автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета и конструктивных элементов детандерных ступеней с поршнем двойного действия

кандидата технических наук
Арсеньев, Иван Андреевич
город
Санкт-Петербург
год
2010
специальность ВАК РФ
05.04.03
цена
450 рублей
Диссертация по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению на тему «Совершенствование методов расчета и конструктивных элементов детандерных ступеней с поршнем двойного действия»

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование методов расчета и конструктивных элементов детандерных ступеней с поршнем двойного действия"

На правах рукописи

08460

АРСЕНЬЕВ ИВАН АНДРЕЕВИЧ

840

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА И КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

ДЕТАНДЕРНЫХ СТУПЕНЕЙ С ПОРШНЕМ ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.04.03 - Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

Я '

Л /( I

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

и з т 20Ю

Санкт - Петербург 2010

004601840

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий".

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Прилуцкий Игорь Кирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Носков Анатолий Николаевич

кандидат технических наук, доцент Рыжиков Леонид Никитович

Ведущее предприятие: ОАО «КОМПРЕССОР»,

г. Санкт-Петербург.

Защита состоится « » (ЛД&гЯ 2010 г. в ^ часов на заседании диссертационного совета Д 212.234.01 в Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий по адресу: 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9, тел./факс (812) 315-30-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУНиПТ.

Автореферат разослан « /5 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.234.01,

доктор технических наук, профессор --В.А. Рыков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Создание прогрессивных конструкций поршневых детандеров (ПД) с улучшенными, теоретически обоснованными и подтвержденными натурным экспериментом технико-экономическими показателями неразрывно связано с разработкой более совершенных методов расчета. Они должны основываться на комплексном описании сущности протекающих в ступени детандера физических процессов и учете их взаимосвязи с конструктивными параметрами элементов ступени, режимом её работы и свойствами реального рабочего вещества. Прикладная программа расчета, создаваемая на базе математической модели, должна быть проста при использовании и обеспечивать достоверную информацию о текущих и интегральных параметрах ступени детандера в объёме достаточном для обоснования оптимального (из ряда возможных) варианта объекта исследования на стадии проектирования.

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

Анализируя современные тенденции, можно отметить все более широкое использование установок, утилизирующих энергию сжатого природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) магистральных газопроводов и выполняющих функции газового двигателя - источника механической энергии, так называемые детандер-генераторные агрегаты (ДГА). Наряду с выработкой электроэнергии использование ДГА позволяет создавать холодильные установки и системы кондиционирования путем использования теплоты низкотемпературного уровня. Важным преимуществом ДГА в составе ГРС является возможность получения сжиженного природного газа (СПГ). Для повышения производительности детандерных ступеней ДГА и снижения их удельных массогабаритных показателей они должны проектироваться на освоенных в производстве многорядных высокооборотных компрессорных базах крейцкопфного типа. В конструкции детандерных ступеней следует предусматривать поршни двойного действия и элементы, обеспечивающие работоспособность агрегата на режимах отличных от номинального для обеспечения стабилизации работы агрегата в широком диапазоне рабочих параметров.

Целью настоящей работы является разработка методики расчета и оптимального проектирования детандерных ступеней с поршнем двойного действия. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Развитие математической модели (ММ) рабочих процессов применительно к ступени воздушных и газовых поршневых детандеров с поршнями двойного действия, работающей по вновь предложенному циклу и укомплектованной модернизированной системой газораспределения.

2. Расширение объёма итоговой информации, получаемой в цифровой и графической форме при выполнении численного эксперимента.

3. Разработка конструкции впускного клапана с толкателем в седле, обеспе-

чивающего сохранение работоспособности ступени детандера в условиях эксплуатации в широком диапазоне режимных параметров.

4. Постановка и проведение натурного эксперимента с целью подтверждения адекватности используемой при расчетном анализе математической модели.

5. Выполнение численного эксперимента с целью изучения интенсивности процессов теплообмена и массопереноса, протекающих в рабочих полостях ступени и в межкольцевых объёмах разделяющего их уплотнительного узла.

6. Обоснование оптимальных геометрических параметров элементов системы газораспределения передней и задней полостей ступени при работе детандера на номинальном режиме.

7. Численный анализ возможных способов изменения производительности детандера и прогнозирование его работы на нерасчетных режимах.

8. Оценка возникающих в элементах ступени деформаций и напряжений с целью обоснования работоспособности детандера с позиций прочности.

9. Обобщение результатов расчетного анализа и разработка рекомендаций по проектированию ступени детандера с поршнем двойного действия.

10. Внедрение предложенных методик расчетного анализа и оптимального проектирования на предприятиях соответствующего профиля и в учебный процесс специализированных кафедр ВУЗов.

Научная новизна работы заключается в комплексном рассмотрении протекающих в ступени детандера рабочих процессов, базирующемся на совокупности традиционных индикаторных и температурных диаграмм в сочетании с представлением рабочих циклов в координатах 7-.у и И-М и подробной информацией по интегральным параметрам в цифровой и графической форме. Это позволило расширить наши представления об интенсивности процессов теплообмена и переноса массы на любом участке рабочего цикла ступени с одно- и двухклапанным газораспределением.

Практические результаты.

1. Изготовлен и испытан в составе детандерной ступени модернизированный сферический клапан, укомплектованный толкателем в седле. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными подтверждает адекватность изменений, внесенных в математическую модель, и указывает на целесообразность применения модернизированного впускного клапана.

2. Предложена методика оптимального проектирования ступеней детандеров с поршнем двойного действия. В частности, рекомендуется:

- выбор максимально возможного диаметра цилиндра, соответствующего номинальному усилию принятой при проектировании стандартной базы;

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

- использование методики оптимального проектирования ступени детандера с поршнем двойного действия при конструктивно одинаковых клапанах в передней и задней полостях ступени. Суть методики сводится к поиску и обоснованию такого сочетания геометрических параметров элементов ступени.

при которых обеспечивается идентичность рабочих циклов в передней и задней полостях ступени и равенство конечных температур газа на выходе обеих полостей. Для этого, в качестве рационального технического решения, предлагается увеличивать предварительный натяг пружин клапанов, устанавливаемых в передней полости ступени, за счет установки под пружины сменных регулировочных шайб заданной толщины;

- выполнение радиальных разгрузочных каналов на торцах уплотнительных колец, оптимальное число и геометрические размеры которых обеспечивают примерное равенство средних перепадов давлений на кольцах и их равномерный износ во времени.

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

4. На основе метода конечных элементов проанализировано напряженно-деформированное состояние наиболее ответственных узлов ступени детандера - самодействующих клапанов различного типа, имеющих сложные геометрические формы; показана целесообразность его применения на заключительной стадии проектирования детандера.

Апробация работы и публикации.

Результаты диссертационной работы опубликованы в 6 печатных трудах, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и доложены в 2004-2009 годах на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов СПбГУ-НиПТ.

Объём работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (98 наименований) и 2-х приложений. Она изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 76 рисунков и 28 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Первые работы по созданию поршневых расширительных машин независимо друг от друга были выполнены Пикте (1905 г.), Гейландом (Германия) и Плясом (США). Вопросами исследования машин объемного действия в разное время занимались Архаров A.M., Бродянский В.М., Бумагин Г.И., Заха-ренко В.II., Кузнецов Л.Г., Носков А.Н., Пластинин П.И., Прилуцкий И.К., Фотин Б.С., Хрусталев Б.С., Юша B.JI. и др.

Выполненный обзор литературы позволил автору установить следующее:

- наиболее перспективным направлением применения поршневых детандеров является создание детандер-генераторных агрегатов на отработанных в условиях эксплуатации высокооборотных компрессорных базах крейцкопф-ного типа. В этом случае появляется возможность использования ступеней с поршнями двойного действия, что способствует не только повышению производительности детандеров, но и резкому снижению их удельных массо-габаритных показателей. Вместе с тем, возникает задача, связанная с анализом особенностей работы детандеров подобного типа.

- в ранее выполненных работах, посвященных поршневым детандерам с самодействующими клапанами, рассматривались рабочие циклы, соответствующие только номинальному режиму работы детандера, что не гарантировало работоспособность детандера при изменении свойств рабочего вещества, а также входных и выходных параметров газа. Следовательно, возникает необходимость создания такой системы газораспределения, которая обеспечивала бы сохранение работоспособности детандера в широком диапазоне свойств и параметров рабочего вещества.

- для повышения эффективности разрабатываемых детандерных ступеней с поршнем двойного действия требуется дальнейшее развитие методов их расчетного анализа, позволяющих на стадии проектирования иметь подробную итоговую информацию о текущих и интегральных параметрах ступени и проникать в сущность протекающих физических процессов, а также обеспечивать надежный прогноз широкого комплекса технико-экономических показателей разрабатываемого детандера.

Рис. 1. Формализация объекта исследования /- Впускная полость; II-Рабочая камеры полости А;

III-Рабочая камеры полости Б; IV- Выпускная полость

Основу метода расчетного анализа, представленного в настоящей работе, составляет уточненная математическая модель (ММ), которая позволяет выполнять численный анализ работы детандерной ступени (см. рис. 1) с поршнем двойного действия с учетом следующих факторов:

- детандерная ступень работает по комбинированному рабочему циклу (см. рис. 2), реализацию которого обеспечивает конструкция впускного клапана (см. рис. 3), оснащенного толкателем и обеспечивающая работоспособность детандерной ступени при любых соотношениях начального и конечного давления и величинах относительного мертвого пространства;

- на текущие и интегральные параметры работы детандерной ступени оказывает влияние объемы присоединенных к камере полостей и диаметры патрубков входной и выходной полостей;

--------------------------- у j ,1

Рис. 3. Силы, действующие на Рис. 2. Рабочий цикл прямоточ- пластину клапана,

ной ступени детандера с принуди- 1 - седло; 2 - пружина;

тельным открытием впускного кла- 3 - запорный орган массой /я;

пана 4 - ограничитель; 5 - толкатель

6 - регулировочные шайбы.

- при моделировании рабочих процессов в межкольцевых объемах уплот-нительного узла дискового поршня учитывается изменение во времени числа действующих уплотнительных колец и сдвиг по фазе на угол 180° рабочих циклов в передней и задней полостях ступени;

- процесс выхлопа может осуществляться через одно- или многорядные выхлопные окна различной конфигурации.

При разработке ММ были приняты следующие допущения: процессы переноса массы подчиняются законам адиабатного истечения через «неплотности» элементов ступени, вращение вала принимается равномерным, теплообмен газа со стенками рабочей камеры - конвективный. Расчетная практика ряда авторов показывает достаточную корректность данных допущений.

Основным уравнением, устанавливающим взаимосвязь параметров газа в рассматриваемой рабочей камере, является уравнение сохранения энергии тела переменной массы

d ит =dQ-dL + J^dE/, (1)

которое после преобразований представим в виде

v =. | ¿Q ,

т-Т т-Т (2)

Состояние газа в рабочей камере машины объемного действия полностью определяют 2 параметра: удельный объем = и энтропия sv.

Текущая масса газа в рабочей полости mv = pvVv. Изменение массы газа в рабочей полости за время, соответствующее повороту вала на угол Aq>, определяется соотношением

Лт = Лср/а^М, (3)

1

где М- массовый расход газа через органы газораспределения и уплотнения

поршня при критическом режиме истечения

М = (нР)ф^к-рвх-рвх или в случае докритического истечения

к + 1

*11 *-1

2-к

к-1

Рвх ' Рвх

*+1

( \ Рвых к С \ Рвых к

V Рвх К Рвх

(5)

Для определения количества теплоты используется уравнение конвективного теплообмена

лд^ = у со ■ [«,„ • ^ • г„-тг,р \лср, (6)

где текущая геплообменная поверхность рабочей камеры

^=2- л/4 • • В + с!ш, + 7г[ 5ИЛ + -В+

осредненный по поверхности рабочей камеры мгновенный коэффициент теплоотдачи

/

Д.

м

(8)

Для определения свойств рабочих агентов используется уравнение состояния реальных газов ру = гЯТ, в котором коэффициент сжимаемости определяется по уравнению, предложенному Ли и Кесслером

г = г

(о)

+ со/сог гг ■

(9)

Для расчета термодинамических свойств используется метод, основанный на том, что интересующие свойства определяются как сумма соответствующих значений в идеальногазовом состоянии и величины их изотермического изменения.

Для определения текущего сечения в щели клапанов необходимо определить текущую высоту подъема клапанных пластин, для чего используется уравнение движения пластины массой тп

<¿4

(10) (11)

где газодинамическая сила, стремящаяся закрыть клапан сила упругости пружины

= г»гс„Р , К + К, - К, +К\ (12)

В отличие от ранее изложенных методик, в данной работе предлагается модифицированное уравнение силы упругости пружины, учитывающее наличие толкателя (см. рис. 3), т.е. определенную величину А' - величину текущего перемещения толкателя.

В программу расчета заложены логические условия периодов действия

толкателя, т.е. взаимного положения поршня с толкателем.

Скорость перемещения пластин с массой т находим по уравнению

= м? ^^ Р 4- Р "р+Аф "<р ^^ ' гаг упр ,'

откуда перемещение пластины

Для расчета текущего сечения выхлопных окон (см. рис. 4): - определяется момент начала открытия окон

- Ьос.а ~ -

Кл 2 -1 •/„

и =

и момент полного открытия окон ЗУ

5.Г = + -

2-1

и 53. = 5„-

—?-

1 7У+ ^ Л

(14)

(15)

(16)

для прямой и обратной полостей;

- определяется площадь выхлопных окон с учетом их многорядного исполнения

при 5 <5,

¥ —И • О ■ к■ г ■ г

о.ф пр >1 а р '

>

(17)

Рис. 2. Схема расположения выхлопных окон цилиндра детандерной ступени с поршнем двойного действия.

При моделировании рабочих процессов в межкольцевых объемах уплот-нителыюго узла детандерной ступени с поршнем двойного, действия учтены следующие специфические особенности:

1. Дискретное изменение числа рабочих (нагруженных) уплотнительных элементов в функции от утла поворота коленчатого вала.

2. Дополнительная утечка газа из межкольцевых объемов в выпускную камеРУ-

3. Одновременное совершение рабочих циклов в полостях А и Б и сдвинутых друг относительно друга на 180°.

Расчет параметров газа в уплотнительных узлах основывается на тех же уравнениях, что и расчет параметров газа в рабочей камере детандера, поскольку объем, заключенный между соседними поршневыми кольцами, рассматривается в модели аналогично рабочей камере детандера.

Программа расчета, в которой реализована математическая модель, предусматривает расширенный объем выходной информации. В частности, на печать в цифровой и графической форме выводятся:

- текущие значения объёма рабочей камеры, давления, температуры, энтальпии, энтропии, плотности и массы газа в ней;

- перемещение и скорости перемещения каждой из пластин впускных и выпускных клапанов;

- комплекс показателей, характеризующих теплообмен и процесс переноса массы в рабочей камере и в межкольцевых объёмах уплотнительных узлов.

На основе полученных текущих параметров формируется комплекс интегральных показателей, дающий достаточно полное представление о работе детандера.

Для подтверждения адекватности ММ на лабораторном стенде кафедры криогенной техники СПбГУНиПТ была испытана детандерная ступень с модернизированным впускным клапаном со встроенным толкателем. В ходе эксперимента исследовалась работа ступени с одно- и двухклапанной системами газораспределения при переменном мертвом пространстве. Экспериментальные индикаторные диаграммы были обработаны, перестроены и совмещены с расчетными индикаторными диаграммами. Анализ полученных данных позволил сделать следующие выводы:

1. Процесс наполнения на номинальном режиме работы ступени заканчивается практически при одном и том же угле поворота вала.

2. Изменение параметров газа в процессах расширения, выхлопа и выталкивания практически идентично.

3. Окончанию расчетного процесса обратного сжатия соответствует меньший (= на 20°) угол поворота вала, что при допущении о герметичности рабочей камеры при расчетах представляется вполне логичным.

4. Процессы «впуск-нагнетание» (работа толкателя) качественно идентичны и незначительно отличаются в количественном отношении.

Таким образом, можно сделать вывод и об адекватности ММ в целом.

Целью выполненного в работе численного эксперимента является выявление специфических особенностей газодинамических и тепловых процессов, а также процессов переноса массы в рабочих камерах детандерной ступени с поршнем двойного действия и получение рекомендаций, способствующих улучшению её технико-экономических показателей. При выполнении численного эксперимента использована прикладная программа расчета, реализованная в настоящей работе.

В ходе численного анализа был апробирован ряд новых методик.

В том числе:

• Оптимизация геометрических параметров впускных и выпускных клапанов передней А и задней Б полостей детандерной ступени с поршнем двойного действия, целью которой являлось обеспечение идентичности рабочих циклов и интегральных параметров обеих полостей ступени;

• Анализ динамики потоков газа в уплотнении дискового поршня с учетом сдвига по фазе рабочих циклов в полостях А и Б на угол 180°.

• Поиск и обоснование оптимального числа и геометрических размеров разгрузочных каналов на торцах уплотнительных колец с целью обеспечения равномерного распределения давления по кольцам и увеличения продолжительности их работы до плановой замены в процессе эксплуатации.

• Оценка интенсивности процессов теплообмена в ступенях поршневых детандеров с различной частотой вращения вала, температорой стенок рабочей камеры, степенью негерметичности впускных клапанов и др.

• Обоснование оптимального объёма и диаметра патрубков входной и выходной полостей ступени с целью минимизации газодинамических потерь и снижения удельных массогабаритных показателей детандера.

• Дифференцированная оценка интенсивности процесса теплообмена на различных участках рабочего цикла.

На основе анализа результатов выполненного численного эксперимента было установлено следующее:

1. В цилиндре детандерной ступени с поршнем двойного действия наличие штока предопределяет неравенство активных площадей поршня F* и рабочих объёмов Vh в передней (А) и задней (£) полостях. В случае их комплектации идентичными органами газораспределения, возникает заметная разница в величинах относительных мертвых пространств по полостям, в скоростях течения газа через открытые клапаны, в условиях теплообмена газа с поверхностями рабочих камер и т.д., что в конечном итоге приводит к существенным различиям в отдельных процессах и рабочих циклах в полостях А и Б в целом, а также в интегральных показателей детандера. Для достижения идентичных рабочих циклов и одинаковых конечных температур газа в полостях An Б требуется сокращение продолжительности процесса наполнения в полости Б, что достигается, в частности, путем уменьшения предварительного натяга клапанных пружин клапанов в полости Б.

Для практического решения данной задачи можно рекомендовать:

- установку сменной (по толщине) прокладки между седлом и ограничителем клапана, что приводит к изменению расчетной величины максимального перемещения пластин клапана и предварительного натяга пружин (/?„ Ф const и h0 ф const) при сохранении величины (hK, + h0) = const.

- введение в конструкцию клапана промежуточного (подвижного) ограничителя подъёма, обеспечивающего плавное изменение высоты подъёма пластин (/гк, Ф const) и натяга пружин (ho Ф const) в процессе работы детандера при сохранении + h0) = const.

- установку под пружины клапана регулировочных шайб переменной толщины, обеспечивающих изменение натяга пружин (h0 Ф const) при сохра-

нении /?к, = const.

2. Оснащение детандерных ступеней впускным клапаном со встроенным в седло толкателем, обеспечивающим принудительное открытие клапана при положении поршня вблизи ВМТ в случаях отклонения режима работы от расчетного, гарантирует работоспособность детандера на любом рабочем веществе, в широком диапазоне частот вращения вала, рабочих давлений и температур и различных относительных мертвых пространствах ступени.

3. Расчетный анализ работы детандерной ступени с учетом влияния объёма присоединенных полостей и сечения патрубков на входе в эти полости показал, что при заниженном диаметре впускного патрубка наблюдается аномальная работа ступени, а именно большие газодинамические потери в процессе наполнения и недорасширение газа в момент прихода поршня в НМТ. В тоже время, анализ интегральных параметров работы детандерной ступени при переменном объеме впускной полости и "оптимальном" диаметре патрубка показал, что объем рабочей полости практически не влияет на текущие и интегральные параметры ступени.

4. Для обеспечения эффективности и долговечности работы уплотнителыюго узла дискового поршня на торцах поршневых колец следует выполнять радиальные разгрузочные каналы, способствующие равномерному распределению перепадов давления на кольцах уплотнительного узла и минимизации их износа при эксплуатации. Число, геометрические размеры и положение колец с разгрузочными каналами в уплотнительном узле определяется по методике, использованной в настоящей работе.

5. Путем воздействия на выпускные клапаны двухклапанной детандерной ступени в условиях эксплуатации можно обеспечивать плавное изменение расхода газа через детандер в диапазоне от 100 до 40% при сохранении постоянной конечной температуры газа и изоэнтропного КПД детандера. Одним из практически осуществимых способов реализации данного способа регулирования является перекрытие части выпускных клапанов.

6. В прямоточных ступенях поршневых детандеров средней и высокой производительности, выполняемых на современных многорядных высокооборотных базах, конвективный теплообмен газа со стенками рабочей камеры в процессах расширения и сжатия не оказывает существенного влияния на текущие и интегральные параметры ступени в широком диапазоне частот вращения вала. Интенсивность процессов теплообмена возрастает по мере уменьшения объёма (массы газа) рабочей камеры, частоты вращения вала и не герметичности комплектующих узлов (клапаны и уплотнительные узлы поршня и штока) ступени.

7. Дифференцированная оценка количества теплоты подводимой (отводимой) к газу на отдельных участках рабочего цикла, приведенная в качестве примера на рис. 5 применительно к прямоточной детандерной ступени с двухкла-панным газораспределением, позволила констатировать следующее:

- при заданном объёме цилиндра ступени детандера и величинах начального и конечного давления максимальное количество теплоты отводится от газа в процессе наполнения при минимальной частоте вращения вала;

- наибольшее количество теплоты подводится к газу на участках выхлопа и выталкивания независимо от частоты вращения вала;

- на участках расширения и сжатия количество подведенной и отведенной теплоты минимально и примерно одинаково, т.е. в герметичной ступени данные процессы протекают с показателем политропы расширения и сжатия по конечным параметрам пр ~ псж —» к;

- при сохранении качественной картины количественное соотношение подведенной (отведенной) теплоты на различных участках цикла может изменяться в зависимости от геометрических и режимных параметров ступени, свойств рабочего вещества, условий теплоизоляции ступени от окружающей среды, механического КПД детандера, уровня герметичности уплотнитель-ных узлов и клапанов в закрытом состоянии и ряда других факторов. Для любой, произвольно выполненной конструкции детандерной ступени соотношение количеств подведенной (отведенной) теплоты в различных процессах цикла может быть определено с помощью предложенной в работе программы КОМДЕТ-М.

1,5

£АДж

0,5

-0.5

-1,5

!111] ми >< вы г сжпг

1 , :«

1,5

¡1111 РШ X ВЫТ СЖ 11Г (АДж ^ " -

0,5

-0,5

-1.5

—,Т

6.11

90

180

Ф. град

360

-2 А О

40

180

ф,грал

360

Рис. 5. Количество подведенной (отведенной) теплоты в прямоточной герметичной детандерной ступени при различной частоте вращения коленчатого вала -п = 500 об/мин ---и = 1500 об/мин

Полученные в результате численного эксперимента данные и рекомендации легли в основу изложенной в диссертационной работе методики расчета и оптимального проектирования детандерных ступеней с поршнем двойного действия.

При проектировании детандерных агрегатов на нормализованных базах поршневых компрессоров основным условием является ограничение действующих усилий в пределах, допустимых для выбранной базы. Поэтому нет необходимости обоснования прочности элементов базы. Прочностные расчеты должны проводиться только для специфических деталей цилиндро-поршневых групп, органов газораспределения, головок цилиндров и соединений различного типа.

В рамках настоящей работы по совершенствованию поршневых детандеров автором проведён цикл прочностных расчётов элементов самодействующих клапанов как наиболее подверженных действиям нагрузок и определяющих работоспособность агрегата в целом. Целью данного раздела диссертации являлось апробирование методики расчета с помощью программного комплекса АИБУБ и подтверждение работоспособности пластин и седел самодействующих клапанов под действием предельно возможных перепадов давлений. Был изучен характер распределения напряжений и деформаций в пластине сферического клапана, в седле дискового клапана сложной формы и в контактной паре "пластина-седло".

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Усовершенствована математическая модель рабочих процессов машин объемного действия. Новизна модели заключается в следующем:

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

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

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

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

- расширен объем выходной информации, в качестве которой на печать в цифровой и графической форме выводятся текущие значения объёма рабочей камеры, давления, температуры, энтальпии, энтропии, плотности и массы газа в ней, перемещение и скорости перемещения каждой из пластин впускных и выпускных клапанов, комплекс показателей, характеризующих теплообмен и процесс переноса массы в рабочей камере и в межкольцевых объёмах уп-лотнительных узлов. На основе полученных текущих параметров формируется комплекс интегральных показателей, дающий полное представление о работе детандера.

2. На базе модернизированной дегандерной ступени, укомплектованной сферическими клапанами с толкателем в седле, проведены натурные испытания детандера с одно- и двухклапанной системой газораспределения, в ходе которых записаны и обработаны экспериментальные индикаторные диаграммы. Путем сравнения расчетных и экспериментальных индикаторных диаграмм, соответствующих различным режимам работы детандера, подтвер-

ждена адекватность созданной математической модели.

3. По результатам численного эксперимента сделаны следующие выводы:

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

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

- показана возможность повышения долговечности элементов уплотнения поршня за счет разгрузи! первого и последнего кольца уплотнительного узла;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

проектирования перепадах давления.

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

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ:

1. Арсеньев И.А. Теплообмен в ступенях поршневых компрессоров с различным объемом рабочего цилиндра [текст]./А.А. Прилуцкий, И.А. Арсеньев// Сборник: Труды VII МНТК молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин» ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа", г. Казань: Изд-во "Слово" -2004 г. - С. 78 - 80.

2. Арсеньев И.А. Впускные клапаны поршневых детандеров с дисковыми неметаллическими пластинами [текст]./ И.А. Арсеньев, А.И. Прилуцкий, Ю.И. Молодова // Химическое и нефтегазовое машиностроение - 2006. -№4/2006.-С. 20-21.

3. Арсеньев И.А. Особенности рабочих циклов и методики проектирования детандерных ступеней с поршнем двойного действия, [текст]./ И.А. Арсеньев, А.И. Прилуцкий, Д.Н. Иванов // Компрессорная Техника и Пневматика - 2007. - № 6/сентябрь/2007. - С. 18 - 19.

4. Арсеньев И.А. Сравнительный анализ целесообразности применения одно- и двухклапанной систем газораспределения в составе детандера высокого давления [текст]./ И.А. Арсеньев А.И. Прилуцкий, И.К. Прилуцкий, Ю.И. Молодова, A.A. Рыжков // Компрессорная Техника и Пневматика -2008. - № 4/март/2008. - С. 19 - 27.

5. Арсеньев И.А. Особенности работы ступени поршневого детандера с двухклапанным газораспределением при переменном предварительном натяге пружин выпускных клапанов [текст]./ И.А. Арсеньев, А.И. Прилуцкий, Д.Н. Иванов, О.В. Цыганкова // Известия СПбГУНиПТ - 2009. - №1. - С. 23-27.

6. Арсеньев И.А. Учет реальных свойств рабочего вещества при моделировании процессов, протекающих в ступенях машин объёмного действия [текст]./ И.А. Арсеньев, А.И. Прилуцкий, Д.Н. Иванов, О.В. Цыганкова, A.A. Рыжков // Известия СПбГУНиПТ - 2009. - №1. - С. 35 - 42.

Подписано к печати/¿ 04.10. Формат 60x80 1/16. Бумага писчая.

Печать офсетная. Печ.л./,0 Тираж^О экз. Заказ№^9. СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9 ИИК СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Арсеньев, Иван Андреевич

Условные обозначения

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПОРШНЕВЫЕ ДЕТАНДЕРЫ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1.1. Расширительные машины. Области рационального применения

1.2. Поршневые детандеры. Конструкции. Современное состояние.

1.3. Моделирование рабочих процессов в детандерной ступени

1.4. Формулировка решаемых проблем. Основные задачи

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В ДЕТАНДЕРНОЙ СТУПЕНИ

С ПОРШНЕМ ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ

2.1. Основные допущения

2.2. Математическая модель

2.2.1. Расчетная схема.

2.2.2. Определение текущего удельного объема рабочей камеры.

2.2.3. Определение текущей энтропии газа в рабочей камере

2.2.4. Расчет процессов теплообмена.

2.2.5. Расчет свойств реальных газов.

2.2.6. Моделирование работы органов газораспределения

2.2.7. Моделирование рабочих процессов в уплотнительных узлах детандерной ступени с поршнем двойного действия

2.2.8. Расчет интегральных характеристик детандера

2.3. Блок-схема, алгоритм и программа расчета.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

КОНТРОЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДЕТАНДЕРНОЙ СТУПЕНИ

3.1. Цель и задачи эксперимента

3.2. Характеристика экспериментального стенда.

3.3. Методика эксперимента и порядок пуска агрегата

3.4. Подготовка и проведение контрольных испытаний

3.4.1. Этап 1. Одноклапанное газораспределение.

Изменение предварительного натяга пружин.

3.4.2. Этап 2. Одно- и двухклапанное газораспределение.

Изменение величины мертвого объема ступени

3.5. Анализ результатов контрольных испытаний

4. РАСЧЕТНЫЙ АНАЛИЗ.

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЕТАНДЕРНЫХ СТУПЕНЕЙ С ПОРШНЕМ ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ

4.1. Расчетный анализ рабочих циклов детандерной ступени

4.2. Особенности рабочих процессов в уплотнении поршня

4.2.1. Динамика потока газа в уплотнении дискового поршня.

4.2.2. Оптимизация конструкции уплотнительного узла.

4.3. Анализ интенсивности теплообмена в ступени детандера.

4.3.1. Влияния герметичности впускного клапана на интенсивность процесса теплообмена

4.3.2. Влияние температуры стенок рабочей камеры на интенсивность процессов теплообмена.

4.3.3. Анализ процессов теплообмена при переменной частоте вращения вала.

4.4. Работа детандерной ступени на режимах отличных от номинального.

4.5. Анализ способов регулирования параметров детандерной ступени

4.6. Обоснование выбора диаметра патрубков и объема впускных и выпускных полостей.

4.7. Методика проектирования ступени детандера с поршнем двойного действия

4.8. Анализ процессов теплообмена на основе расчетных циклов в координатах T—s.

5. ОЦЕНКА НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ

В ЭЛЕМЕНТАХ ДЕТАНДЕРНОЙ СТУПЕНИ

5.1. Метод конечных элементов и программа расчета ANS YS

5.2. Расчет элементов самодействующих клапанов

5.2.1. Типы клапанов и их применяемость

5.2.2. Расчет седла многокольцевого впускного клапана.

5.2.3. Расчет контактной пары "пластина - седло" кольцевого клапана

5.2.4. Расчет пластины сферического клапана.

Введение 2010 год, диссертация по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, Арсеньев, Иван Андреевич

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- реальные свойства рабочего вещества;

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

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

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

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

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

3. Результаты численного эксперимента, позволившие:

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

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

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

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

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

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

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

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

При участии автора выпущены следующие методические указания:

1. Компрессорные машины Машины низкотемпературной техники. Методические указания к лабораторным работам №1 и №2 для студентов направлений 140400, 140500 всех форм обучения.

2. Расширительные машины. Методические указания к лабораторным работам для студентов направления 140500 всех форм обучения.

3. Программа КОМДЕТ (инструкция пользователю).

Методические указания к практическим занятиям по дисциплинам «Машины низкотемпературной техники», «Компрессорные машины», «Расширительные машины» для студентов направлений 140400, 140500 всех форм обучения.

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

Заключение диссертация на тему "Совершенствование методов расчета и конструктивных элементов детандерных ступеней с поршнем двойного действия"

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

Заключение

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

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

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

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

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

- расширен объем выходной информации, в качестве которой на печать в цифровой и графической форме выводятся текущие значения объёма рабочей • камеры, давления, температуры, энтальпии, энтропии, плотности и массы газа в ней, перемещение и скорости перемещения каждой из пластин впускных и выпускных клапанов, комплекс показателей, характеризующих теплообмен и процесс переноса массы в рабочей камере и в межкольцевых объёмах уплотнительных узлов. На основе полученных текущих параметров формируется комплекс интегральных показателей, дающий полное представление о работе детандера.

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

3. По результатам численного эксперимента сделаны следующие выводы:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

212

Библиография Арсеньев, Иван Андреевич, диссертация по теме Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

1. Агабабов B.C., Корягин A.B. Детандер-генераторные агрегаты на тепловых электрических станциях: учебн. пособие М.: Издательство МЭИ, 2005. - 48 с. ISBN 5-7046- 1275-XI

2. Аринин А.Ф., Буткевич И.К., Пуртов H.A. Моделирование и исследование цикла гелиевого парожидкостного поршневого детандера с электромагнитным клапаном впуска. //Межвуз.сб. научи, трудов ВЗМИ, №12. -М.: ВЗМИ. 1983.

3. Арсеньев И.А., Иванов Д.Н., Прилуцкий А.И. Особенности рабочих циклов и методики проектирования детандерных ступеней с поршнем двойного действия. Компрессорная Техника и Пневматика № 6/сентябрь/2007, стр. 18-19.

4. Арсеньев И.А., Иванов Д.Н., Прилуцкий А.И., Прилуцкий И.К., Рыжков A.A., Цыганкова О.В. Учет реальных свойств рабочего вещества при моделировании процессов, протекающих в ступенях машин объёмного действия. Известия СПбГУНиПТ, №1, 2009. с. 35 -42.

5. Архаров A.M., Шашов В.В. Анализ температурного поля теплоизолированного неограниченного полого цилиндра при теплообмене на внутренней поверхности //Известия вузов. Машиностроение.- 1971,- №1.

6. Басов К.A. Ansys: справочник пользователя. М.: ДКМ Пресс, 2005. -640 с 512 с.

7. Белушкин В.А., Готвянский Н.Ф. Двухцилиндровый поршневой детандер с самодействующими клапанами выпуска. Химическое и нефтяное машиностроение, № 2, 1972. - с. 43.

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

9. Белушкин В.А.и др.— Криогенные приборы и устройства в ядерной физике. М.: Энергоиздат, 1982.

10. Бессонный А.Н., Прилуцкий A.A., Прилуцкий С.А. Детандер-компрессорные агрегаты (ДКА) на оппозитных базах. // Тр. XIII МНТК по компрессоростроению. Компрессорная техника и пневматика в XXI веке. Том 2. Сумы, 2004. - с. 106-114.

11. Бондарев В.Н., Онучин М.Ф. Многослужебные метановые детандер-компрессорные станции. ООО «ИРЦ Газпром». Обзорная информация. Серия: Газификация. Природный газ в качестве моторного топлива. Использование газа. Москва. - 2000. - 40 с.

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

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

14. Бумагин Г.И. Поршневые детандеры. Учебное пособие. Омск: ОмПИ, 1981.-85 с.

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

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

17. Вайнфельд A.A., Прилуцкий И.К., Фотин Б.С. О коэффициенте теплоотдачи в рабочих камерах поршневых компрессоров,- Сб. трудов ЛЕННИИХИММАШ № 5. Поршневые установки,- Л.: 1969,- С.60-64.

18. Видинеев Ю.Д., Дьячков М.И., Смородин А.И. Детандер-насос для систем циркуляционного обеспечения. // Тез. докл. Междунар. науч.-практ. конф. «Криогенная техника науке и производству». - Москва, 23-27 сентября, 1991.- М., 1991. - с. 70.

19. Горбенко A.JI. Основы расчета и проектирования поршневых детандеров с автоматическим двухклапанным газораспределением. / Автореф. дисс. .к.т.н. СПб.: ГАХиПТ. - 1999. - 16с.

20. Григорьев А.Ю., Прилуцкий И.К., Фотин Б.С. Постановка задачи тепло- и массообмена в цилиндре поршневого компрессора.- Межвуз. сб. науч. трудов № 2,- Л.: ЛТИ,- 1979,- С.55-59.

21. Гридин В.Б. Прямоточный поршневой детандер с обратным сжатием. Кислород, №3, 1959.

22. 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.

23. Добров В.М. Создание бесклапанного детандера с манжетным поршневым уплотнением и исследование его при температурах ниже 40 К. -Дис. . канд. техн. наук. Москва, 1976. - 162 с.

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

25. Докшицкий Е.А. Патент № 4997. Поршневой детандер 23.11.1985 г.

26. Евгеньев С.С., Галеев A.M., Коломывцев Е.В. (АО «Казанькомпрессормаш»), Унифицированные компрессоры и детандеры. // Компрессорная техника и пневматика. / АСКОМП, С.Пб.: -Выпуск 3-4 (12-13). с. 52-56.

27. Епифанова В.И. Низкотемпературные радиальные турбодетандеры. -М.: Машгиз, 1961. 399 е.: ил.

28. Захаренко В.П. Основы теории уплотнений и создание поршневых компрессоров без смазки. / Автореф. дисс. . д.т.н. СПб.: СПбГУНиПТ. — 2001.

29. Захаренко В.П., Бухарина О.Н. Изменение параметров газа по высоте поршневого кольца компрессора без смазки. Компрессорная техника и пневматика. 1998, вып. 1-2, с. 28-34.

30. Захаров Ю.В., Пономарев В.Н., Щеснюк О.В. О конвективном теплообмене и его влияние на рабочие коэффициенты поршневого холодильного компрессора.- Сб. науч. трудов № 150,- Николаев, кораблестроит. ин-та,- 1975.

31. Зотов Д.Ю. Основы расчета и проектирования двухступенчатых поршневых детандеров. / Автореф. дисс. . к.т.н. СПБ.: СПбГУНиПТ. -2000,- 16с.

32. Иванов В.А. Исследование теплообмена в проточной части поршневых компрессоров /Дис. .канд. техн. наук,- Л.: ЛПИ им. М.И.Калинина.- 1979.

33. Иванов В.А., Прилуцкий И.К. Метод и некоторые результаты исследования нестационарного теплообмена в поршневых компрессорах /Труды Кубанского государственного университета. Компрессорные установки и машины,- Краснодар.- 1977.

34. Иванов Д.Н. Разработка методики расчета и оптимизации параметров ступени бесклапанного поршневого детандера. / Автореф. дисс. . канд. техн. наук. СПб.: СПбГАХПТ. - 1998.

35. Капица П.Л., Данилов И.Б. Детандерная установка для ожижения гелия. //Журнал технической физики. Вып. 4. 1961.

36. Каплун А. Б., Морозов Е. М., Олферьева M. A. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. М.: Едиториал УРСС, 2003. - 272 с.

37. Карапетян Р.Н., Науменко А.И., Прилуцкий И.К. и др. Исследование нестационарного теплообмена в поршневых компрессорах //Ж.Пр. Армении. -1974,- №8,- С.38-40.

38. Колмар. Определение мгновенных коэффициентов теплоотдачи в ДВС / Труды ASME.- 1969,- № 4.

39. Компрессорные машины, Машины низкотемпературной техники. Методические указания к лабораторным работам №1 и №2 для студентов направлений 140400, 140500 всех форм обучения. СПб.: СПбГУНиПТ, 2009,- 18с.

40. Кондратьева Т. Ф., Исаков В. П. Клапаны поршневых компрессоров. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние . 1983. - 158 е., ил.

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

42. Кузнецов Л.Г. Разработка и создание поршневых компрессорных и расширительных машин с сухим картером. / Дисс. . д.т.н. - СПбГУНиПТ. -2001.

43. Лыков A.B. Теория теплопроводности.- М.: Высшая школа,- 1967.

44. Марочник сталей и сплавов. Под ред. Сорокина В.Г. М.: Машиностроение 1989.

45. Милков В.А., Стефановский Б.С. О закономерностях тепловыделения от трения поршня о стенки цилиндра /Уч. зап. Ярослав, технологич. ин-та№ 2- Ярославль.: Техника науки,- 1970.

46. Милков В.А., Стефановский Б.С. О применимости опытных формул, полученных на динамических моделях, для расчета конвективной теплоотдачи в цилиндре поршневого компрессора //Машины и технол. перераб. каучуков, полимеров и резин, смесей,- Ярославль.- 1972.

47. Молодова Ю.И. Анализ работы поршневой расширительной машины. Компрессорная техника и пневматика. СПб, вып. 1-2 (18-19), с. 37-41.

48. Молодова Ю.И. Многоцелевая расширительная машина. Химическое и нефтегазовое машиностроение. №4,1998. - с. 39

49. Молодова Ю.И. Совершенствование технико-экономических показателей многоцелевых поршневых расширительных машин. / Автореф. дисс. . .к.т.н. СПб.: СПбГУНиПТ. - 2002 . - 16с.

50. Науменко А.И. Исследование теплообмена в поршневых компрессорах /Дис. . канд. техн. наук,- JI.: ЛПИ им. М.И. Калинина.- 1974.

51. Науменко А.И. Теплообмен в ступени поршневого компрессора / Тезисы докладов на VIII Всесоюзной конференции по компрессоростроению,- Казань,- 1986.

52. Невинский В.В., Розенблюм В.Н., Шлейфнер A.A. Одномерная модель течения двухфазной среды в соплах при состояниях близких к пограничным кривым.- В сб.: Тепло-массообмен при фазовых превращениях.- М.: ТИМО.- ч.1.- 1974.

53. Орлин A.C. Экспериментальное исследование теплообмена между газом и крышкой цилиндра вихрекамерного дизеля пленочными термометрами сопротивления.- М.: Энергомашиностроение.- 1975,- № 6.

54. Осушитель воздуха ОСВ-ЗООО. Руководство по эксплуатации и техническому обслуживанию (паспорт). НПК «ПРОБИТА». СПб. - 2003.

55. Пластинин П.И. Исследование и расчет поршневых вакуум-насосов. / Дисс. . д.т.н. М.: МВТУ им. Баумана - 1978.

56. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Том 1. Теория и расчет /2-е изд., перераб. и доп. М.: Колос, 2000. -456с.

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

58. Попырин JI.C. Математическое моделирование и оптимизация теплоэнергетических установок. М.: Энергия. - 1978.

59. Прилуцкий A.A. Совершенствование поршневых детандер -компрессорных агрегатов. / Автореф. дисс. .к.т.н. СПб.: СПбГУНиПТ. -2005. - 18с.

60. Прилуцкий А.И. Комбинированный рабочий цикл прямоточной детандерной ступени. Вестник МАХ. - 2006. - №3. - с. 9-12.

61. Прилуцкий А.И. Совершенствование системы газораспределения компрессорных и расширительных машин. / Автореф. дисс. .к.т.н. СПб.: ЛТИХП.- 1997. - 16с.

62. 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.

63. Прилуцкий А.И., Молодова Ю.И., Арсеньев И.А. Впускные клапаны поршневых детандеров с дисковыми неметаллическими пластинами. Химическое и нефтегазовое машиностроение № 4/2006, стр. 20-21.

64. Прилуцкий А.И., Прилуцкий И.К., Демаков A.C. Анализ процессов теплообмена в ступени поршневого компрессора на основе расчетных циклов в Т s и h - m координатах. Компрессорная техника и пневматика. № 1, 2009.-с. 14-18.

65. 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.

66. Прилуцкий И.К. Разработка, исследование и создание поршневых компрессоров и детандеров для криогенной техники. /Дисс. . д.т.н,-ЛТИХП.-СПб, 1991.

67. Прилуцкий И.К., Бессонный А.Н., Прилуцкий А.И. Компрессор-детандерные агрегаты на оппозитных базах. Компрессорная техника и пневматика. № 6, 2004. с. 34 - 37.

68. Прилуцкий И.К, Иванов Д.Н., Зотов Д.Ю., Молодова Ю.И. Научно-технические проблемы совершенствования поршневых расширительных машин. Вестник МАХ. Вып. 1, 1998, с. 11-15.

69. Прилуцкий И.К., Прилуцкий А.И. Расчет и проектирование поршневых компрессоров и детандеров на нормализованных базах. Учебн. пособие для ВУЗов. СПб.ГАХПТ. - 1995.

70. Р.Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд. Свойства газов и жидкостей. / Пер. с англ. под. ред. Б. И. Соколова Л.: Химия. - 1982.

71. Стативко В.Л., Роднянский В.М. и др. Перевод автотранспортных средств и сельскохозяйственной техники на газомоторное топливо. // Обз. информ. Сер.: Природный газ в качестве моторного топлива. Использование газа. М.: «ИРЦ Газпром». - 1996. - 70с.

72. Степанец A.A. (ген. д-р АО «Криокор», Москва). Энергосберегающие детандерные установки. Под общей редакцией проф. МЭИ Трухния А.Д. М.: Недра. - 1999. - 258 с.

73. Страхович К.И., Кондряков И.К., Епифанова В.И., Буткевич К.С., Новотельнов В.Н. Расширительные машины. Под ред. д.т.н. Страховича К.И. -М.,Л.: Машиностроение. 1966. - 296 е.: ил.

74. Уайлд Д. Оптимальное проектирование. / Пер. с англ. B.C. Данилина, В.А. Петушкова, П.П. Усова. Под ред. В.Г. Арчегова. М.: Мир. - 1981.

75. Уклечев О.Ю. Детандер-генератор: от идеи до практики. Энергетика и промышленность России, № 04 (120), 2009.

76. Фотин Б.С. Рабочие процессы поршневых компрессоров. / Дисс. . д.т.н. Л.: ЛПИ им. Калинина. - 1974.

77. Френкель М.И. Поршневые компрессоры. Изд-во Машиностроение. Ленинград. 1969. 744 с.

78. Хрусталев Б.С. Математическое моделирование рабочих процессов в объемных компрессорах для решения задач автоматизированного проектирования. / Автореф. дисс. . д.т.п. СПб.: - СПбГТУ. - 2000.

79. Чигарев A.B., Кравчук A.C., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: Справ, пособие. М.: Машиностроение-1, 2004. 512 с.

80. Шмалько К.Я., Новотельнов В.Н. К вопросу выбора относительного мертвого пространства бесклапанного поршневого детандера. Химическое и нефтяное машиностроение. 1968. - № 3. - С.6-8.

81. Юша B.JI. Создание и совершенствование ступеней компрессоров объёмного действия для автономных мобильных установок /Дисс. . д.т.н.-ОМГТУ.-Омск, 2008.

82. Юша B.JI. Системы охлаждения и газораспределения объёмных компрессоров / B.JI. Юша. Новосибирск: Наука, 2006. - 236 с.

83. Doll К., Eder F.X. Neuartige Expensionmaschine zur Erzeugung tiefer Temperaturen. Kaltetechnic, 1964, \No 1.