книги из ГПНТБ / Криогенные поршневые детандеры

Глава VIII. ДИНАМИКА ПОРШНЕВЫХ ДЕТАНДЕРОВ

1. Кинематические схемы поршневых детандеров и их анализ

Кинематические схемы детандеров весьма разнообразны. Наи­ более широко применяются поршневые детандеры с кривошипно­ шатунным механизмом (рис. 61), причем преобладают конструк­ ции с крейцкопфом из-за очень большого удельного давления на боковую поверхность поршня. Такие машины существуют одно­ цилиндровые и многоцилиндровые, с горизонтальным и верти­ кальным расположением цилиндров, которые чаще выполняются простого действия. Недостатки детандеров с шатунно-кривошип­ ным приводом поршня — относительная тихоходность машин, их относительно большие габариты и вес.

Большинство поршневых детандеров построены в вертикаль­ ном одноцилиндровом исполнении с расположением цилиндра в верхней (рис. 61, а) или нижней (рис. 61,6, в) части машины. Поршень детандера обычно соединяется с крейцкопфом 3 (рис. 61, а) посредством самоустанавливающегося сочленения, обеспе­ чивающего равномерность работы поршневого уплотнения и ком­ пенсацию погрешностей в установке цилиндра на раме машины (модели ДСД-5, ДВД-9, ДВД-13, ДВД-2М и др.). Существуют также машины с жестким соединением поршня детандера с крейцкопфом (например, ДВД-6). Для обеспечения концентри­ ческого положения поршня 2 относительно цилиндра 1 Коллинз [80] применил гибкий шток 4 (рис. 61,6), который во время ра­ боты находится под действием растягивающих усилий, благода­ ря чему может быть изготовлен тонким и длинным. Клапанные тяги 5 и шток 4 способствуют уменьшению теплопритока из ок­ ружающей среды, так как выполнены из нержавеющей стали, являющейся слабым проводником тепла.

В гелиевом детандере, разработанном в институте физических проблем АН СССР [37], с целью уменьшения потерь из-за утеч­ ки газа через зазор между поршнем и цилиндром, процесс рас­ ширения протекает быстрее, чем обратный ход, для чего была применена кинематика движения поршня сначала с гидравлик ческим приводом, а затем с кулачковым механизмом (рис. 61,в). Этот механизм с хромированным поршнем успешно работал в продолжение 15 лет. Поршень детандера соединен с крейцкоп­ фом длинным штоком с передачей усилия на шток через точеч-

Рис. 61. Кинематические схемы поршневых детандеров:

а — вертикальный одноцилиндровый детандер простого действия; б — детандер с гибким штоком; в — детандер с кулачковым при­ водом поршня; г — вертикальный двухцилиндровый детандер; д — горизонтальный детандер с цилиндром простого действия; е — го­ ризонтальный детандер о цилиндром двойного действия; ж — двух­ цилиндровый оппоэнтный детандер; з — четырехцилиндровый оппозитный детандер; / — цилиндр; 2 — поршень; 3 — крейцкопф; 4 — шток; 5 — тяга клапана; 6 — кулачок; 7 — маховик; 8 — генератор

ную опору. Описанный привод создавал тяжелые условия рабо­ ты впускного клапана, который должен быть сравнительно боль­ шим для быстрого заполнения цилиндра газом, что вызывает большие инерционные силы. С применением пластмасс, обеспе­ чивающих уменьшение зазора между поршнем и цилиндром без опасения задиров, аналогичный детандер был выполнен с криво­ шипно-шатунным приводом поршня [37].

164

Гелиевые поршневые детандеры (рис. 61,6, в) монтируются на установке так, что кривошипный механизм с тормозным уст­ ройством и привод газораспределительного механизма распола­ гаются в теплой зоне, а цилиндр с поршнем и клапаны встраи­ ваются внутрь аппарата, в зону низкой температуры.

У вертикальных детандеров цилиндры и поршневые уплотне­ ния изнашиваются несколько меньше и более равномерно по ок­ ружности в сравнении с горизонтальными. Вертикальные маши­ ны занимают меньшую площадь, силы инерции возвратно дви­ жущихся масс действуют на фундамент вертикально и послед­ ний может быть выполнен более легким. Вертикальная компо­ новка является более целесообразной и при выполнении порш­ невого уплотнения из несмазываемых материалов или с газовой смазкой.

Практика показывает, что поршневые детандеры целесообраз­ но проектировать с минимально возможным числом цилиндров, так как, кроме упрощения конструкции, это дает некоторое уве­ личение к. п. д. благодаря уменьшению поверхности трения и снижению утечек.

На рис. 61,г представлена кинематическая схема двухцилин­ дрового детандера с вертикальным расположением цилиндров, по которой изготовлен детандер высокого давления ДВД-10.

Горизонтальные детандеры выполняются главным образом большой производительности. На рис. 61, д представлена кине­ матическая схема горизонтального поршневого детандера высо­ кого давления ДВД-6 производительностью 3000 кг/ч. На рис. 61, е изображена схема горизонтального поршневого детандера с цилиндром двойного действия, по которой изготовлен детан­ дер среднего давления [67].

Горизонтальные детандеры выпускаются также с оппозитным расположением цилиндров. Эти машины характеризуются взаим­ ным уравновешиванием сил инерции первого и второго порядков. Известны оппозитные поршневые детандеры с двумя (рис.61, ж). и четырьмя (рис. 61, з) цилиндрами. Американская фирма Кларк выпускает двухцилиндровые оппозитные детандеры мощностью 320 кВт (давление и температура газа соответственно на входе

17,6 МН/м2 («176 кгс/см2) и 223° К, а на выходе 0,53 МН/м2 («5,3 кгс/см2) и 97° К. Общий вид детандера представлен на

рис. 62.

Первые детандер-компрессоры были выполнены с кривошип­ но-шатунным механизмом. По сравнению с детандерами такие машины обладают лучшими регулировочными характеристиками и более рациональным использованием работы расширения, од­ нако сохраняют недостатки детандеров с шатунно-кривошипным

механизмом.

Наиболее простую конструкцию имеет детандер-компрессор ДК-50, который применялся в небольших кислородных установ­ ках СК-12 и АК-12. Это—вертикальная одноцилиндровая тандем-

165

тем в первую ступень четырехступенчатого компрессора. Много­ летняя успешная эксплуатация ДК-50 показала безусловную це­ лесообразность применения детандер-компрессоров в низкотем­ пературных установках.

Двухцилиндровый детандер-компрессор, разработанный аме­ риканской фирмой Кларк, содержит в верхней части два цилин­ дра 1 детандера, в нижней части — два цилиндра 3 компрессора (рис. 63,6). Цилиндры компрессора одновременно служат и на­ правляющими крейцкопфа. Поршни 2 детандера и 4 компрессо­ ра соединены между собой штоками 5. Так как рабочими явля­ ются нижние полости цилиндров детандера, штоки 5 всегда ра­ ботают на растяжение и поэтому могут быть выполнены тонкими и соответственно гибкими. Благодаря этому исключается пере­ кос поршней 2 в цилиндрах / детандера и уменьшается теплоприток из окружающей среды. Встречное движение поршней обе­ спечивает хорошую динамическую уравновешенность машины и требует сравнительно небольшого маховика.

Итальянской фирмой Pignone создан четырехцилиндровый детандер-компрессор, у которого один цилиндр 3—компрессор­ ный, двойного действия, а остальные — расширительные (рис. 63,в). Все четыре цилиндра расположены вертикально и имеют привод от общего коленчатого вала, благодаря чему обеспечива­ ется динамическая уравновешенность машины. Цилиндры 1 де­ тандера простого действия, Детандер-компрессор комплектует

дера работают параллельно. Мощность детандерных цилиндров поглощается компрессорным цилиндром 3, в который поступает азот при давлении 0,765 МН/м2 (« 7,65 кгс/см2) и температуре +310 К и сжимается до 2,91 МН/м2 («29,1 кгс/см2).

Распространенные традиционные схемы поршневых детанде­ ров (см. рис. 61) и детандер-компрессоров (см. рис. 63) с шатун­ но-кривошипным механизмом не обусловлены принципом дейст­ вия этих машин, значительно усложняют их и ухудшают ряд

показателей.

В последние годы в нашей стране и за рубежом ведутся работы по созданию свободнопоршневых (или безвальных) детандер-компрессоров, которые обеспечивают получение более высоких конструктивных и эксплуатационных характери­ стик. Прямой ход в этих машинах производится под действием расширяющегося в детандере газа, а обратный ход — расшире­ нием газа из мертвых объемов компрессорных цилиндров. У ком­ прессорных цилиндров мертвый объем выполняется несколько увеличенным по сравнению с обычными компрессорами, так что­ бы энергии находящегося в них газа хватило для возврата порш­ ней к внутренней мертвой точке.

167

В свободнопоршневых детандер-компрессорах энергия расши­ ряющегося в детандере газа преобразуется с минимальными по­ терями в энергию сжатого в компрессоре газа, который может быть использован в этой же технологической установке, что по­ вышает экономичность установки в целом. Свободнопоршневые детандер-компрессоры обеспечивают высокую производитель­ ность вследствие одновременного увеличения диаметра поршня детандера и повышения быстроходности, а это обуславливает значительное уменьшение веса и габаритов машины. Такие ма­ шины при выполнении с противоположно движущимися поршня­ ми обладают полной динамической уравновешенностью и в свя­ зи с этим не требуют устройства специального фундамента и уси­ ленных рам. Особенно важна динамическая уравновешенность при использовании расширительных машин в транспортных ус­ тановках и летательных аппаратах. Свободно-поршневые детан­ дер-компрессоры сравнительно легко могут быть выполнены для условий работы без смазки. У детандеров и детандер-компрессо­ ров вальной конструкции для поршневых уплотнений также при­ меняются антифрикционные материалы, работающие без смаз­ ки, но шатунно-кривошипный механизм остается источником за­ грязнения маслом.

Рис. 64. Свободнопоршневые детандер-компрессоры:

а — детандер-компрессор с одним поршнем; 6 — симметричный де­ тандер-компрессор с двуми поршнями; в — несимметричный детан­ дер-компрессор с двумя поршнями; г — детандер-компрессор с одним поршнем и противовесами; на рис. а — г единая нумерация позиций

168

положен соосно с поршнем 6 компрессора. Хвостовик 7 поршня детандера, несущий на конце зубчатую рейку 8 с двумя рядами симметрично расположенных зубьев, проходит через централь­ ное отверстие в поршне компрессора, который также имеет зуб­ чатые рейки 9. Зубчатые рейки детандерного и компрессорного поршней находятся в зацеплении с шестернями 10, благодаря чему обеспечивается движение поршней в противоположные сто­ роны с одинаковой скоростью [33].

Недостаток рассмотренной схемы — повышенная нагрузка на синхронизирующий механизм, передающий все усилие от порш­ ня детандера к поршню компрессора, и наоборот—стимулировал разработку схемы [33] свободнопоршневого детандер-компрессо­ ра с одним поршнем и противовесами (рис. 64,г). Поршень 1 и противовесы 11, суммарная масса которых равна массе поршня, выполнены с зубчатыми рейкзми 12 и 13, между которыми уста­ новлены шестерни 10. С одной стороны поршня расположен детандерный цилиндр 3, а с другой — компрессорный 4. Синхрони­ зирующий механизм испытывает нагрузку только от сил инер­ ции.

Фирма «Артур Д. Литтл» (США) создала поршневую безвальную машину нового типа, работающую по циклу Брайтона, у которой поршни детандера и компрессора расположены на од­ ной оси и совершают одновременно возвратно-поступательное и вращательное движение. При вращательном движении поршней со скоростью 1800 об/мин между ними и стенками цилиндров об­ разуется слой рабочего газа, позволяющий при зазоре в 8 мкм работать без уплотнений. Возвратно-поступательное движение поршней компрессора и детандера происходит с помощью элек­ тромагнитов мощностью 68 и 13 Вт соответственно, а вращатель­ ное— от электродвигателя мощностью 3 Вт, ротором которого служит вал машины, вращающийся на двух обычных шариковых подшипниках. Вращающиеся поршни выполняют также роль зо­ лотников впуска и выпуска, благодаря чему обеспечивается про­ стая и надежная система газораспределения. Машина совершает 360 циклов в минуту при ходе поршней 12,7 мм. Рабочий газ — гелий. Давление на входе в компрессор 0,1 МН/м2 («1,0 кгс/см2), на выходе —0,315 МН/м2 («3,2 кгс/см2). Общий вес устройства 6,8 кгс. Несмотря на преимущества этой машины, сложность ки­ нематики ограничивает ее применение.

2. Особенности динамического расчета поршневых детандеров с кривошипно-шатунным механизмом движения

Методика динамического расчета детандера с кривошипно-ша­ тунным механизмом движения почти не отличается от расчета компрессора, достаточно полно освещенного в литературе [72].

170

Динамический расчет детандера сводится к построению кривых свободных и тангенциальных усилий, решению вопросов уравно­ вешивания машины, определению массы и размеров маховика и т. п.

Полезно указать следующие особенности динамического рас­ чета детандеров. Определение поршневых усилий основано на расчетной индикаторной диаграмме. Особенности построения такой диаграммы поршневого детандера описаны выше (гл. V, п. 4). Для большинства типов детандеров (высокого и среднего давления) силы инерции, как правило, в несколько раз меньше газовых сил, что объясняется как сравнительной тихоходностью детандеров, так и тем, что в отличие от компрессоров поршне­ вой детандер является одноступенчатой машиной, и весь пере­ пад давления происходит в одном цилиндре. Последнее служит причиной того, что и силы трения в поршневом уплотнении для большинства машин существенно меньше газовых сил и начи­ нают играть заметную роль в малых детандерах среднего дав­ ления с Оц ^ 40 мм и р < 3,0 МН/м2 («30 кгс/см2) *.

3. Динамика безвальных детандер-компрессоров (БДК). Особенности и порядок расчета

Закон движения поршня БДК определяется соотношением сил, действующих на поршень, и величиной его массы, а ход поршня, положение в. м. т. и н. м. т. и длительность цикла изменяются в зависимости от параметров рабочих процессов.

Основная задача расчета динамики БДК, как и других ти­ пов свободнопоршневых машин, состоит в определении числа циклов в минуту.

Исходными данными для динамического расчета являются ин­ дикаторные диаграммы всех рабочих цилиндров детандера, ком­ прессора и буфера, их диаметры и масса поршней. Поэтому ди­ намическому расчету должно предшествовать определение всех основных термодинамических и конструктивных параметров.

Расчет числа циклов БДК основан на равенстве изменения кинетической энергии работе внешних сил:

(235)

2

о

где М — масса поршневого блока; wо и wx— скорости поршня, соответствующие его положениям в в. м. т. и в точке х; Р(х) — сумма сил, действующих на поршень.

* Последнее не относится к детандерам с щелевым уплотнением.

171

Учитывая, что скорость поршня в в. м. т. равна нулю (ш0 =

dx

Время движения поршня находится интегрированием уравне­ ния (236) в пределах от 0 до х\

Определение продолжительности цикла связано с нахожде­ нием интеграла сил в пределах изменения хода поршня от 0 до 5 (S — ход поршня). В силу равенства нулю скоростей пор пня в крайних положениях, данный интеграл при этих ? словия:. об­ ращается в нуль. Поэтому найти время перемещения поршня возможно лишь при расчленении хода поршня на рьз, участков и определении скорости поршня в конце каждого из нчх.

Аналитическое определение времени движения поршня т пред­ ставляет большие трудности из-за сложности функции Р ( х ) , по­ этому применяют способы графо-аналитического или графиче­ ского решения. В общем виде, вне зависимости от схемы БДК и числа рабочих цилиндров, работа внешних сил при прямом и об­ ратном ходе равна:

где Ад, и Аб И р — работы, совершаемые в детандерном, ком­ прессорном и буферном цилиндрах и работа трения при прямом ходе, А^, А ', А^ и Ат'р — аналогичные работы при обратном хо­

де поршня.

А’пр.х (*) и Ро.х (*) — суммарные силы, действующие на пор­ шень при прямом и обратном ходе:

где Яд, Як, Яб и Я д' , Я ', Яб' — силы, действующие на поршень в цилиндрах детандера, компрессора и буфера при прямом и об-

1 7 2