книги из ГПНТБ / Криогенные поршневые детандеры

Глава IX. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ

И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОРШНЕВЫХ ДЕТАНДЕРОВ

1. Воздушные и азотные детандеры

Большинство воздушных и азотных поршневых детандеров выполняется (в СССР и за рубежом) по классической двухклапанной схеме как в верти­ кальном, так и в горизонтальном исполнении. Вертикальные детандеры рас­ пространены больше. Конструктивно детандеры среднего и высокого давле­ ния практически не различаются.

Типичными представителями вертикальных поршневых детандеров яв­ ляются детандеры ДВД-13, ДВД-9, ДВД-10, ЗАД-6/50, ДВД-70/180, основные характеристики которых представлены в сводной табл. 1. Большинство из этих машин достаточно подробно описаны в литературе [67]. Для примера на рис. 76 показан детандер высокого давления ДВД-13.

Детандер выполнен вертикальной одноцилиндровой крейцкопфной маши­ ной простого действия. Остов машины образует рама 25, состоящая из сред­ ника и картера. Внутри рамы размещен механизм 24 движения машины — коленчатый вал, шатун и крейцкопф. Сверху установлен цилиндр 15, внутри которого перемещается поршень 19, присоединенный к крейцкопфу через

сферическую пяту, что дает ему возможность самоустанавливаться. В гнез­ дах цилиндра смонтированы впускной и выпускной клапаны. Открытие кла­ панов осуществляется от коленчатого вала через промежуточную шестерню 1, кулачки, установленные на кулачковом валике 8, ролики рычагов впуска 5 и выпуска и промежуточные толкатели II. Для предохранения детандера от аварии установлены центробежный выключатель 23 и клапан автоматического выключения 16, работающие в комплексе. Производительность детандера ре­

гулируется в пределах 100—75% путем изменения величины наполнения ци­ линдра. Регулировка осуществляется с помощью регулятора производитель­ ности 21 через рычаг впуска.

Детандеры большой производительности (более 1500—2000 м3/ч) выпол­ няются в горизонтальном исполнении. Типичные представители таких машин— воздушные (азотные) детандеры фирмы «Cooper—Bessemer» (США) (см. табл. 1). Из отечественных машин можно назвать детандеры ДВД-6, АДВД-6. Описание детандера ДВД-6 приведено в работе [67], а его характеристика —

в табл. 1.

Крупнейшим поршневым азотным детандером является машина 6ДМ16-85/200, решенная на типовой оппозитной компрессорной базе, с порш­

поршня 300 мм. Число оборотов — 160 в минуту. Производительность машины 5000 м3/ч азота при кратности расширения 200/16 и температуре на входе 235°К. Адиабатный к. п. д. машины около 80%. Привод клапанов осуществ­ ляется масляной гидравлической системой, что и позволило использовать

типовую компрессорную базу.

Совершенствование поршневых детандеров идет в основном по двум на­ правлениям—совершенствование поршневого уплотнения и газораспределение.

Для воздушных поршневых детандеров актуальным является поиск оп­ тимальной конструкции органов газораспределения. Создается новый ряд поршневых воздушных детандеров высокого давления [68], решенных по схе-

183

центробежный выключатель; 24 — механизм движения; 25 — рама

184

ме прямотока с электромагнитным клапаном впуска и выпускными окнами [39]. Прямоточная схема детандера благоприятна для безударного открытия клапана толкателем. Благодаря полному обратному сжатию удается путем подбора мертвого объема выровнять давление во впускном трубопроводе и в цилиндре машины в момент открытия клапана. Конструкция опытной ци­ линдровой группы детандера представлена на рис. 77.

Ответственным узлом детандера является клапан впуска. Практикой эксплуатации поршневых детандеров доказано, что лучшей плотностью и наи­ большей надежностью обладает шариковый клапан. Благоприятно применение шарикового клапана также с точки зрения «прилипания» к магниту, поскольку от надежности удержания шарика зависит. четкая работа детандера. Поэтому электромагнит выбран коаксиального типа. Магнитные силовые линии между цилиндрическим корпусом и центральным стержнем замыкаются через шарик. Герметичность магнита создает деталь из немагнитного материала, приварен­ ная между центральным стержнем и цилиндрическим корпусом. Максималь­ ная сила отрыва шарика от магнита равна « 10 кгс. Рабочей поверхности магнита придана форма, удобная для прилегания шарика. Возвратная пру­ жина между шариком и магнитом обеспечивает четкий отрыв шарика от маг­ нита в момент исчезновения магнитного поля. Ее назначение сводится к пре­

Возможность регулирования производительности детандера в широких преде­ лах является основным преимуществом электромагнитного привода клапана. Стендовое исследование работоспособности электромагнитного клапана при различных числах оборотов показало, что при 1800 об/мин (предельное число оборотов стенда) клапан работает так же чет­ ко, как и при 300 об/мин (число оборотов ис­ пытанного детандера). Тепловыделения, связан­ ные с работой электромагнита, очень малы.

Для конструкции магнита, соответствующей рис. 88, при напряжении 36 В потребляемый ток составляет лишь 0,2 А. При отключении тока, питающего электромагнит, детандер переходит в режим холостого хода, так как его отсечка впуска становится равной нулю.

Это является еще одним преимуществом электромагнитного клапана впуска, так как опасность детандера «идти вразнос» при от­ ключении тормозного электрогенератора значи­ тельно уменьшается. Поскольку клапан откры­ вается толкателем, существует незначительная работа расширения газа, заполнившего вред­ ный объем машины в момент открытия клапа­

машина медленно начала увеличивать обороты.

Рис. 77. Цилиндровая группа прямоточного детандера с электромагнитным клапаном впуска:

/ — электромагнит; 2 — шарик; 3 — седло; 4 — поршень; 5 — втулка цилиндра; 6 — корпус

185

Таким образом, свойство идти «вразнос» при электромагнитном клапане в значительной степени зависит от механического к. п. д, базы детандера и перепада давлений, а поэтому необходимость использования дополнительных средств защиты должна рассматриваться применительно к каждой конкрет­ ной машине, создаваемой по данному принципу.

Создание прямоточного детандера с электромагнитным клапаном впуска позволило перевести детандер в режим детандера-ожижителя. Прямоточная схема и шариковый клапан впуска исключили возможность гидравлического удара. Испытания опытного детандера с расширением в области влажного пара и образованием жидкости в цилиндре машины показали принципиаль­ ную возможность ожижения воздуха в цилиндре детандера. Исследование работы детандера-ожижителя проводилось на стенде, предназначенном для промышленных испытаний поршневых детандеров с пониженной температу­ рой входящего воздуха (см. рис. 103). В качестве поршневого уплотнения были применены поршневые несмазываемые кольца из наполненного фторо­ пласта.

Методом тепловых балансов с учетом накопления жидкости в сборнике был определен адиабатный к. п. д. детандера, который при параметрах входа

детандера-ожижителя падает, что можно объяснить интенсификацией тепло­ обмена при конденсации газа в цилиндре.

Первый воздушный поршневой прямоточный детандер, разработанный В. Б. Гридиным в МВТУ им. Баумана, подробно описан в литературе [7, 67]. Основные параметры машины приведены в табл. 1 и на рис. 78 и 79.

Прямоточный цикл, как наиболее пригодный для работы при высоком скоростном режиме, целесообразно применить в свободно-поршневых детан­ дер-компрессорах.

В МВТУ им. Баумана были построены четыре модификации свободно­ поршневых детандер-компрессоров типа БДК-1. Все варианты выполнены но схеме с двумя противоположно движущимися поршнями (см. рис. 64, б) для

обеспечения полной динамической уравновешенности и отличаются главным

с пружиной 3, изменением предварительного сжатия которой обеспечивается

регулирование давления сжатия в компрессорных цилиндрах от 0,15 до 0,7 МН/м2. Для предотвращения ударов поршней в клапанную доску в случае

Рис. 78. Зависимость т)ад от числа оборотов при различных углах на­ полнения ф для прямоточного детандера В. Б. Гридина (давление впуска « 19,5 МН/м2, противодавление ~ 0,6 МН/м2):

а — а0 = 12%; б — а> = 21%; кривая / — <р = 60°; 2 — <р = 70°; 3 — <р = 80°

Рис. 79. Зависимость Т)ад от угла наполнения <р и степени наполне­ ния 6 для прямоточного детандера В. Б. Гридина:

а — ао = 12%; 6 — а» — 21%; 1 — п — 550; 2 — л —750; 3 — л = 1000 об/мин

(рис. 83).

Механизм газораспределения БДК-1А представляет сочетание бесклапан­ ного газораспределения с пусковым клапаном, который при переходе на бес­ клапанный режим отключается с помощью вентиля 11 (см. рис. 80).

При движении поршня к в. м. т. нажимная втулка 4 воздействует через кулачок 6 на толкатель 7 клапана 8 и приподнимает шарик 9. При этом сжатий газ поступает в цилиндр 1 детандера. При движении поршней к н. м. т. на­ полнение продолжается до тех пор, пока втулка 4 не даст возможность ша­ рику 9 опуститься на седло. Регулирование отсечки и начала открытия кла­ пана осуществляется перемещением втулки 4 вдоль толкателя 5, что контроли­ руется с помощью шкалы 15. Выпуск расширенного газа производится через окна 10 в цилиндре детандера, которые открываются кромками поршней при

подходе их к н. м. т.

При пуске БДК-1А в системе нагнетания компрессорных цилиндров уста­ навливается давление около 0,2 МН/м2 (= 2 кгс/см2) и принудительно с по­ мощью специальной пусковой рукоятки поворачивается кулачок 6 и приподни­ мается шарик 9. При этом в пространство между поршнями подается сжатый

газ и БДК запускается.

187

Рис. 82. Клапан поддержания давления:

/ — корпус; 2 — клапан; 3 — пружина; 4 — регулировочный винт

Рис. 83. Ограничитель хода поршней БДК:

/ — клапан; 2, 4 — штоки; 3 — кнопка

Второй вариант— БДК-1Б выполнен с поршнями компрессора из алюми­ ниевого сплава. Вес поршневой группы уменьшен до 12,435 кгс с целью уве­ личения числа циклов в минуту в 1,5—2 раза (в зависимости от режима ра­ боты) по сравнению с БДК-1А.

Третий вариант — БДК-1В отличается тем, что впуск газа производится через один из поршней. При таком газораспределении можно уменьшить перетечки газа из впускной полости в выпускную, обеспечить меньшую величи­ ну мертвого пространства детандера (на 5—7% меньше, чем у БДК-1А) и снизить потери от теплопритоков, поскольку холодная зона детандера будет удалена от теплой.

Четвертый вариант — БДК-1Г выполнен с впускным клапаном детандера (рис. 84). В корпусе 1 впускного клапана размещены запорный элемент 2 и пружина 4 с упором 3. В крышку 5 корпуса ввернут регулировочный винт 6. В направляющих втулках 10 корпуса установлен подвижной шток 11 с уплот­ нением 12. Толкатель 15 вместе с пружиной 16 размещен в подвижном стака­ не 17, установленном в корпусе 18 детандер-компрессора. Между штоком кла­ пана и толкателем размещен качающийся кулачок 20 со штифтом 23; ось ку­ лачка закреплена в рычаге 21. Для выпуска расширенного газа цилиндр де­

тандера выполнен с окнами 7, а для обеспечения перехода на бесклапанный режим имеются окна 8 и каналы 9 в поршне 13 детандера.

В положении, изображенном на рис. 84, впускной клапан закрыт под действием пружины 4 и давления сжатого газа. При работе машины под

действием давления газа, расширяющегося из мертвых объемов компрессор­ ных цилиндров, поршни перемещаются к положению внутренней мертвой точки. Поршень 22 компрессора через подвижный стакан 17, толкатель 15 и шток 11 открывает впускной клапан и под действием сжатого газа, посту­

пившего в цилиндр детандера, поршни движутся к н. м. т., сжимая газ в ком­ прессорных цилиндрах. После достижения н. м. т. под действием газа, остав­ шегося в мертвых объемах компрессорных цилиндров, поршни снова движутся к в. м. т. и цикл машины повторяется.

Пуск машины производится открыванием клапана с помощью качающе­ гося кулачка 20. Величина отсечки определяется соотношением жесткости пружины 4 и 14 клапана и пружин 16 и 19 толкателя. Регулирование величи­ ны отсечки осуществляется изменением сжатия пружины 4 с помощью регу­ лировочного болта 6. Опережение впуска определяется зазором между тол­ кателем 15 и стаканом 17, а также зазором между толкателем 15 и штоком //, между которыми находится кулачок 20.

Рис. 84. Схема безвального детандер-компрессора БДК-1Г

191

2.Низкотемпературные гелиевые

иводородные детандеры

Поршневые водородные детандеры, как правило, детандеры высокого давле­ ния (рВх = 15,Он-13,0 МН/м2) (= 150—130 кгс/см2) значительной производи­ тельности. Это позволило с небольшими переделками использовать имеющие­

детандера представлены в табл. 1. Отсечка наполнения с0 может изменяться

от 0 до 0,5. В конструкции использован механизм движения (коленчатый вал, крейцкопф, шестеренчатый привод клапанов) от воздушного детандера, при­ менявшегося в установках разделения воздуха. Теплопритоки по элементам конструкции уменьшены применением низкотеплопроводных материалов и длинных тепловых мостов. Для снижения теплопритока к цилиндру излуче­ нием и вследствие теплопроводности изоляции, цилиндр и головка машины окружены вакуумной рубашкой с экранно-вакуумной изоляцией. Цилиндр детандера выполнен из нержавеющей стали, поршневой шток — из монельметалла, поршень — бронзовый. Сальник штока и поршневые кольца— из на­ полненного фторопласта. Поршневые кольца работают без смазки по хроми­ рованной поверхности цилиндра. Клапаны и длинные тяги, которыми они> приводятся в действие, выполнены из нержавеющей стали. Расчетная оценка

колебалось от 73 до 88%. Оптимальная отсечка наполнения лежит в преде­

поршневых колец, снабженных сильными экспандерами и необходимость при­ работки колец при сравнительно высокой температуре.

Поршневой водородный детандер, разработанный в Объединенном инсти­ туте ядерных исследований (ОИЯИ) (рис. 85), представляет собой машину вертикального типа с приводом клапанов от поршня [15]. Детандер предназна­ чен для ожижителя водорода производительностью 350 л/ч. Основные техни­ ческие параметры детандера даны в табл. 1.

но отводится в водяную рубашку. Длинный тонкостенный цилиндр и вытес­ нитель обеспечивают малый теплоприток к рабочему объему. В головке цилиндра размещены впускной и выпускной клапаны, механизмы привода кото­ рых смонтированы в вытеснителе. Все части машины, работающие при низ­ ких температурах, заключены в кожух, заполненный стекловатой и откачи­ ваемый форвакуумным насосом. Торможение детандера осуществляется водя­ ным насосом, что позволяет плавно регулировать число оборотов в широких пределах.

В качестве поршневого уплотнения были испытаны чугунные поршневые кольца со смазкой и кожаные манжеты. Наличие смазки создавало опасность

192

5 — фонарь; 6 — промежуточный ци­ линдр; 7 — вытеснитель; 8 — привод клапана выпуска; 9 — клапан выпус­

изоляционный кожух; 15 — трубопро­ вод входа и выхода водорода; 16 — механизм регулировки отсечки напол­ нения

ее попадания в холодный цилиндр и нарушения работы клапанов. Лучшие результаты были получены с манже­ тами из обезжиренной кожи, пропи­ танной парафином под вакуумом.

Интересной' представляется кон­ струкция привода клапанов от порш­ ня. На рис. 86 показан разрез цилинд­ ровой группы машины. Впускной клапан 14 расположен в съемном сед­ ле 15, выполненном из нержавеющей

стали Х18Н10Т. Направление клапана и уплотнительное кольцо — из фторо- пласта-3. Привод клапана осуществ­ ляется толкателем 9. Пружины 5 и 13

из бериллиевой бронзы обеспечивают необходимую величину отсечки на­ полнения.

В машине предусмотрена воз­ можность регулирования отсечки на­ полнения винтом 12, расположенным

в головке цилиндра и изменяющим поджатие пружины 13.

Основное отличие водородного детандера ОИЯИ состоит в том, что выпускной клапан расположен в нижней части цилиндра, что позволя­ ет осуществить принцип прямотока, увеличить проходные сечения газа и вынести поршневое уплотнение в теп­ лую зону. При доводке машины наи­ более тяжелым узлом оказался имен­ но выпускной клапан. Необходимость одновременного уплотнения по двум кольцевым пояскам предъявляла весь­ ма жесткие требования к точности изготовления клапана и к применяе­

мым материалам. Были испытаны уплотнительные прокладки из разных мате­ риалов: кожи, фторопласта-4, мягких металлов и т. п. Лучшие результаты по­ казал клапан из титана с прокладками из фторопласта-3. Высокая твердость фторопласта-3 обеспечивает герметичность клапана во всем диапазоне темпе­ ратур, несмотря на значительную разность в величине термических деформа­

1 9 3