автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Развитие теории, методов расчета и оптимального проектирования поршневых компрессорных и расширительных машин

Прилуцкий Андрей Игоревич

На правах рукописи

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ, МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРНЫХ И РАСШИРИТЕЛЬНЫХ МАШИН

Специальность 05.04.03 - Машины и аппараты, процессы

холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

2 9 АПР 2015

005567872

Санкт-Петербург 2015

005567872

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики, на кафедре криогенной техники.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор,

Борзенко Евгений Иванович

Официальные оппоненты: Галимова Лариса Васильевна,

доктор технических наук, профессор, Астраханский ГТУ, профессор

Жердев Анатолий Анатольевич,

доктор технических наук, профессор,

МГТУ им. Н.Э. Баумана,

декан факультета Энергомашиностроение

Юша Владимир Леонидович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО ОмГТУ, НХИ, зав. кафедрой ХиКТиТ, декан Нефтехимического института.

Ведущая организация: ООО НТК «Криогенная техника», г. Омск.

Защита состоится «03» июня 2015 г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.227.08 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9, ауд. 2219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9 и на сайте fppo.ifino.ru.

Автореферат разослан «14»апреля 2015 г. Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.227.08

доктор технических наук, профессор ¿/ Рыков Владимир Алексеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В различных отраслях народного хозяйства широкое применение находят газы, газожидкостные и паровоздушные смеси различные по составу и свойствам. При малых расходах рабочего вещества их сжатие и расширение происходит в машинах объёмного действия (МОД), большинство которых составляют поршневые компрессоры, детандеры, пневмо- и газовые двигатели. Их объединяет идентичность основных рабочих процессов, а различие наблюдается в последовательности протекающих процессов, в отношениях давлений в ступенях и в состоянии рабочего вещества на отдельных участках рабочего цикла. Всё это позволяет рассматривать МОД с единых теоретических позиций термодинамики тела переменной массы.

МОД находят применение в стационарных и передвижных установках общего назначения, в специальных воздушных я-газовых агрегатах среднего и высокого давления для обслуживания нефтегазовых месторождений, ВРУ и газонаполнительных станций, в модульных установках контейнерного типа систем пожаротушения, утилизации примесей паровоздушных смесей (ПВС) и энергии сжатого природного газа магистральных газопроводов.

Обзор научных и технических достижений в области расчета и проектирования машин объёмного действия показал, что в настоящее время просматриваются следующие характерные тенденции:

1. Снижение объёма экспериментальных работ при доводке образцов новой техники за счет применения на стадии проектирования методов численного анализа, основанных на математическом моделировании рабочих процессов, поиске и обосновании оптимального технического решения.

2. Расширение номенклатуры машин, работающих на разных газах, газовых, газожидкостных и паровоздушных смесях с сугубо различными свойствами.

3. Создание детандер-компрессорных (ДКА) и детандер-генераторных (ДГА) агрегатов с улучшенными технико-экономическими показателями.

Среди требований, предъявляемых к МОД, отметим основные: снижение удельных массо-габаритных показателей в сочетании с эффективностью, надежностью и работоспособностью в широком диапазоне режимных параметров при любых условиях эксплуатации. Решение подобной задачи требует создания, апробации и внедрения в практику проектных организаций методик расчета повышенной информативности, обеспечивающих на стадии проектирования принятие научно обоснованных технических решений.

Степень разработанности темы диссертации.

Несмотря на многолетний период становления методов математического моделирования, на сегодняшний день число моделей и созданных на их основе прикладных программ расчета весьма ограничено и ориентировано в подавляющем большинстве на идеальные газы при допущении постоянства параметров в полостях, примыкающих к цилиндру. Оценка совершенства объекта исследования проводится, как правило, на основе традиционной индикаторной диаграммы и ограниченного числа интегральных параметров.

Уровень существующих моделей не гарантирует достаточный объём и точность информации необходимой для корректного обоснования выводов о степени совершенства того или иного варианта из ряда рассмотренных. Поэтому стержнем настоящей работы является создание, апробирование и внедрение в практику отечественных фирм и в учебный процесс ВУЗов методики расчета МОД повышенной информативности и применение её при поиске и обосновании «оптимального» (по мнению разработчика) варианта объекта исследования из числа рассматриваемых на стадии проектирования.

В основе методики лежит математическая модель рабочих процессов ПК и ПД и созданная на её основе программа расчета КОМДЕТ-М, обеспечивающая расширенный объём выходной информации о текущих и интегральных параметрах исследуемого «объекта» в цифровой и графической форме. Программные документы, принятые за основу при выполнении НИиОКР:

1. Плановая госбюджетная НИР по кафедре криогенной техники СПбГУНиПТ в период 2005 - 2010 гг. РЕГ. № 6,30121. Тема: «Исследование и разработка процессов, машин и аппаратов прикладной криогеники».

2. Целевая программа Федерального агентства по образованию Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала Высшей школы на 2006-2008 гг» № 1054 от 01.01.2006.

3. Перспективные планы и текущие задачи совершенствования оборудования отечественных нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий РФ (ООО «КИНЕФ», г. Кириши, Ленинградская обл.).

4. Рекомендации Международной Академии Холода (МАХ).

Цель работы: Развитие теории, методов расчета и оптимального проектирования поршневых компрессорных и расширительных машин. Достижение поставленной цели связано с решением следующих задач:

1. Анализ технического уровня, конструкций и методов расчета МОД.

2. Обоснование актуальности решаемых проблем и методов их решения.

3. Выполнение расчетного исследования направленного на развитие теории МОД и получение зависимостей, описывающих изменение сечений в каналах ступени при перекрытии клапанов движущимся поршнем и (или) торцевыми крышками, коэффициента подачи X, и его составляющих (К» X,), коэффициентов расхода и давления потока газа (цщ, Кд), уровень зазоров в закрытых клапанах и уплотнительных узлах и др.

4. Совершенствование математической модели рабочих процессов МОД предусматривающее расширение объёма и качества выходной информации требуемой для объективного прогноза параметров МОД, работающих на газах, газовых, газожидкостных и паровоздушных смесях в условиях прямого и обратного фазового перехода рабочего вещества в течение рабочего цикла.

5. Разработка и реализация современного подхода при изучении рабочих процессов в ступенях МОД, основанного не только на традиционном анализе работы ступени по индикаторным диаграммам (р - У)ф, но и с помощью дополнительной расчетной информации, получаемой в координатах Т — ср, Ькл-Ф, (T-s)9, (h - M)v, F4MMJt, =f(<p), FOKo*=f(<p), Q =f(<p) и др.

6. Разработка и апробирование методики оценки уровня интенсивности теплообмена газа со стенками цилиндра на любом участке рабочих циклов.

7. Апробирование новых рабочих циклов, прогрессивных конструкций и эффективных способов регулирования парожидкостных детандеров (ПДж) при постоянстве температуры газа на выходе Тк = const.

8. Выполнение натурного, модельного и численного эксперимента с целью дополнительного обоснования адекватности математической модели.

Объектом исследования являются ступени ПК и ПД входящих в состав стационарных, передвижных, переносных и транспортных установок.

Предмет исследования - рабочие процессы в элементах МОД и их взаимосвязь с конструкцией ступеней и комплектующих узлов в условиях газового и газожидкостного состояния рабочей среды. Методы исследований:

- натурный, модельный и численный эксперимент с целью изучения рабочих процессов в ступенях и отдельных узлах ПК и ПД, получения эмпирических уравнений для ввода в разрабатываемую математическую модель и непосредственных рекомендаций по повышению технического уровня МОД;

- установление адекватности результатов расчетного анализа на основе математической модели с результатами натурного эксперимента;

- расчетно-аналитический анализ совокупности одновременно протекающих и влияющих друг на друга рабочих процессов МОД различного назначения и исполнения на основе математического моделирования рабочих процессов.

Научная новизна:

1. Разработан, апробирован и доведен до практического применения метод расчета и оптимального проектирования ступеней МОД, базирующийся на энтропийном подходе при математическом описании рабочих процессов и учитывающий изменение реальных свойств газов, газовых, газожидкостных и паровоздушных смесей при фазовых превращениях рабочего вещества из газового в парожидкостное состояние и обратно в течение рабочего цикла.

2. Предложены новые, теоретически корректные зависимости для расчета | объёмного Хо и теплового К коэффициентов, основанные на нетрадиционном

подходе к интерпретации факторов, влияющих на количество газа в мертвом пространстве ступени в функции от интенсивности процессов теплообмена на участках всасывания и нагнетания и свойств рабочего вещества.

3. Доказана недостаточная корректность гипотезы о постоянстве объёмной производительности ПК приведенной к условиям всасывания, работающих при переменных условиях всасывания и свойствах рабочего вещества.

4. Предложено корректное описание динамики движения каждой из тастин многокольцевых клапанов (Z™ < 10), отличающихся размерами, формой и массой пластин, а также сечением каналов в седле и ограничителе клапанов перекрываемых крышкой и (или) движущимся поршнем при одно-, двухстороннем и комбинированном обтекании разных пластин потоком газа.

5. Для оценки интенсивности теплообмена в ступенях МОД предложен критерий удельной теплообменной поверхности цилиндра связывающий

интенсивность теплообмена с геометрией цилиндра (S/D), свойствами рабочего вещества (к, R) и его плотностью на всасывании рвс-б. Показана возможность существования в ступенях ПД нетрадиционных процессов расширения, характеризуемых отводом теплоты от газа к стенкам цилиндра вплоть до начала процесса выхлопа, что проявляется в циклах с продолжительным процессом наполнения (Сг —» шах), в ступенях ДВД с отношением давлений на уровне ри / рк = 20/0.6 = 33.3 и в ступенях бесклапанных ПД с высоким мертвым пространством (а ~ 35 - 40 %). 1. Доказано, что на участке 1-1'индикаторной диаграммы, соответствующем закрытию всасывающих клапанов, высокое газодинамическое сопротивление клапанов предопределяет наличие прямого и обратного потоков газа: ±AMi-r.

Новизна методологических разработок, направленных на поиск и обоснование оптимальных технических решений на стадии проектирования:

- Инженерная методика предварительного термодинамического расчета и конструктивного обоснования типа ступеней и комплектующих узлов МОД;

- Комбинированный рабочий цикл ПД, обеспечивающий работоспособность детандеров в широком диапазоне режимных параметров, свойств рабочего вещества, различий в конструкции клапанов и выхлопных окон, в величине мертвого пространства ступени, колебаний давления в коммуникациях и т.д.

- Методика унификации рабочих циклов в полостях А и Б ступени ПД с поршнем двойного действия, суть которой сводится к поиску и обоснованию параметров элементов ступени, обеспечивающих идентичность рабочих циклов и равенство конечных температур газа в обеих полостях ступени.

- Упрощенная методика определения оптимальных объёмов полостей и диаметров патрубков ступеней машин объёмного действия.

- Методика дифференцированной оценки герметичности закрытых впускных (выпускных) клапанов ПК и ПД невозможной при натурном эксперименте.

- Методика выравнивания перепадов давлений в уплотнениях ступеней МОД.

Достоверность результатов работы подтверждается использованием в математической модели фундаментальных уравнений термодинамики тела переменной массы, подробным анализом адекватности модели на основе комплекса авторских и заимствованных экспериментальных данных, а также вытекает из содержания актов внедрения с приведенными в них сведениями об идентичности расчетных и экспериментальных данных по импортным компрессорам, эксплуатируемым в ООО КИНЕФ (г. Кириши, Лен. область). Практическая ценность результатов диссертационной работы состоит:

1. В реальном внедрении в проектные подразделения отечественных фирм и ВУЗов прикладной программы расчёта КОМДЕТ-М, позволяющей на стадии проектирования располагать расширенным объёмом информации о рабочих процессах и их взаимосвязи с конструкцией ступени и комплектующих узлов и обоснованно судить о техническом уровне вновь создаваемых или модернизируемых газовых, газожидкостных и паровоздушных МОД.

2. В простоте и минимальных сроках практического освоения программы КОМДЕТ-М сотрудниками специализированных фирм и студентами ВУЗов.

3. В сокращении сроков принятия решений о перспективности того или иного конструктивного варианта изделия из ряда рассматриваемых.

4. В рекомендациях по перспективным техническим решениям, в том числе:

- форсированная по средней скорости поршня и частоте вращения вала база 4У 4-110-1500 для ПД работающих в установках сжижения природного газа ПГ с расходом Мпг = 6000 кг/ч и производительностью шспг = 1000 кг/ч;

- впускной нормально-открытый многокольцевой клапан ПД с подвижным промежуточным ограничителем, наличие которого обеспечивает плавное изменение сечения в щели клапана в процессе эксплуатации и плавное изменение расхода газа через детандер в диапазоне от 100 до 50 % и ниже;

- впускные нормально-открытые клапаны с кольцевыми или сферическими пластинами, укомплектованные толкателями, встроенными в клапанные пружины, обеспечивающими работоспособность ПД в широком диапазоне режимных параметров (рн ,рк,а,ТИ,п)и свойств криоагента (к и R);

- внутренняя теплоизоляция выпускной полости ПД, способствующая снижению интенсивности образования «снежной шубы» на внешних поверхностях агрегата.

На защиту выносятся следующие положения, имеющие новизну, научную и практическую ценность:

1. Математическая модель рабочих процессов поршневых компрессоров и детандеров, базирующаяся на фундаментальных уравнениях термодинамики тела переменной массы, механики и газовой динамики. Принципиальным отличием разработанной модели от существовавших ранее является энтропийный подход при описании изменения свойств реальных газов, газовых, газожидкостных и паровоздушных смесей в течение рабочего цикла МОД, в ходе которого при определенных условиях возможно изменение состояния рабочего вещества от газового до парожидкостного и обратно.

2. Программы расчета (КОМДЕТ-М и СВОЙСТВА-ЭКСПРЕСС) с расширенным объёмом выходной информации, выводимой на печать в цифровой и графической форме, позволяющие на стадии проектирования:

- совершенствовать рабочий цикл ступеней ПК (ПД) и корректировать I динамику движения каждой из пластин многоэлементных клапанов;

I - проводить поиск и научное обоснование «оптимальной», по мнению I разработчика, конструкции ступени МОД и её комплектующих узлов;

- прогнозировать работу объекта на режимах отличных от номинального;

- оценивать уровень количества теплоты подводимой (отводимой) к газу на произвольно выбранном участке рабочего цикла.

3. Новая трактовка ряда понятий теории МОД, в частности:

- удельная теплообменная поверхность цилиндра Fya= 2(KP+S/D)/(pBx'S) м2/кг;

- представление объёмного и теплового коэффициентов газовых ПК в виде К = 1 - (0.01 - 0.02)(КЛ1возд)04(П -1) и ?ч> = 1 - ö[(p3 / pi) - 1], где рз и pi - функции от геометрии ступеней, режимных параметров и свойств рабочего вещества;

- уточненное понятие объёмной производительности ПК, приведенной к условиям всасывания - VBC - X —fipac, Гвс, R) ф const и др.

4. Новый рабочий цикл детандера, допускающий переход на принудительное открытие впускного клапана с помощью толкателей встроенных в клапанные пружины при значительном отклонении режима работы ПД от номинального.

5. Комплекс методических разработок и новых технических решений.

Личный вклад диссертанта состоит: в формулировке цели и основных

задач исследования, в планировании, проведении, обработке результатов натурного эксперимента и получении на его основе комплекса эмпирических зависимостей; в разработке концепции развития математической модели МОД повышенной информативности, обосновании новых рабочих циклов и перспективных конструкций элементов ступеней МОД; в подготовке и выполнении комплексного численного эксперимента, в анализе, обобщении результатов, формулировке рекомендаций и выводов по работе, во внедрении результатов исследования в конструкторские подразделения отечественных фирм и в учебный процесс ВУЗов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 3 международных и ряде региональных НТК, на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава НИУ ИТМО и на 6 совещаниях главных механиков нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий РФ (ООО «КИНЕФ», г. Кириши, Ленинградская обл.).

Автор выражает глубокую признательность коллективу кафедры Криогенной техники за конструктивную критику и ценные советы в ходе информации об итогах промежуточных этапов работы над диссертацией.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 научных работ, в том числе 25 статей в научных журналах и изданиях, которые включены в рекомендуемый ВАКом перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций; 2 авторских свидетельства и патентов на изобретение; 29 докладов, статей и тезисов, вошедших в научно-технические сборники и труды конференций различного уровня.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, содержащего основные выводы по диссертации. Работа изложена на 278 страницах машинописного текста и дополняется списком | литературы из 141 наименования, 145 рисунками, 73 таблицами, 5 актами о | внедрении результатов работы и приложением из 9 позиций, раскрывающих детали отдельных разделов диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении характеризуется общая направленность работы, приводятся сведения о существующих конструкциях, методах исследования МОД и предъявляемых к ним требованиях.

Отмечается идентичность рабочих процессов в ступенях компрессоров и детандеров и тенденция расширения выпуска МОД, работающих на газовых и газожидкостных смесях в широком диапазоне давления и температуры рабочего вещества на входе-выходе, что диктует необходимость дальнейшего развития методик расчета основанных на моделировании рабочих процессов.

Другим направлением исследования, также требующим ориентации на усовершенствованные методики расчета, является существующая тенденция частичной замены длительной и дорогостоящей экспериментальной доводки опытных образцов МОД численным экспериментом на основе прикладных программ расчета повышенной информативности.

Третье направление вытекает из требования снижения удельных массо-габаритных показателей МОД путем использования унифицированных многорядных высокооборотных компрессорных баз.

С учетом данных факторов во введении представлена структурная схема комплекса НИиОКР, отражающая его содержание, последовательность выполнения отдельных этапов и ожидаемый конечный результат.

Обзор литературы позволил оценить существующий уровень научных и прикладных исследований рабочих процессов и их взаимосвязи с конструкциями элементов ступеней машин объёмного действия.

Характерной особенностью МОД является сложный газовый тракт между рабочим цилиндром и полостями впуска и выпуска, представляющий собой систему емкостей и каналов переменного сечения с многочисленными местными сопротивлениями. Наличие местных выборок и сложных по геометрии каналов между полостями с различным во времени давлением негативно отражается на величине мертвого пространства ступеней и газодинамическом сопротивлении в процессах наполнения и вытеснения.

Учет реальной совокупности каналов и емкостей при расчетах динамических процессов весьма сложен и сопровождается многочисленными допущениями. Поэтому автор идет по пути накопления эмпирических данных о коэффициентах расхода комплектующих узлов и элементов ступеней или их комбинаций на базе результатов натурного эксперимента.^

Важнейшим разделом работы является совершенствование конструкций и методов расчета систем газораспределения МОД форсированных по частоте вращения вала и средней скорости поршня. Анализ литературы позволил установить основоположников этого направления, промышленные и научные центры России, в которых закладывались основы расчета и проектирования органов газораспределения компрессоров и детандеров.

Начало планомерных исследований было положено в 30-40-х годах академиком Н.А.Доллежалем. Используя первый закон термодинамики, он получил дифференциальные уравнения потерь в клапанах ПК. Позднее аналогичные исследования были выполнены М.Соз1а&1ю1а, Бишопом, Джиберти, С.А. Бабаяном, С.Е. Захаренко, Г.В. Карповыми и А.Н. Шелестом.

Серьезный вклад в создание эффективных конструкций клапанов и инженерных методов их расчета внесли М.И. Френкель и Т.Ф. Кондратьева. Их работы и сегодня во многом остаются основополагающими.

Последующие научные школы, сложившиеся в МВТУ им. Н.Э. Баумана, ЛПИ им. Калинина, Ленниихиммаше, НПО «Компрессор» и др. по существу развивали указанные выше направления, учитывая требования повышения надежности и эффективности в условиях повышенной частоты вращения вала, отсутствия смазки, но при умеренной средней скорости поршня.

На этом этапе появляются работы ориентированные на математическое моделирование работы клапанов без обратной связи с работой ступени. Среди них отметим работы НПО «Компрессор», ЛПИ им. М.И. Калинина, ЛЕННИИхиммаш, ВНИИКОМПРЕССОРМАШ, ВНИИХОЛОДМАШ, ЛТИХП и ряда промышленных предприятий отрасли машиностроения.

В публикациях Б.С.Фотина и И.К.Прилуцкого и их учеников на основе математической модели рабочих процессов динамика клапанов была увязана с текущими параметрами ступени компрессоров с тронковым поршнем. В это же время аналогичный комплекс исследований выполнен П.И. Пластининым и его учениками применительно к ступеням ПК с поршнями двойного действия, а также в ряде научно-производственных объединений и учебных заведений Сибирского региона РФ применительно к объектам, специфичным по назначению, устройству, геометрическим и режимным параметрам.

Качественное развитие методов расчета и конструкций ПК и ПД получило в работах Б. С. Фотина и И.К. Прилуцкого. В них рассмотрены методы расчета МОД, учитывающие реальные свойства газов, взаимосвязь параметров ступеней, разделенных холодильником конечного объёма, и колебательные процессы в межступенчатых коммуникациях; предложена критериальная зависимость для расчета текущего, осредненного по поверхности цилиндра, коэффициента теплоотдачи и принципиально новая система газораспределения, предусматривающая комплектацию ступеней ПД самодействующими нормально-открытыми клапанами.

Последнее явилось толчком к разработке детандеров нового поколения, отличающихся высокой частотой вращения вала и средней скоростью поршня, низкой удельной металлоемкостью машин, при сохранении (как минимум) уровня эффективности и надежности, но потребовало разработки не только перспективных конструкций ПД, но и методов их расчета.

Известные методы расчетного анализа рабочих процессов и конструкций МОД не обладают достаточной корректностью, поскольку, как правило, ориентированы на воздух или однокомпонентные рабочие вещества при идеально-газовой постановке задач. До настоящего времени практически отсутствуют апробированные методики расчета замкнутых рабочих циклов поршневых детандеров, работающих на газожидкостных и паровоздушных смесях особенно в случаях возникновения фазовых превращений рабочего вещества из газового в парожидкостное состояние и обратно в течение цикла.

Анализ текущих параметров наиболее исследованных гелиевых ПД на основе традиционных свернутых р-У диаграмм, приведенных в диссертации, недостаточен для объективной оценки протекающих рабочих процессов и совершенства конструкции объекта исследования по следующим причинам: 1. Пульсации давления на участке расширения, качественные различия процессов расширения и вытеснения при изменении длительности процесса наполнения, начала фазового перехода видимое на участке расширения и не наблюдаемое И в процессе впуска, указывают на методические погрешности при записи индикаторных диаграмм в ходе натурного эксперимента.

и

2. Использование подобной информации при создании высокооборотных детандеров, отличных от ранее испытанных по геометрическим и режимным параметрам и свойствам рабочего вещества практически не целесообразно.

3. Анализ работы детандеров по текущим параметрам газа только в цилиндре недостаточен, поскольку в прилегающих к цилиндру полостях конечного объёма возникают колебания давления и температуры рабочего вещества.

Ряд авторов вместо замкнутого рабочего цикла рассматривают отдельные процессы, связанные с фазовыми переходами и образованием зародышей жидких фракций. Такой подход отмечен в работах проф. В.Н. Новотельнова, K.M. Арефьева и др. Он интересен с теоретической точки зрения, но не приемлем при разработке математической модели рабочих процессов МОД из-за резкого усложнения математического аппарата и роста погрешностей, обусловленных периодичностью рабочих процессов и непредсказуемостью динамики потоков газожидкостных или паровоздушных смесей в условиях возвратно-поступательного движения поршня.

Отсюда следует, что объективная оценка совершенства модернизируемого или вновь создаваемого образца детандера или компрессора может быть выполнена только на базе современных, апробированных на практике, методов расчета, предусматривающих анализ рабочих процессов на базе графических зависимостей p-V, Т-У, h-M, T-s, =fl$>), М =У((р) и Q =/[ф) и расширенного комплекса интегральных показателей в цифровой форме, результаты которого обеспечивают объём информации, достаточный для корректной и научно обоснованной оценки совершенства протекающих рабочих процессов и конструкции объекта исследования.

Предварительный расчетный анализ показал, что изменение степени сухости х различных криоагентов в рабочей камере газожидкостных детандеров в течение цикла лежит в диапазоне 0.8 < х < 1.0, т.е. на выходе образуется равновесная парогазовая смесь - псевдогаз с предположительно равномерным распределением капель жидкости по объему рабочей камеры.

По результатам литературного обзора сформулированы следующие принципы работы над диссертацией:

- Ориентация на сочетание расчетно-теоретического анализа с натурным экспериментом, программа и объём которого диктуется результатами предварительного расчетного анализа.

- Совершенствование математической модели рабочих процессов и прикладной программы расчета МОД, комплексно учитывающей многообразие конструкций ступеней и комплектующих узлов компрессоров и детандеров, геометрию газового тракта на входе и выходе ступеней, свойства реальных рабочих веществ в газовой и паро-жидкостной области.

- Получение комплекса эмпирических зависимостей, обеспечивающих уточнение вводимых в программу расчета зазоров в уплотнительных узлах, коэффициентов расхода геометрически сложных каналов «цилиндр-клапан-полость» и эмпирических уравнений для коэффициента давления потока газа при одно- и (или) двухстороннем обтекания клапанных пластин.

- Разработка и апробация принципиально новой конструкции детандерной ступени, к которой предъявляются требования стабильности работы в широком диапазоне режимных параметров в условиях фазовых изменений рабочего вещества в течение рабочего цикла (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Принципиальная схема и обобщенный расчетный цикл прямоточной одноклапанной ступени паро-жидкостного детандера

1 - впускная полость, 2 - выпускная полость, 3 - впускной клапан, 4 - выпускные окна

- Разработка современного подхода при изучении газодинамических процессов, интенсивности процессов тепло- и массопереноса и фазовых переходов в ступенях МОД. Его основой является анализ работы ступени не только на базе традиционных индикаторных диаграмм (р - У)ф, но и с помощью ряда расчетных графических зависимостей в координатах (Т -<Ъ - Щ, Рщелим =/(<р), рокон =/(<р), О = /(<р) и других.

По результатам проведённого анализа был сделан вывод об актуальности темы диссертационной работы.

Значительная часть работы связана с подготовкой, проведением и использованием результатов натурного эксперимента. В ходе его подготовки был разработан ряд стендов на основе реальных машин объёмного действия имитаторов ступеней и отдельных узлов. Цель эксперимента - получение прямых рекомендаций по повышению эффективности конструкций и рабочих циклов объектов исследования, а также эмпирических критериев коэффициентов и зависимостей, использование которых в разрабатываемой математической модели способствует упрощению её математического аппарата и повышению точности результатов расчета.

Среди результатов выполненного эксперимента отметим следующие-

1. Предложенный критерий удельной теплообменной поверхности цилиндра Руд.,- - {2(Кр + 8п/Е>ц) / (рвсБп)},- [м2/кг], корректно отражающий зависимость интенсивности процессов теплообмена от геометрических и режимных параметров и свойств газа в г - й ступени компрессора (детандера),

2. Расчетно-теоретическое и экспериментальное обоснование текущего коэффициента расхода щ = учитывающего наличие местных сопротивлении в каналах сложной конфигурации между рабочей камерой и всасывающим (нагнетательным) клапаном, где - коэффициент расхода

клапанов, а Ки.ф = {[а,1Ш + Ккр + СФ-(8П / 25 - 0.16-Ккр}- поправочный коэффициент, учитывающий текущее перекрытие каналов крышкой Ккр и движущимся поршнем при ходе Бп и посадочном диаметре клапанов - ёь

3. Экспериментально установлено, что при одностороннем течении газа в щели клапана (рисунок 2, кривая 2) коэффициент давления по мере перемещения пластины к

ограничителю снижается, т.к. при раскрытии щели поток газа действует только на часть поверхности пластины под углом, отличным от 90°.

Полученные данные позволили ввести в математическую модель уравнения, позволяющие учесть особенности динамики движения каждой из пластин < 10)

кольцевых клапанов, отличающихся не только размерами, массой и сечением каналов в седле и ограничителе, но и характером обтекания (одно- или двухстороннее) пластин потоком газа (см. зависимости для ркл на рисунке 2).

Рисунок 2. Коэффициент давления многокольцевых клапанов

1 - двухстор. поток на всех пластинах;

2 - одностор. поток (внешняя пластина)

0.7

0.5

Экс / перимент

V?

\А. / / -0.5/"

/

----------

0.2

0.4

0.6

Рисунок 3. Коэффициент расхода выхлопных окон и клапанов ступеней ПД

4. При продувках выхлопных окон на имитаторе ступени ПД была получена эмпирическая зависимость, достаточно точно описывающая изменение коэффициента расхода выхлопных окон переменного сечения (рисунок З.а).

Аналогичные данные (рисунок З.б) получены при продувках нормально-открытых клапанов ступеней ПД. Варьирование в ходе эксперимента диаметра отверстий в седле (¿4 = 6 - 7 - 8 мм) при фиксированных положениях пластин в диапазоне 0 < И < 2 мм позволило получить

расчетную зависимость для коэффициента расхода в виде Цщ ~ 1-0,55/ .

5. Эмпирические зависимости, корректно описывающие условные зазоры: В закрытых клапанах. 0.25 < 5уСл <2.0 мкм - данные (ЛЕННИИхиммаш); 5КЛ = (2 ... 5) / П0-5) мкм - продувка клапанов обратным потоком;

§усл.и./ = (2 ... 5)-103/(П'Пгрвс./0-5) мкм - статистическая обработка результатов

заводских испытаний воздушных и газовых компрессоров ОАО Компрессор; здесь: п - об/мин, рвс.| - кг/м3, П, - отношение давлений в г-й ступени. В уплотнении поршня -.

1. При наличии смазки - 5уаи = 20-Бц.,- [мкм], где О,, [м].

2. Без смазки - бусл_;?, = [28/(р ВХ /р*ш)°\Н1 - ЬкЛЭц)+(Дз/271) • (1 -Оп/Оц). Полученные эмпирические зависимости позволяют вводить в программу

расчета более обоснованные величины условных зазоров с учетом режимных параметров и реальных свойств газов, газовых и газо-жидкостных смесей.

6. Предложена расчетно-аналитическая зависимость для выбора допустимой величины перемещения пластин нормально-открытых клапанов, полученная при статистическом анализе существующих конструкций, удовлетворяющих требованию минимизации скоростей посадки пластин на седло (\\^с < 1 м/с): Икл* = 0.28[рпл / П]0'55, Где П [об/мИН], рпл [кг/м3], Ькл* [мм].

7. Рекомендации по теплоизоляции ступени детандера низкого давления.

Исходха* сту

7к«247К

7Х-245К

7к = 23 7К

2к = 232К

1. Ислсолта^й ЖАрхлктгЗ-ккпахгаянАХСхутгетл двттяа«ра бее-техта^олл!!«» рабочей казлврьа

2. Тр я л ициокный иртвт — харужхсо« покрытгее п: оъ&ухх ко с-гя цкпинлри епоемтепло1гаолт£ш

3. Пр«аззск»анв10дйжжриАнг - жяутрвиюпохркги* »клопнойполоста спмш твппяитишя*

4. Радч^адусмый ваарилнт — сочвгляк б-араавгга 3 с водяным ооспн-дтаиит элементов бялмПД

Рисунок 4. Варианты теплоизоляции 2-х клапанной ступени детандера.

Результаты испытаний (рисунок 4) показывают, что наибольший эффект достигается в ступени с внутренней теплоизоляцией выпускной полости, при которой на 10 - 15 К снижается величина Гк и прекращается образование «снежной шубы» на наружных поверхностях рабочих цилиндров. 8. Подтверждена (см. рисунок 5) адекватность модели и корректность выходной информации программы КОМДЕТ-М. На это указывает идентичность расчетных и экспериментальных давлений на участке сжатия в момент включения (<р ~ 350°) толкателей впускного клапана, а также процессов впуска-наполнения (ртах < р» при 0 < ср < 15°) в ступенях с малым сечением щели впускного клапана и высоком мертвом пространстве а = 81 %. Опыт практического применения программы КОМДЕТ-М на отечественных фирмах, связанных с разработкой новых и модернизацией существующих компрессоров и детандеров, говорит о правомерности сделанного вывода.

а.

р, МПа 0,75 0,5 0,25 0

р, МПа 0,75 0,5 0,25 О

О 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 <р, град 360

Рисунок 5. Расчетные и экспериментальные индикаторные диаграммы ступени детандера с двухклапанным газораспределением. - расчет --------эксперимент

Основное внимание в работе уделено развитию методов расчета на основе математического моделирования рабочих процессов в ступенях МОД. Концептуально метод базируется на следующих положениях:

- применимость модели при углубленном анализе взаимосвязанных рабочих процессов, поиске и научном обосновании на стадии проектирования «оптимального» варианта объекта исследования, эффективно и надежно работающего на газах, газовых, газожидкостных и паро-воздушных смесях в широком диапазоне режимных параметров;

- получение новой информации недоступной при натурном эксперименте;

- вывод на печать расширенной итоговой информации, включая текущие значения давления, температуры, энтропии, энтальпии, перемещения пластин клапанов, сечений каналов органов газораспределения и тепловых потоков в сочетании с комплексом интегральных параметров, что позволяет делать научно обоснованные выводы о степени совершенства конструкции объекта исследования и протекающих в нём рабочих процессов;

- адекватность модели, подтвержденная сторонними организациями, использующими программу КОМДЕТ-М на стадии проектирования МОД;

- простота освоения программы КОМДЕТ-М сторонним пользователем.

Объекты исследования, интересующие автора, показаны на рисунке 6. Рабочие циклы ПК общеизвестны и не требуют пояснений. Обобщенный рабочий цикл прямоточной ступени ПД с самодействующим нормально-открытым впускным клапаном и выхлопными окнами показан на рисунке 1. Расчетная схема приведена на рисунке 7. Начало расчета - (р = 0°, ВМТ.

а = 37.6%

= 0,8

*" **

Рк Т°>1

1 1

б. а = 81.0%

0,8

pY = < и

1 -

I РЛ

и

Р.К

^ПЛЛППЛППГ»!

ВИТ

рЛ

нмт

Рисунок 6. Схемы однорядных компрессоров (а-б-в) и детандеров (г)

Центральным в системе уравнений модели ступени является уравнение сохранения энергии тела переменной массы для ¡' - й полости

(1)

у*

Преобразуя уравнение 1 с учетом реальности рабочего вещества, запишем

т-М + И-сХт =¿<2 + (2)

Переходя к конечно-разностной форме записи при Дт —> 0 с учетом не герметичности уплотнительных узлов и клапанов в закрытом состоянии, получим

тТ

(3)

Рисунок 7. Расчетная схема ступени МОД

Таким образом, для расчета реальных циклов МОД необходимо иметь данные о текущих величинах: давления р, температуры Г, массы ш, и энтальпии Ь газа в рабочей камере, теплопритоках я массопереносе Дт через каналы, соединяющие рабочую камеру (рк) и прилегающие к ней полости (/') конечного объёма с давлением р =/((р).

При описании составляющих уравнений 1-3 использованы соотношения: Приращение текущего объема цилиндра - ДР"„ = - У„, где У9 = (а + С„) Ун, У9+д„ = (а + С^„)Ук иС,= 0.5(1 -соБср + О.ЗЛ^зиАр). Приращение массы газа в рабочей полости - Дт =

Ю I

где М* [кг/с] - массовый расход газа через / - й узел не герметичности. Уравнение Ньютона - т ■ = Рпр - Рт,

где Лда=ф•^•[l•l-A•(Fщ.,/Fo)2], Рт = (»„<:„),^ +л„,-А,, > 0

Скорость перемещения пластин - УУ

о \ во гс

тт р

Перемещение пластин клапана

со

■1КЛ-Ф 5усл)

Текущее сечение в щели клапанов - 7\ц.ф = ПЩ (ЬК Условие начала перемещения пластин клапанов: (Ргт - Р„р) > 0. Количества подведенной теплоты А0л9 : с!() = ар9 • ^ (Гст- Т) ■ г/г

сс„ =

А.

чО.б

А<р со

Расчет свойств реальных рабочих веществ Расчет свойств реальных газов, газовых и газожидкостных смесей проводится на основе разработанного Ли и Кеслером модифицированного уравнения состояния Бенедикта-Вебба-Рубина. Данный подход при расчете замкнутых циклов МОД предусматривает следующие этапы.

Расчет волюметрических свойств. Применение уравнения Ли-Кеслера требует знания критических параметров рабочего вещества и фактора ацентричности Питцера со. Расчет сводится к определению коэффициента сжимаемости г, который связывается со свойствами простого вещества и н-октана (свойства газа и жидкости), выбранного в качестве эталона1. Таким образом, уравнение связывающее давление р, удельный объем 9 и температуру Г записывается в виде

р9 = гЯТ (4)

Порядок расчета величины г следующий:

1. По известным текущим и критическим значениям температуры и давления определяются приведенные параметры

Гпр = Т/Тц, > Рщ,=Р/Ркр> где Гкр(пр) и ркр(пр) - критические (приведенные) температуры и давления.

р 9<0>

2. Определяется идеальный приведенный объем 9'°* = —-

ЯТ

простого вещества в соответствии с уравнением

В С

г, <*<"> Р пр^пр

= 1 + •

}(о)

+

(К')2

+

тик:')2

ехр

(К;')2

1 Простым названо вещество, для которого фактор ацентричности Питцера

со = 0; для эталонного - сог = 0.3978.

где константы В - С - D для простого и эталонного вещества приведены в диссертации.

3. По величине находим коэффициент сжимаемости простого вещества:

„ Ыо) z(o) _ Ущ>ищ>

Т

4. При тех же приведенных параметрах повторяется расчет по пп. 2 и 3, но с константами для эталонного вещества и по полученной величине 9^

v 9(г)

определяется z(r) = пр .

Т

пр

5. Коэффициент сжимаемости рабочего вещества определяется по уравнению

При использовании приведенных уравнений в интервале Гпр = 0,3...4,0 и Рпр=0...10 погрешность расчета волюметрических свойств не превышает 2%.

Расчет термодинамических свойств реального газа При расчете цикла изобарная теплоемкость ср, энтальпия h и энтропия s рабочего агента рассматриваются как сумма их значений в идеально-газовом состоянии при температуре Г и давлении p°=RT/9° (удельном объеме 9" )2 и величины их изотермического изменения при переходе из опорного состояния в состояние с той же (заданной) температурой Т и заданным давлением р (удельным объемом 9).

1. Изобарную теплоемкость идеального газа находим на основе соотношения

Ср = Л?Л (lööö) '

обеспечивающего достаточную точность искомой величины с0 при а =9.

Р г пс

2. Для определения величин идеально-газовой энтальпии (/г°) и энтропии (s°) используются следующие известные соотношения

h° = )cldT + h0 и s° = ]&L+sg, Т. т„ 1

где ho и Jo - константы интегрирования, определяемые на основе уравнений

в котором аПн, ап>, bh, bs - эмпирические коэффициенты.

3. Изотермические изменения изобарной теплоемкости, энтальпии и энтропии определяются через волюметрические свойства веществ на основе соотношения для свободной энергии Гельмгольца da = ~Pd9°.

2 Индексобозначает свойства вещества в идеально-газовом состоянии

Расчет теплофизических свойств реального газа Для расчета тепловых потоков в ступени МОД требуется корректное задание величин теплопроводности и динамической вязкости реального газа. Принятые в работе методы расчета указанных свойств рабочих веществ предусматривают двухэтапное определение искомых величин: вначале - при низком давлении, а затем - с учетом поправки на фактическое давление.

1. Расчет динамической вязкости газа ц при низком давлении базируется на рекомендациях Чэпмена-Энскога, согласно которым

. у/ИТ

где М - молекулярная масса, Пв - интеграл столкновений, а - диаметр столкновений, Ап - коэффициент, зависящий от размерностей М, ¿23,о.

2. Расчет теплопроводности газа >.° при низком давлении основан на использовании корреляция Бромли, предложенной в виде

Я°М

= 1,30с"+3,50-

0,70

Начало

О

где с°р- Я - теплоемкость идеального газа при постоянном объеме.

Расчет свойств рабочих веществ во влажнопаровой области.

Приведенные уравнения позволяют определять свойства чистых газов и газовых смесей в газовой, парожидкостной и жидкой фазе при 0 < ср < 360°. Из-за сложности базовых уравнений принят итерационный метод расчета с фиксацией состояния рабочего вещества на каждом шаге. По ходу расчета каждого цикла заданное и расчетное значения параметров сравниваются и в случае существенного расхождения расчет повторяется.

Алгоритм этой процедуры приведен на рисунке 8.

В области влажного пара расчет свойств в конечном итоге сводится к поиску степени сухости рабочего вещества х и значений свойств рабочего вещества в состоянии насыщения: г = 21 + х(гу-г[), v = vL + х(уу - VI), к = й£ + х(Иу - /гд), 5 = Бь + х(яу -

где индексами «Ь» и «V» обозначены свойства в состоянии насыщенной жидкости и насыщенного пара соответственно.

Пеовое пшближение по давлению

з:

Расчет удельного объема (ух) по заданному давлению и энтропии V

Расчет разности (х) между заданным (г) и найденным (V») удельным объемом

ы =

и

1000

да

р = р + 41> нет сГх>о

^^ да

Ар - Ар/2 р-р-Ар

Расчет темпепа-га>

Конец

Рисунок 8. Подпрограмма расчета свойств газа

Определение интегральных параметров ступени МОД Интегральные показатели находим путем численного интегрирования текущих параметров рабочего цикла. Приведем некоторые из них:

™ = м вы/<Р - массовый расход рабочего вещества т (кг/с); 2* =™-(К~К) - холодопроизводительность детандера; к.к-ра--V л™-' = V ,--- конечная энтальпия;

р=3б0° I V

'»яд = - индикаторная работа.

?>=0°

Объём выходной информации программы КОМДЕТ-М по текущим и интегральным параметрам объекта исследования (см. рисунок 9) позволяет делать корректные и научно обоснованные выводы о степени совершенства рабочих циклов и конструкций ступеней МОД на стадии проектирования.

Рисунок 9. Выходная информация программы КОМДЕТ-М

Ниже приведены примеры использования программы КОМДЕТ-М при изучении одновременно протекающих и взаимосвязанных рабочих процессов. Рассмотрены отдельные гипотезы теории МОД и существующие зависимости для расчета величин объёмного и теплового коэффициентов дожимающих компрессоров, работающих на различных газах, газовых и газожидкостных смесях и другие факторы. Остановимся на них подробнее. 1. Удельная теппообменная поверхность ступени МОД.

Интенсивность теплообмена газа со стенками цилиндра зависит от величины теплообменной поверхности рабочей камеры ¥г.0, её температуры, скорости обтекания газом и физических свойств рабочего вещества. В реальных компрессорах с увеличением порядкового номера ступени сжатия величина Ег.о снижается пропорционально квадрату диаметра цилиндра, в то время как масса газа в каждой из ступеней остается практически постоянной

и определяется объёмом цилиндра и плотностью рабочего вещества на всасывании рв0 = f[p&c, ТЕС, R). С учетом указанных факторов предложен критерий Fu.yj, характеризующий среднюю за цикл удельную теплообменную поверхность рассматриваемой ступени Fu.yj = 2(КР + Sn/Du)/pBCSn [м2/кг], где Кр - коэффициент оребрения внутренней поверхности рабочей камеры.

Структура Fu.ya позволяет прогнозировать наибольшую интенсивность процессов теплообмена в одноступенчатых вакуум-компрессорах (|рВо) и в 1-й ступени многоступенчатых малорасходных компрессоров, сжимающих «легкие» газы, существенное снижение её во II ступени и минимальную - в ступенях высокого давления и в дожимающих (рвс|) компрессорах.

2. Новая трактовка понятия объёмного коэффициента

В теории МОД под коэффициентом А®, понимают отношение объёма всасываемого за цикл газа V*EC к объёму цилиндра Vh при массе газа Мм в мертвом пространства V„ определяемой уравнением Мм = Мз = рзаУь. В течение цикла масса Мм постоянно присутствует в цилиндре, но при этом меняется её текущая плотность рм.ф и объём VM.<p согласно соотношению

Мм = Мз = Мм.ф = Рм.ф-Ум.ф = const При положении поршня в НМТ объём цилиндра равен Vi = (1 + a)Vh, а объём газа V'bc всасываемого в ступень за один цикл, определяется соотношением V*BC = Vi - Vp.i= V, - (Vp.4 + AVp.4.1). Отметим, что в реальной ступени при наличии теплообмена и массопереноса величины VP.4-i и Уес не могут быть определены из индикаторной диаграммы, но с учетом величин Мм = piVP.i и Vp.i = (рз / pi)aVh можно записать: V*BC = {1 - а[(р3 / pi) - l]}Vh. Поделив обе части данного соотношения на Vh, получим модифицированное уравнение для объёмного коэффициента справедливое для идеального и реального газа, газовых и парожидкостных смесей

Ao = V*BC/Vh= 1 -a[(p3/pi)- 1], где р3и pi - фрагменты выходной информации программы КОМДЕТ-М.

Анализ полученного уравнения позволяет по новому интерпретировать понятие Хо". величина объёмного коэффициента помимо общеизвестных факторов существенно зависит от интенсивности процессов теплообмена газа со стенками цилиндра на участках всасывания и нагнетания, влияющих на плотность газа в начале сжатия pi и расширения р3 = рм, а значит и на массу газа Мм в мертвом пространстве ступени VM при положении поршня в ВМТ.

3. Новая интерпретация коэффициента подогрева X?.

При расчете величины обычно используют эмпирическую зависимость, полученную при испытаниях воздушных компрессоров

?ч = V = 1 - (0.01 - 0.025)-(П -1). Корректность её применения при расчете газовых ПК весьма проблематична.

В связи с этим в работе выполнен 2-х этапный численный эксперимент с целью анализа работы I ступени газового компрессора 2РГ-3-350 при сжатии различных газов (водород - воздух,), имеющих одинаковый показатель адиабаты к = 1.4 и на порядок различные по величине газовые постоянные R, в условиях переменного отношения давлений в ступени (П = 2 ■+■ 3.5) при водяном (Кст = 0.35) и воздушном (Кст = 0.5) охлаждении.

Таблица 1.

Интегральные параметры I ступени компрессора 2РГ-3-350 _рабочее вещество - водород_

Параметры Размерность Охлаждение

Кст = 0.35 (Водяное) Кст = 0.50 (Воздушное)

П - 3.5 3.0 2.5 2.0 3.5 3.0 2.5 2.0

X 0.7280 0.7645 0.8119 0.8603 0.6725 0.7200 0.7704 0.8249

Ад 0.9986 0.9983 0.9983 0.9984 0.9990 0.9991 0.9992 0.9983

Ао 0.8226 0.8533 0.8858 0.9203 0.8279 0.8581 0.8899 0.9235

^т. комдет 0.9260 0.9366 0.9486 0.9623 0.8522 0.8729 0.8953 0.9205

Ат' 0.975 0.980 0.985 0.990 0.950 0.960 0.970 0.980

Результаты анализа, приведенные в таблице 1, показывают следующее:

- независимо от способа охлаждения величина коэффициента подачи X всецело определяется изменением коэффициента подогрева "К =/(П, Кст)',

- найденная величина Аг.комдет существенно отличается от величины XV, вычисленной по эмпирической зависимости, справедливой для воздуха.

При сжатии различных рабочих веществ (таблица 2) в заданном диапазоне отношений давлений в ступени наблюдаются следующие особенности:

- изменение коэффициента подачи X при сжатии водорода (воздуха) лежит в диапазоне 3 - 8 %, возрастая по мере увеличения отношения давлений П;

- величина коэффициента подачи зависит не только от коэффициента подогрева К, но и от объёмного коэффициента А«, хотя и в меньшей мере;

- для ступеней, сжимающих «легкие» газы (водород, Rf —» рвс|), характерен более интенсивный подогрев газа в процессе всасывания ДГ4.1 и не менее интенсивное охлаждение в процессе нагнетании ДТ2-3, что приводит к примерному равенству температур нагнетаемого газа Гщ-.ср ~ const, несмотря на существенную разность температур в начале сжатия равную ATi ~ 12 К.

Таблица 2

Интегральные параметры I ступени (пол. Б) компрессора 2РГ-3-350 (различные газы, водяное охлаждение, 5усл.кл = 1 мкм)

Параметры Размерность РАБОЧЕЕ ВЕЩЕСТВО

ВОДОРОД (рас. реал = 0.0827 Кг/м3) Воздух (Рве. реал = 1.1893 кг/м3)

П - 3.5 3.0 2.5 2.0 3.5 3.0 2.5 2.0

х a s%) 0.7280 0.7645 0.8119 0.8603 0.7887 0.8181 0.8512 0.8883

Хг(1 4%) 0.9260 0.9366 0.9486 0.9623 0.9643 0.9674 0.9713 0.9754

Хо«2%) 0.8226 0.8533 0.8858 0.9203 0.8406 0.8681 0.8972 0.9282

Тх 316.4 312.8 308.9 304.5 303.8 302.9 301.7 300.4

т, 399.2 380.7 360.8 339.2 409.4 391.5 371.8 349.6

ДТ4-, 38.7 35.8 32.2 26.9 22.7 18.6 17.2 15.0

ЛЬ.ъ 47.5 43.1 37.5 30.1 23.7 21.8 19.4 16.0

Тнт.ср 433.8 412.5 389.0 362.7 429.4 410.5 389.5 365.5

РЭ кг/м3 0.212 0.191 0.168 0.143 2.974 2.667 2.341 1.993

Pi 0.076 0.077 0.078 0.079 1.147 1.150 1.154 1.160

М„=Мз грамм 0.2660 0.2392 0.2103 0.1789 3.728 3.343 2.935 2.498

V«(I8%) м3/мин 3.6511 3.8341 4.0719 4.3146 3.9543 4.1017 4.2716 4.4539

Хт' К 0.975 0.980 0.985 0.990 0.975 0.980 0.985 0.990

У 0.927 0.942 0.956 0.971

По результатам численного анализа предложена новая эмпирическая зависимость для определения коэффициента подогрева W на стадии проектирования, адекватность которой для воздушных и газовых компрессоров проверена в широком спектре рабочих веществ, режимных параметров ступеней и условий их охлаждения. Для рабочего вещества с произвольно выбранной газовой постоянной R она записывается в виде

К' = 1 - (0.010 - 0.022)-(П - 1>(№,0WX/4. 4. О корректности гипотезы VBC =/(рво ,ГВ0, R) = const ??

Выявленные закономерности указывают на возможность существенного отклонения объёмной производительности компрессора от номинальной, что противоречит сформировавшейся гипотезе, согласно которой объёмная производительность поршневых компрессоров приведенная к условиям всасывания VBC = / (р8с, 7*вс, R) = const. Известно, что VBC = m/pBC = X-(Vh.rn). Поскольку Уьл'п = const, то величина VB0 может оставаться постоянной только в том случае, если выполняется условие: X = const. В общем виде коэффициент подачи описывается уравнением

X = Ха К [Хо - (AX.BC + ДХ.„г)] - (vnp + VB.y+ Vbjj) Для упрощения анализа примем, что ступень герметичная и газ сухой, т.е. vnp, vB.y и vBJ] = 0; с учетом принятых допущений запишем VBC (X), где X = Хд Хг [А« - (ДА,ВС + ДА.„Г)] Различие в свойствах рабочей среды, зависящих от R, рвс и Твс, приводит к изменению плотности рвс на входе в компрессор и массы всасываемого газа. Это отражается на динамике движения клапанных пластин, на интенсивности теплообмена газа со стенками рабочей камеры в процессах всасывания и нагнетания, а значит и на массе газа Мм в мертвом пространстве ступени при положении поршня в ВМТ. Для оценки совокупного влияния этих факторов на коэффициент подачи на I этапе был выполнен расчетный анализ параметров ступени, работающей с переменным давлением рвс при сохранении отношении давлений в ступени П = 3 = const.

Результаты численного анализа приведены на рисунке 10 и в таблице 3.

Анализируя текущие (рисунок 10) и интегральные (таблица 3) параметры, можно установить следующее:

• При заданной конструкции и параметрах клапанов ступени ПК во всем диапазоне изменения pBQ коэффициент давления Ха—>1.0.

• При заданных геометрических и режимных параметрах ступени потери производительности в результате запаздывания закрытия клапанов (ДХВС и АХНГ) в случае /?вс Ф const незначительны и слабо влияют на величину коэффициента подачи X.

1 1 чр

\ И" у -

1

Att 0.3/0.1 к. ; J

\

— Г гЯ 'Т

О 41 и 0J 0.4 Ц5 0,6 0,? 0.! г i

Рисунок 10. Температурные диаграммы при П = рт /рВс = 3, Гвс = 293 К

----0.3/0.1 ----- 8.1 / 2.7 МПа

Температурная диаграмма Г - С (см. рисунок 10) дает наглядное представление о качественном изменении каждого из процессов рабочего цикла при работе ступени на газах с различными свойствами.

• По мере увеличения рвс возрастает температура газа в мертвом пространстве ступени Т3, что объясняется снижением интенсивности теплоотвода от газа на участке нагнетания 2-3 (ДТ2.з -* 0). Вследствие этого при V„ = const снижается плотность р3, а следовательно, и масса газа Мз.

• Выявленные закономерности противоположного изменения величин pi и р3 приводят к снижению отношения р3 / pi и к соответствующему росту объёмного коэффициента Хо = 1 - a(p3/pi - 1) по мере увеличения рвс.

• С увеличением рва возрастает масса всасываемого газа М ~ рк, а удельная теплообменная поверхность Рц.уд~ 1/рвс, напротив, снижается. Это приводит к снижению подогрева газа в процессе всасывания (ДТм -» 0) и его температуры в начале сжатия Т\, а в итоге к увеличению коэффициента подогрева Хт и плотности газа в начале обратного хода поршня рь

• Диапазон изменения энтропии за цикл ASC-P = ДF„.ya) количественно и качественно отражает степень изменения интенсивности теплообмена газа со стенками цилиндра при изменении рвс. Из приведенных данных следует, что при увеличении рвс и массы газа в цилиндре интенсивность теплообмена в ступени компрессора сводится к минимуму, поскольку ASC.P —► 0.

Таблица 3

Параметры ступени компрессора при переменном рвс и П = 3 = const

Параметры Размер- Давление всасывания р,с, МПа

ность 0.1 0.3 0.9 2.7 8.1

Рит МПа 0.3 0.9 2.7 8.1 24.3

F„.v,~ l/pac 1 м2/кг 49.3 16.34 5.45 1.81 0.60

Рвс -реал гвэ кг/м3 1.189 3.565 10.74 32.09 98.23

V« (+9.3 •/.) Т м3/ч 16.42 17.16 17.14 17.48 17.95

Т\ 1 к 306.0 299.9 297.6 296.5 295.8

т% т 391.6 400.6 404.1 406.6 407.5

т 0.8064 0.8413 0.8422 0.8490 0.8816+11%

Хд =р\ 1 Pus 1.0

%,= Тк / Г] т 0.9574 0.9770 0.9846 0.9882 0.9904

Я«=/(рз/р,) t 0.8764 0.8856 0.8904 0.8959 0.9123

ди I 0.0213 0.0084 0.0111 0.0107 0.0095

Д>«г I 0.0124 0.0155 0.0238 0.0254 0.0104

ASc-p J. кДж/кг 0.0832 0.0321 0.0114 0.0037 0.0011

В рассмотренных вариантах ступени при повышении рт коэффициент подачи X фактически определяется двумя факторами: подогревом газа в процессе всасывания и массой газа в мертвом пространстве ступени, зависящей от интенсивности охлаждения газа в процессе нагнетания.

Тот же качественный результат был получен и при работе ступени с переменной температурой всасываемого газа Твс, П = 3 и рвс = const. Однако, количественное отклонение величины VBC от её номинального значения в этом случае существенно ниже и не превышает 0.5 %. По мере увеличения

Гвс сохраняется тенденция роста коэффициента подогрева Хт, но при этом на фоне Хо = 1 - а-(р3 /pi — 1) = /(Гвс) ~ const нарастает величина (ДХВС + ДЯ*Г)Т учитывающая влияние запаздывания закрытия клапанов.

Таким образом, объёмная производительность компрессора, приведенная к условиям всасывания VBC =/(рвс, Твс, R), не является величиной постоянной, отклоняясь в рассмотренных случаях от номинала на величину до 11 % !!

Приведенные фрагменты численного анализа рабочих процессов МОД позволяют, по мнению автора, считать решенной одну из главных задач -получение на основе математической модели и программы КОМДЕТ-М новой информации об объекте исследования, невозможной в условиях натурного эксперимента.

Создание образцов новой техники автор связывает с применением баз, форсированных по частоте вращения вала и средней скорости поршня, с разработкой принципиально новых научно обоснованных технических решений и перспективных рабочих циклов в сочетании с внедрением в практику проектных подразделений отечественных фирм апробированных методов экспресс-анализа взаимосвязи конструкции объекта исследования и комплекса протекающих в нем тепловых, газодинамических и механических процессов. Такой подход позволяет на стадии поверочного расчета или в ходе доводки макетного образца находить «оптимальный» вариант (лучший из числа рассматриваемых), отвечающий требованиям эффективности, надежности, удельных массо-габаритных показателей и др.

Приведем примеры решения некоторых задач, изложенных в диссертации, на базе созданной программы КОМДЕТ-М повышенной информативности. 1. Оптимизация соотношения S/D\ компрессоров на индивидуальных базах.

При разработке компрессоров специального назначения с заданной производительностью и усилием по рядам Р6 в ряде случаев идут по пути разработки индивидуальных баз, решая на I этапе задачу поиска и обоснования оптимального параметра \|/i = sn/Di... S„/di при Ыуд.инд —> min. В ходе расчетного анализа в диапазоне а < Vi < А сохранялось соотношение Vh ~ d2-Sn = D2-s„ = const, где\)/1=А соответствует предельно высокой средней скорости поршня сп < 6.5 м/с, a yi = а - предельно допустимой газовой нагрузке по рядам проектируемой индивидуальной базы. В качестве органов газораспределения приняты сферические клапаны, число которых, а значит, и мертвое пространство ступени, пропорционально F„ ~ D2 =/(\|/i).

При Vh = const увеличению Du и Z™ сопутствует снижение хода поршня jsn и рост величины относительного мертвого пространства, вследствие чего снижается производительность ступени и газодинамические сопротивления в клапанах в условиях переменной динамики клапанных пластин.

Рисунок 11. Оптимизация параметра Sn/Du индивидуальной базы 2У0.5-1500 р., = 0.1 МПа, р„ = 0.36 МПа

Результаты численного эксперимента (рисунок 11) говорят о следующем: оптимальному варианту рассмотренной базы 2У0.5-1500 в данном случае соответствует vjri = 0.3 (S„ = 45 мм и D„ = 150 мм, а = 8.7 %, ZM = 11/11 и с„ = 2.26 м/с). 2. Оптимизация самодействующих клапанов ступеней ПК.

Самодействующие клапаны по существу предопределяют эффективность и надежность поршневых компрессоров. Поэтому оптимизация конструкции клапанов и динамики движения клапанных пластин является обязательной на стадии проектирования (модернизации) компрессора любого назначения и исполнения. Покажем это на примере модернизации ленточных клапанов компрессора ПКС-8/101, выполненной по договору с УКЗ (г. Екатеринбург).

Основной задачей модернизации являлось повышение наработки клапанов до 1-го отказа* при выполнении требования идентичности посадочных размеров штатных и модернизированных клапанов. О возможности решения этой задачи говорил тот факт, что компрессор укомплектован клапанами от ранее созданных машин без корректировки их конструктивных параметров.

Суть модернизации поясняется на рисунке 12 и состоит в замене штатных клапанов при 2Пл-(Ь'Ь-8)пл = 12-(78-8-0.6) мм на модернизированные клапаны с меньшим числом Z„„, но с увеличенной длиной пластин Ьпл —> 6-(130-8-0.8).

Г N !

Ч --

30 90 150 210 270 ф, град 30

Рисунок 12. ПКС-8/101-1 ст. Конструкции и диаграммы движения пластин штатных (а,......) и модернизированных (б,------) клапанов

Анализ приведенных диаграмм движения пластин позволил установить, что при укороченных пластинах штатных клапанов их реальное проходное сечение в динамике существенно ниже в сравнении с модернизированными клапанами, имеющими в статике меньшее (на 20 %) сечение в щели. Вместе с тем, устранение явления «флаттера» (см. рисунок 12) и снижение скоростей посадки пластин на седло \¥с (см. таблицу 4) гарантирует повышение наработки клапанов до 1-го отказа. Это подтвердили натурные испытания ПКС-8/101 с модернизированными клапанами I ступени на стендах УКЗ.

Помимо указанного, в ходе модернизации удалось снизить запаздывание закрытия клапанов (ААВС.„Г|), температуру нагнетаемого газа Гнг и удельную индикаторную мощность Куд.Инд и увеличить производительность ступени Увс на 8.5%, т.е. существенно улучшить основные технико-экономические показатели объекта исследования.

* По данным УКЗ наработка штатных клапанов на отказ не превышала 500 часов

Таблица 4

Интегральные параметры I ступени компрессора ПКС-8-101 р«-0.1 МПа, 7,вс-297 К,ри. = 0.435МПа, = (!,„,= 60 мм, У„= У,Ь[Х= 100%

Параметр Варианты исполнения I ступени (полость А) ПКС-8-101

КОД варианта Размерность ПКС-1АШ-12-1 ПКС-1А-01-Э1

Тип клапанов - ПВК-320- 1ст.вс(нг)Шт ПВК-320- 01-вс(нг)Э1

2ш-(Ь-Ь-8)пл мм 12-(78-80.6) 6(130-80.8

11ц/Ьс 2.8 / 0.5 2.8/0.3

П1А кг/ч 188.40 204.51

Увс.А нм3/мин 2.607 2.830 +55%

1^инд.А />*ном.А кВт 9.885/9.018 10.619+74%/9.679+73%

X ВС.КЛ / нг.кл - 0.053 / 0.035 0.049/0.039

Гиг К 469.2 455.4

ДХвс / Мнг - 0.035/0.081 0.031/0.021

Wc. ВС / нг м/с 2.16/2.70 1.04 /1.81

кВт/(нм3/мин) 3.792 3.752

3. Методика обоснования диаметров патрубков и объёмов полостей всасывания и нагнетания, примыкающих к цилиндру.

Анализ конструкции I ступени ПКС-8/101 в штатном исполнении показал, что сечения входного и выходного патрубков меньше сечений в седле клапанов, что априори ведет к повышенным газодинамическим сопротивлениям. Поэтому была поставлена задача - расчетным путем найти и обосновать оптимальное сочетание объёмов и диаметров патрубков полостей всасывания и нагнетания. Решение задачи базировалось на анализе колебаний давления в полостях всасывания и нагнетания конечного объёма. Объект исследования -1 ступень ПКС-8-101 (Б = 210 мм, 8 = 80 мм, р,с= 0.1 МПа, рнг = 0.415 МПа, Уп.вс = Vn.Hr = V),). Диаметр штатных патрубков сЦ = 60 мм, который в ходе численного эксперимента менялся в диапазоне 50- 100 мм.

Рисунок 13. Текущее давление в полостях всасывания и нагнетания — (1 = 90 мм — ё = 80 мм — <1 = 70 мм — йтр ' 60 мм — ё = 50 мм

Результаты численного анализа (см. рисунок 13) позволяют установить: • Штатный вариант <1тр = 60 мм не является оптимальным, поскольку текущее давление в полости всасывания при ср = 180° (НМТ) ниже давления на входе в ступень, что существенно снижает коэффициент давления (Хя - 0.9718).

• С увеличением сЦ до 70 - 80 мм коэффициент давления —* 1, возрастает производительность ступени (УдТ на 2.2%) и КПД СПиз.ивдТ на 3.1%) при одновременном снижении температуры нагнетаемого газа Гнг (на 7.8 К) и индикаторной мощности Нщд (на 2.5%).

• Дальнейшее увеличение (Ц не целесообразно, т.к. рост металлоемкости обвязки уже не сопровождается улучшением параметров ступени.

Вариант ступени при (Ц = 70 - 80 мм и отношении УП.ВС(НГ) / Уь = (1.4 -1.8) был рекомендован для внедрения на ПКС-8-101М. 4. ДКА в составе установок утилизации примесей ПВС.

К числу важнейших проблем на предприятиях нефтегазового комплекса относят предотвращение выбросов ПВС (смеси воздуха с парами нефти, газового конденсата и бензина) в атмосферу и возвращение сжиженных примесей ПВС в технологический цикл. Перспективным, по мнению автора, является использование ДКА, в котором холодный газ на выходе детандера захолаживает прямой поток ПВС, проходящий через компрессорный модуль, а мощность детандерного модуля возвращается на общий вал агрегата, дополнительно способствуя повышению эффективности его работы.

Особенностью последовательной работы компрессорного и детандерного модулей в составе ДКА является различие в свойствах и расходе ПВС в элементах компрессорного модуля, на выходе которого (в идеале) образуется «ЧИСТЫЙ ВОЗДУХ», используемый в детандерном модуле агрегата.

Выполненный расчетный анализ позволил получить расширенную информацию, на основании которой обоснованно рекомендуется одно- или двухступенчатый вариант компрессорного модуля агрегата с учетом параметров (Рбазы, 8„, п) существующей и принятой за основу при разработке конструкции ДКА базы.

Таблица 5

Поиск и оптимизация параметров компрессорного модуля ДКА_

Параметры Размерность ДКА на базе компрессора 6У0.5-98-1500, Рб.тах < 625 кг

2-х ст. модуль | Одноступенчатый модуль, а\ = 0.08

Рабочее вещество См44: рве. реал. ~ 1.774 кг/мЗ, К =181.1 Дж/кгК, Кс„= 1.1

№ варианта 2 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

(гцОц)1 мм Зх(140/80) 6x100 6x110 6x115 6x120 6x125

Рве / Тес МПа 0.1/313

Рнг.1Л1 0.33/0.9 0.9 0.75 0.70 0.65 0.6

Рн 0.8 0.8 0.7 0.6 0.55 0.5

IV«,! м3/мин 3x1.828 = 5.48 2.88 4.42 5.24 5.98 6.87

7нг.1 К 368 418 407 402 400 395

Лиз.инд - 0.824 0.762 0.783 0.801 0.795 0.81

Результаты, приведенные в таблице 5, позволяют в качестве оптимального рекомендовать одноступенчатый компрессорный модуль (под номером № 1.5 при г-Бц = 6-125 мм и р„г = 0.6 МПа), который обеспечивает максимальную ПрОИЗВОДИТеЛЬНОСТЬ МОДУЛЯ ВЫСОКИЙ уровень КПД (лга.инд = 0.81) и

минимальную температуру нагнетаемого газа (Гнгл = 395 °С).

Рисунок 14, Параметры детандерного модуля ДКА (р„ = 0.5 МПа,рк= 0.11 МПа) - Воздух (к = 1.4), - Смесь 20% (к = 1.18), ------ F0koh=/(<p)

Научный интерес представляют результаты анализа работы детандерного модуля в условиях неполного выделении примесей из ПВС в компрессорных ступенях. Наличие примесей в ПВС (см. рисунок 14) приводит к снижению показателя адиабаты смеси (ксм < кв03д) и росту конечной температуры газа за детандером Тк. Вместе с тем изоэнтропный КПД детандера t|s ~ const при практически пропорциональном изменении величин (hH - hK) и (h„ - hK.s). 5. На рисунках 15 и 16 показан пример применения программы КОМДЕТ-М для раздельной оценки влияния тепло- и массообмена на рабочий цикл детандера ДПВ-300-200/6-2М, что невозможно в условиях натурного эксперимента.

т,кн

Й <л-0

\г

7г =

/

— ¿J

,08 5,11. 5,14 j,кДж!1кг*Ю 5;2

Рисунок 15. Текущие параметры ступени ДПВ-300-200-6 при переменном зазоре в щели закрытого впускного клапана

-5кл = 0 -§кл = 0.6 мкм

Полученные расчетные данные позволили констатировать следующее:

• В герметичной ступени (рисунок 15,......) детандера высокого давления в

процессах расширения, выхлопа и сжатия величина Д5С-Р —> 0, что указывает на превалирующее влияние на рабочий цикл внутренних перетечек газа.

• Не герметичность впускных клапанов прямоточной ступени детандера приводит к превышению температуры газа в начале процесса наполнения Т\ над начальной температурой газа Г„ на входе в детандер.

Ж ф, град 360

Рисунок 16. Интенсивность теплообмена на отдельных участках цикла ПДВ-300-200-2М. 5кл = 0 мкм,

Г„ = 300 к.

• Разность площадей круговых циклов герметичной и реальной ступеней в координатах Г - б наглядно показывает степень снижения эффективности детандера по причине не герметичности клапанов.

• Комплекс информации в координатах р-С, Г-С, Г-в , Ь-М и 0-ф (рисунок 16) позволяет более объективно судить об интенсивности процессов тепло- и массопереноса на любом, произвольно выбранном участке рабочего цикла МОД.

6. В условиях эксплуатации возможны существенные отклонения режимных параметров МОД от паспортных. С целью обеспечения стабильной работы детандеров в широком диапазоне частот вращения вала, начального (конечного) давления и температуры при переменном расходе газа автором предложена и апробирована принципиально новая конструкция нормально-открытого самодействующего клапана, один из вариантов которого показан на рисунке 17. Конструкция клапана позволяет в процессе работы детандера плавно изменять сечение в щели, продолжительность процесса наполнения и гарантировать открытие впускного клапана при угле поворота вала ср = ср6 независимо от соотношения давлений в цилиндре и впускной полости.

Рисунок 17. Клапан впускной, кольцевой, нормально-открытый с промежуточным подвижным ограничителем I пластины.

1 - седло, 2 - ограничитель, 3 - ограничитель подвижный, 4 - пластина, 5 - толкатель, б - пружина, 7 - винт Целесообразность применения клапанов предложенной конструкции поясняется на сплошной линией выделена индикаторная диаграмма, номинальному режиму (рн = ртм). При существующих клапанах (рисунок 18,а) в случаях существенного отклонения рн и рк от ртм работа детандера нарушается, поскольку в конце процесса сжатия не происходит открытие впускного клапана.

рисунке 18, где соответствующая

а

ч

чч

\ б

V—^

-

1 — с.

Рисунок 18. Диаграммы ступени детандера без толкателей (а) и с толкателями (б)

во впускных клапанах (- ном. режим: р„ = 20 МПа,р«. = 0,6 МПа)

---ри = 32 МПа, рк = 0,6 ......... ри = 20 МПа, рк = 0,2 МПа

При комплектации ступени рекомендуемыми клапанами (рисунок 18,6) нарушения работоспособности детандера прекращаются. 7. К числу важнейших вопросов, рассматриваемых на стадии разработки, относится оптимизация рабочего цикла МОД. Поясним решение этой задачи на примере детандера с 2-х клапанным газораспределением (см. рисунок 19). Поиск и обоснование оптимального рабочего цикла содержит ряд этапов: 1. Предварительный т/д и конструктивный расчёт на основе инженерной

методики. Анализ цикла (рисунок 19,а). Недостаток: Сг« С2.0Пт ~ 0.4-0.5.

2. Анализ влияния натяга пружин впускного клапана на базе программы КОМДЕТ-М (рисунок 19,6). Результат: С2 0.5 !!, но при С6 = 0.18 — [ш [кг/ч].

3. Программа КОМДЕТ-М (рисунок 19,в). Численный анализ: переменный натяг пружин выпускного клапана. Обоснование величины С5, при которой Сб —> 0.

а

V

\ \ £ ч

3 4

|бДб б

<я (V V

0 N ч. 3

) 3 4

О 0.2 0,4 0.6 0.8 с 1 0 0,2 0.4 О.б 0.8 г 1 0 0,2 0,4 П,6 0.3 с I 0 0.2 0,4 0,6 0.8 с. 1

Рисунок 19. Оптимизация рабочего цикла ПД с 2-х клапанным газораспределением а. Расчет по инженерной методике б. Оптимизация впускного клапана в. Оптимизация выпускного клапана г. Корректировка скоростей '^са и А^с.г

4. Заключительный этап (рисунок 19,г) - корректировка скоростей посадки пластин клапанов на седло \УС и анализ интегральных параметров детандера.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе выполненных исследований автором разработаны и научно обоснованы новые теоретические положения, современные расчетные методики повышенной информативности, оригинальные экспериментальные методики, перспективные рабочие циклы и конструкции элементов машин объёмного действия, совокупность которых можно охарактеризовать как решение научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение.

2. Разработана прогрессивная математическая модель рабочих процессов в элементах ступеней компрессоров и детандеров, учитывающая реальные свойства газов, газовых, газожидкостных и паровоздушных смесей и особенности работы детандеров при отрицательной начальной температуре рабочего вещества, обусловленные фазовым переходом из газового в парожидкостное состояние и обратно в течение отдельного кругового цикла.

3. Создана, апробирована и внедрена на ряде отечественных предприятий и в ВУЗах РФ программа КОМДЕТ-М, позволяющая в режиме экспресс-анализа:

- исследовать работу МОД, рабочее вещество которых представляет собой реальный газ, газовую, газожидкостную или паровоздушную смесь;

-располагать расширенным объёмом информации о параметрах МОД в виде р- V, 1-5, Ь -М, Т- Ф, Кп - <р, с> - ф^<з - <р, а - ф, Wraз- Ф диаграмм;

- объективно оценивать степень совершенства рабочего цикла МОД конкретного конструктивного исполнения на стадии проектирования;

- находить оптимальные, технически совершенные и научно обоснованные конструктивные решения в предельно сжатые сроки.

4. Выполнен комплексный численный эксперимент, результаты которого позволили обосновать ряд новых положений теории МОД, в частности:

- доказать несостоятельность гипотезы VBC = /(рвс, Твс, R) = const!?;

- обосновать новые теоретические зависимости для расчета составляющих коэффициента подачи Ао и Ат газовых компрессоров;

- показать превалирующее влияние на текущие параметры процессов сжатия и расширения МОД не герметичности элементов ступени;

- предложить критерий связывающий интенсивность теплообмена с геометрией цилиндра (S/D), свойствами (к, R) и плотностью газа рвс.

5. Проведенные натурные испытания ступеней МОД и их узлов позволили:

- модернизировать инженерную методику предварительного расчета МОД; -рекомендовать эмпирические зависимости, обеспечивающие достаточную

корректность величин зазоров, вводимых в математическую модель; -установить адекватность созданной математической модели;

- впервые ввести в расчетную практику оценку динамики движения каждой из пластин многокольцевых клапанов (гпл < 10), отличающихся размерами, массой и сечением каналов в седле и ограничителе, схемой обтекания (одно-или двухсторонней) пластин потоком газа и текущим перекрытием каналов клапанов движущимся поршнем и (или) крышками цилиндра;

- обосновать эффективность внутренней теплоизоляции выпускной полости ступеней малорасходных детандерных агрегатов низкого давления.

6. В результате выполненных исследований рекомендованы к внедрению:

- комбинированный рабочий цикл, обеспечивающий работоспособность ПД в случаях резкого отклонения эксплуатационных параметров от паспортных;

- эффективный способ изменения расхода газа в ступени парожидкостного детандера при выполнение условия Тк=/(с) = const;

-упрощенная методика обоснования объёмов полостей и диаметров патрубков ступеней машин объёмного действия;

- конструкция и методика оптимизации параметров газодинамического демпфера размещаемого в ограничителе подъёма (ДО) впускного клапана;

- методика разгрузки 1-го и последнего кольца уплотнения поршня за счет оптимизации числа и размеров торцевых радиальных каналов на кольцах;

- методика обеспечения идентичности рабочих циклов и равенства конечных температур газа в полостях ступени с поршнем двойного действия.

7. Методики, основанные на применении программы КОМДЕТ-М, внедрены на ряде Фирм и в ВУЗах. Они используются магистрантами, аспирантами и студентами при выполнении курсовых и дипломных работ с элементами НИР.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Поршневой детандер. Заявка на A.C. 4765021/06, 1989. БИ №6, 27.02.95. Прилуцкий А.И. и др. Патент № 2029911, 1995 г.

2. Прилуцкий А.И. Состояние и перспективы создания прямоточных поршневых детандеров с самодействующими клапанами. Материалы МНТК «Криогенная техника науке и производству». ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, НПО "Криогенмаш", 1991.-0,188 п.л.

3. Прилуцкий А.И., Исаков В.П. Определение коэффициента расхода клапанов с учетом конструктивного исполнения цилиндра компрессора.

- Тр. Ленинградского технолог, ин-та им. Ленсовета. Процессы холодильных машин и установок низкопотенциальной энергетики, 1992.- 0,125п.л.

4. Прилуцкий А.И., Исаков В.П. Методы расчета многоэлементных клапанов поршневых компрессоров. Межвуз. сборник науч. тр. СПб., ГАХиПТ, 1993.-0,125п.л.

5. Прилуцкий И.К., Прилуцкий А.И. Расчет и проектирование поршневых компрессоров и детандеров на нормализованных базах. Учебн. пособие для ВУЗов. - СПб.: СПбГАХПТ, 1995. -194 С.-12,13п.л. ISBN 5-230-10678-6.

6. Кузнецов Л.Г., Прилуцкий А.И. Повышение герметичности поршневых компрессоров и детандеров. Холодильная техника. - 1999, №9, - С. 24-25.-0,125п.л.

7. Бессонный А.Н., Прилуцкий А.И. Компрессор-детандерные агрегаты на оппозитных базах. Компрессорная техника и пневматика. № 6, 2004. - С.34-37.-0,25п.л.

8. Прилуцкий И.К., Иванов Д.Н., Замолоцкая Е.И. (СПбГУНиПТ), Бессонный А.Н., Прилуцкий А.И. (ООО НИИХИММАШ).

Опыт применения методов моделирования при доводке уплотнительных узлов ступеней поршневых компрессоров на стадии проектирования. М.: Химическое и нефтегазовое машиностроение. № 9, 2004. С.27-30.- 0,25п.л.

9. Прилуцкий А.И. Комбинированный рабочий цикл прямоточной детандерной ступени. Вестник МАХ, №3, 2006. - С. 8 - 12.- 0,313 п.л.

10. Прилуцкий А.И., Молодова Ю.И., Арсеньев И.А. Впускные клапаны поршневых детандеров с дисковыми неметаллическими пластинами. Химическое и нефтегазовое машиностроение № 4,2006, С. 20-21.- 0,25 п.л.

11. Прилуцкий А.И., Кузнецов Л.Г. Модернизация автономного малорасходного детандер-компрессорного агрегата низкого давления. Ж. Холодильная техника. №9, 2006. - С.52 - 57.- 0,375 п.л.

12. Арсеньев И.А., Иванов Д.Н., Прилуцкий А.И. Особенности рабочих циклов и методики проектирования детандерных ступеней с поршнями двойного действия. КТиПн, №6, сентябрь 2007. С. 18 -19.- 0.188 п.л.

13. Прилуцкий А.И. Расчетные T-s диаграммы реального цикла ступени поршневого детандера. КТиПн, №1, 2008. - С. 22 -26.- 0,313 п.л.

14. Прилуцкий А.И. Применение поршневых расширительных машин в установках утилизации энергии сжатого природного газа. Химическое и нефтегазовое машиностроение, №3,2008. - С. 26 - 30.- 0,375 п.л.

15. Прилуцкий А.И., Прилуцкий И.К., Арсеньев И.А., Молодова Ю.И., Рыжков A.A. Сравнительный анализ целесообразности применения одно- и двухклапанной систем газораспределения в составе детандера высокого давления. КТиПн. № 4, март, 2008. - С. 19-27.- 0,563 п.л.

16. Арсеньев И.А., Иванов Д.Н., Прилуцкий А.И. Учет реальных свойств рабочих веществ при моделировании процессов, протекающих в ступенях машин объемного действия. Известия СПбГУНиПТ, № 1, 2009. - С. 35-42.0,5 п.л.

17. Прилуцкий А.И., Иванов Д.Н., Арсеньев И.А., Цыганкова О.В.

Особенности работы ступени поршневого детандера с двухклапанным газораспределением при переменном предварительном натяге пружин выпускных клапанов.Известия СПбГУНиПТ, №1, 2009.- С. 23 -27.- 0,313 п.л.

18. Прилуцкий А.И., Прилуцкий И.К., Демаков A.C. Анализ процессов теплообмена в ступени поршневого компрессора на основе расчетных циклов в Г- s и h -т координатах. КТиПн., № 1,2009.-С. 14-18,- 0,313 п.л.

19. Прилуцкий А.И., Прилуцкий И.К., Иванов Д.Н., Демаков A.C. Теплообмен в ступенях машин объёмного действия. Современный подход. Компрессорная техника и пневматика. № 2, 2009. - С. 16 - 23. - 0,5 п.л.

20. Прилуцкий А.И., Иванов Д.Н., Арсеньев И.А., Цыганкова О.В. Особенности работы ступени поршневого детандера с двухклапанным газораспределением при переменном предварительном натяге пружин выпускных клапанов. Известия СПбГУНиПТ, №1, 2009. - С. 23 -27.-0,313 п.л.

21. Рыжков A.A., Иванов Д.Н., Молодова Ю.И., Прилуцкий А.И., Прилуцкий И.К. Сравнение методик расчета свойств веществ в газовой и парожидкостной области. КТиПн., Вып. 8, 2011, С. 25-30.- 0,375 п.л.

22. Рыжков A.A., Молодова Ю.И., Прилуцкий А.И., Прилуцкий И.К. Особенности работы парожидкостного детандера в составе установок ожижения природного газа. СПбНИУ ИТМО ИХиБТ. Вестник МАХ, Выпуск 3,2012. - С. 8 - 12.- 0,313 п.л.

23. Прилуцкий А.И., Молодов М.А., Борзенко Е.И., Прилуцкий И.К. Работа поршневого паро-жидкостного детандера при колебаниях давления в выхлопном тракте. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Сер. «Машиностроение». 2012. - С. 129 - 142.- 0,875 п.л.

24. Борзенко Е.И., Молодова Ю.И., Прилуцкий А.И., Прилуцкий И.К. Анализ характеристик ступеней поршневых компрессоров при работе на различных газах. Ж. Технические газы, №1, 2013. - С. 62 - 68. - 0,438 п.л.

25. Прилуцкий А.И., Прилуцкий И.К. Объёмная производительность поршневого компрессора V ВС f (Р*С, Тъс, R) = const !?Ж. Компрессорная техника и пневматика, № З/Май, 2013. - С. 35-41. - 0,438 п.л.

26. Сназин A.A., Молодова Ю.И., Прилуцкий А.И., Прилуцкий И.К. ЮТУ ИТМО, г. С.Петербург. Ворошилов И.В. ККЗ, г. Краснодар.

Анализ эффективности работы поршневого детандера при переменной продолжительности процесса наполнения. Вестник МАХ, Вып.1, 2014. - С. 68-73.- 0,375 п.л.

Подписано в печать Л .2 .о5.¿о/р. Формат60 х 84 1/16 Усл. печ. л. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 2. 7. Университет ИТМО. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49 Изд.- инф. комплекс. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9