, вып.З. - 1974. - с. 118.

17. Бумагин Г.И., Савинова Н.М. Сравнительный термодинамический анализ прямоточных детандеров. // Труды МЭИ, вып. 155. 1973.

18. Буткевич И.К. Создание и исследование гелиевого поршневого детандера с манжетным уплотнением и азотной рубашкой.: Автореф. дисс. . к.т.н. -Москва, 1968. -22с.

19. Быстров Д.И. Акулов JI.A. Анализ детандерных циклов ожижиения природного газа, использующих перепады давления на ГРС / В сб. «Совершенствование процессов . », СПбГАХПТ, 1998.

20. Ваняшов А.Д. Разработка и исследование поршневых детандер-компресорных агрегатов с самодействующими воздухораспределительными органами Автореф. дисс. . к.т.н., ОмГТУ, Омск, 1999.

21. Воронков С.С. Математическая модель рабочего процесса высокооборотного поршневого компрессора с учетом нестационарных явлений в коммуникации. /Дисс. . к.т.н. Л.:ЛПИ им.Калинина. -1982.

22. Герш С .Я. Глубокое охлаждение. М.: - JL: Государственное энергетическое издательство, 4.1,1957. - 392с.; 4.2,1960 - 496с.

23. Гильман И.И., Докшицкий Е.А. Испытание опытного детандера среднего давления с несмазываемым поршневым уплотнением. Труды ВНИИК-РИОГЕНМАШ, 1968, №12.

24. Голиков Г.Е., Данилов И.Б. Выбор зазора в поршневом детандере. Химическое и нефтяное машиностроение, 1989, №10, с.20-21.

25. Горбенко А.JI. Разработка и исследование поршневых детандеров с автоматическим двухклапанным газораспределением. /Дисс. . к.т.н. СПб.: СПбГАХиПТ -1999.

26. Грачев А.Б., Добров В.М., Лебедев A.A. Экспериментальное определение коэффициента трения при низких температурах. В кн. Криогенное и кислородное машиностроение. - М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1974, №3.

27. Гридин В.Б. О применении в поршневом детандере принципа прямотока рабочего тела. // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1959. - №4.

28. Давыдов А.Б. и др. Турбодетандер для воздухоразделительной установки высокого давления малой производительности. Химическое и нефтегазовое машиностроение, №4,1998 г.

29. Даль Г.Ф., Пашкова Л.Л., Струков В.И., Докшицкий Е.А. Создание унифицированного ряда поршневых детандеров для малорасходных ВРУ. // Химическое и нефтяное машиностроение. 1989. - №11. - с. 17-18.

30. Добров В.М. Создание бесклапанного детандера с манжетным поршневым уплотнением и исследование его при температурах ниже 40 К. Дис. . к.т.н.-М., 1976- 162с.

31. Добров В.М., Белоногов A.B. Бесклапанный гелиевый поршневой детандер с уплотнением поршня элементами трения. Химическое и нефтяное машиностроение, 1974, №8, с. 41-42.

32. Докшицкий Е.А. Создание и исследование поршневых детандеров с электромагнитным приводом клапанов / Автореферат дисс. . к.т.н. М.: КРИОГЕНМАШ. - 1978. - 21 с.

33. Зотов Д.Ю., Иванов Д.Н., Прилуцкий И.К. Анализ циклов ступеней детандера. Материалы Межд. конф. «Холод накануне XXI века». Тезисы доклада. СПбГАХиПТ, 1998.

34. Иванов Д.Н. Разработка методики расчета и оптимизации параметров ступени бесклапанного поршневого детандера. / Дис. . к.т.н. СПб: СПбГАХПТ, 1998. - 135с.

35. Иванов Д.Н., Зотов Д.Ю., Прилуцкий И.К. Оптимизация впускных окон бесклапанного поршневого детандера. Материалы Межд. конф. «Холод накануне XXI века». Тезисы доклада. СПбГАХиПТ, 1998.

36. Игнатьев K.M. Разработка методики расчета динамики клапанов специальных конструкций. Автореф. дисс. . к.т.н. СПбГТУ, С.Петербург, 1995.

37. Калекин B.C. Исследование рабочих процессов поршневых компрессоров общепромышленного назначения: Дисс. . к.т.н. JL, 1978.

38. Калекин B.C. Рабочие процессы поршневых компрессорно-расширительных агрегатов с самодействующими клапанами. Автореф. дисс. . д.т.н, ОмГТУ, Омск, 1999.

39. Калекин B.C., Прилуцкий И.К., ФотинБ.С. К вопросу расчета многоступенчатых поршневых компрессоров методом математического моделирования. / Холодильные и компрессорные машины. Новосибирск. - 1978 -с.115-121.

40. Карагусов И.Х. Исследование бессмазочных поршневых уплотнений. В кн.: Вопросы криогенной техники. - М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1968.

41. Клименко А.П. Аналитическое исследование реального цикла работы детандера. // Труды ИИГ АН УССР, кн.4. Киев, 1956. - с.29-58.

42. Клименко А.П. Аналитическое исследование реального цикла работы детандера. // В сб. «Труды III Всесоюзной конференции по компрессоро-строению». Казань. - 1974.

43. Коташевский П.А. Исследование надежности поршневых детандеров по данным эксплуатации.: Автореф. дисс. . к.т.н. Москва, 1970.

44. Криогенные поршневые детандеры / Архаров A.M., Буткевич К.С., Бутке-вич И.К. и др.; под ред. Архарова A.M. М.: Машиностроение, 1974, -240с.

45. Крылов В.В. Исследование путей совершенствования гелиевых поршневых парожидкостных детандеров / Автореферат дисс. . к.т.н. М.: НПО КРИОГЕНМАШ. - 1988.

46. Кузнецов В.Н. и др. Некоторые результаты испытаний самосмазывающихся материалов на поршневых детандерах без смазки цилиндров. В сб. «Свойства и применение антифрикционных самосмазывающихся материалов», М., 1970.

47. Кузнецов Л.Г., Зотов Д.Ю. Выпускной клапан на I ступени двухступенчатого детандера. Холодильная техника, (сдано в печать).

48. Кузнецов Л.Г., Зотов Д.Ю. Особенности инженерной методики расчета двухступенчатых детандеров. Морской журнал, (сдано в печать).

49. Кузнецов Л.Г., Зотов Д.Ю., Прилуцкий И.К. Расчетный анализ работы многорядных поршневых детандеров нового поколения. Морской журнал, 1999, №2, с.36-39.

50. Кузнецов Л.Г. Малорасходные поршневые детандеры на базе компрессоров с сухим картером. Холодильная техника, 1999, №6, с.6-8.

51. Кузнецов Л.Г. Параметрический ряд поршневых компрессоров малой производительности на Ш-образной базе с сухим картером. Компрессорная техника и пневматика, 2000, №2, с 22.

52. Новиков И.И., Захаренко В.П., Ландо Б.С. Бессмазочные поршневые уплотнения в компрессорах. Л.: Машиностроение, 1981. - 238 с.

53. Новотельное В.Н., Суслов А.Д., Полтараус В.Б. Криогенные машины: Учебн. Для вузов по спец. «Техника и физика низких температур». СПб.: Политехника, 1996 - 335с., ил.

54. Орлов А.В. Создание и исследование гелиевого поршневого детандера с 6-фазным рабочим циклом / Автореф. дисс. . к.т.н. М.: МЭИ. - 1986. -16 с.

55. Патент 4970867 США, МКИ F 25 J 3/00. Liquefaction of natural gas using process-loaded expanders. / Herron Michael D., Chatterjce Nirmal // Air Products and Chemicals Inc. №396577; Заявл. 21.08.89; Опубл. 20.11.90.

56. Перевозчиков M.M. Повышение эффективности одноступенчатого компрессора на основе математической модели процессов при сжатии реального газа. Автореф. дисс. . к.т.н. СПбГТУ, С.Петербург, 1997.

57. Петриченко P.M., Оносовский В.В., Артемов А.А. Математическое моделирование рабочих процессов поршневых компрессоров Холодильная техника. - Л.: ЛТИХП, 1972.

58. Петров В.В. Исследование рабочего процесса многоступенчатого компрессора. Дисс. . к.т.н. Л., 1975.

59. Пластинин П.И. Расчет и исследование поршневых компрессоров с использованием ЭВМ // Итоги науки и техники. Серия насосостроение и компрессоростроение. М.: 1981, т.2, - 168с.

60. Пластинин П.И. Теория и расчет поршневых компрессоров. М.: Агро-промиздат, 1987. - 271с.

61. Пластинин П.И., Твалчеридзе А.К. Введение в математическое моделирование поршневых компрессоров: Учебное пособие. М.: МВТУ, 1976, -78с.

62. Поршневые компрессоры / Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий, П.И. Пластинин; Под. ред. Б.С. Фотина. JI.: Машиностроение, 1987 -372с.

63. Прилуцкий И.К. Разработка, исследование и создание компрессоров и детандеров для криогенной техники: Дисс. . д.т.н. JI., 1991.

64. Прилуцкий И.К., Зотов Д.Ю., Кузнецов Л.Г. Поршневые двухступенчатые детандеры высокого давления. Ж. Химическое и нефтегазовое машиностроение, 1999, №7, с.25-28.

65. Прилуцкий И.К., Иванов Д.Н., Зотов Д.Ю. Перспективы развития бесклапанных поршневых детандеров СПбГАХиПТ. Деп. в ВИНИТИ, №3059-В96, 17.10.1996.

66. Прилуцкий И.К., Иванов Д.Н., Зотов Д.Ю., Молодова Ю.И. Научно-технические проблемы совершенствования поршневых расширительных машин. Вестник МАХ, 1999, вып. 1, с.11-15.

67. Прилуцкий И.К., Прилуцкий А.И. Расчет и проектирование поршневых компрессоров и детандеров на нормализованных базах: Учеб. пособие. -СПб.: СПбГАХПТ, 1995. 194с.

68. Разделение воздуха методом глубокого охлаждения. /Под ред. В.И. Епифановой, Л.С. Аксельрода. М.: Машиностроение, 1973. Т.1 - 468 е.; Т.2 -568 с.

69. Расширительные машины. Под ред. К.И. Страховича. Учебн. Для вузов по спец. «Холодильные и компрессорные машины и установки» М.: Машиностроение», 1966 - 295с.

70. Савинова Н.М. Исследование процессов в прямоточном детандере с внутренним приводом клапанов.: Автореф. дисс. . к.т.н. Москва, 1973 -21 с.

71. Старцев A.A., Бочавер К.З. Теоретический анализ рабочего процесса поршневого детандера. // Кислородное и автогенное машиностроение. -1969.-№3.

72. Суслов А.Д., Гороховский Г.А., Полтараус В.Б. Криогенные газовые машины. М.: Машиностроение, 1982. - 213с.

73. Твалчрелидзе А.К. Исследование влияния основных геометрических соотношений на экономическую эффективность поршневых компрессоров общего назначения: Автореф. дисс. . к.т.н. -М., 1975.

74. Хрусталев Б.С. Математическое моделирование рабочих процессов в объемных компрессорах для решения задач автоматизированного проектирования. Автореф. дисс. . докт. техн. наук. Санкт-Петербург: СПбГТУ -2000.

75. Шмалько К.Я., Новотельное В.Н. К вопросу выбора относительного мертвого пространства бесклапанного поршневого детандера. // Химическое и нефтяное машиностроение. 1968. - №3. - с.6-8.

76. Штейнгарт J1.A. Исследование рабочих процессов поршневых компрессоров общепромышленного назначения: Дисс. . к.т.н-Л., 1973.

77. A miniature wet turboexpander / Sixsmith Herbert, Hasenbein Robert, Valen-zuela Javier A. // Adv. Criog. Eng. Vol.35 Pt B. Proc. Criog. Eng. Conf., Los Angeles, Calif., July 24-28, 1989. New York; London, 1990. - p.989-995.179

78. Application and test of miniature gas bearing expansion turbines. / Yang K.J., He H.B., Ke G. // Adv. Criog. Eng. Vol.35 Pt B. Proc. Criog. Eng. Conf., Los Angeles, Calif., July 24-28, 1989. New York; London, 1990. - p. 997-1003.

79. Doll R., Eder F.X. Детандер нового типа для получения низких температур. // Kaltetechnick, 1964. №1.

80. Johnson R.W., Collins S.C., Smith J.L. Hydraulically operated two-phase helium expansion engine Advances in cryogenic engineering, 1971, №16.

81. Matsubara Y., Ishizaki., Oshima K. New type expansion engine for refrigeration. // «Cryogen, Engng.», London, Heywood Tempi Industr. Pubis. 1968.

82. Miniature Stirling cycle cooler / Davey G., Orlowska A.H. // Criogenics, 1987, 27, №3. -p.148-151.

83. Morain W.A. Design of a cryogenic expansion engine of tonnage hydrogen liquefaction. Advances in cryogenic engineering, 1967, №12.

84. Radcenko V. Tendenity moder in construcia detentoareior piston. Consts., 1968, mas.20, №1.

85. Vander Arend P.C. Refrigeration aspects of the ANL 12-foot bubble chamber superconducting-magnet system. Advances in cryogenic engineering, 1970, №15.

86. Witter C.E. Design of a closed-cycle helium temperature refrigerator. Advances in cryogenic engineering, 1966, №11.