книги из ГПНТБ / Криогенные поршневые детандеры

194

ности, объясняется резкое изменение вида индикаторной диаграммы: по мере понижения температуры наблюдается уменьшение давления конца расшире­ ния (р3) и резкое возрастание давления конца обратного сжатия (р6) •

В связи с этим оптимальная отсечка наполнения, определенная эксперимен­ тально, оказалась существенно больше (с0 = 0,55 -г- 0,7), чем для воздушных

детандеров.

Большой интерес представляют данные о работе детандера в режиме детандера-ожижителя. В отличие от воздушного детандера для водородного

жидкость. Очевидно, это объясняется конструкцией машины и низким темпе­ ратурным уровнем работы. Малая роль теплопритоков извне, сокращенные потери от регенеративного теплообмена, большие проходные сечения клапа­ нов и их конструкция позволяют эффективно использовать детандер в режи­ ме детандера-ожижителя. Типичные осциллрграммы индикаторных диаграмм детандера при работе в разных режимах показаны на рис. 88.

Как видно из описания, конструкция водородных поршневых детандеров такова, что они представляют отдельный агрегат, соединенный с водородной установкой (ожижителем или рефрижератором) криогенными трубопрово­ дами.

По другому пути пошло развитие гелиевого детандеростроения. Первые поршневые гелиевые детандеры разрабатывались сотрудниками физических лабораторий и предназначались для небольших гелиевых ожижителей (5—

клинивания такой пары при касании поршня о стенку цилиндра или при по­ падании в цилиндр твердых микропримесей азота, кислорода и других газов, присутствующих в гелии.

В гелиевом детандеростроении наметились три пути совершенствования

196

поршневого уплотнения. Самый прогрессивный, но и наиболее сложный тех­ нологически, заключается в создании при малых зазорах между поршнем и цилиндром такой конфигурации поршня, которая обеспечивала бы самоустановку поршня в цилиндре и исключала касание поршня о цилиндр (реализа­ ция газового подвеса). Эту идею удалось реализовать в гелиевом поршневом детандере Долла и Эдера [82] (рис. 89). Детандер прямоточный, бесклапан­ ный. Впускные окна 3 расположены выше выпускных 2, это обеспечивает устойчивую работу газового подвеса в любом положении поршня 4. Гелий

попадает в цилиндр при совмещении окон впуска с отверстиями в поршне и по сверлению в поршне поступает в рабочий объем. Выпуск происходит при достижении торцом поршня окон выпуска. Сравнительные эксперимен­ тальные данные небольшого детандера (D = 28 мм; S = 45 мм) для разной

величины зазора между поршнем и цилиндром представлены в табл. 19. Как видно из таблицы, в примененной схеме величина утечки оказывает доста­ точно большое влияние на к. п. д. детандера, так как «теплый» газ из окон впуска непосредственно попадает в рабочий объем машины и окна выпуска. Фирме Линде удалось освоить выпуск гелиевых ожижителей с бесклапанны­ ми детандерами этого типа.

поршня ограничивается его массой и степенью сжатия газа, так что в малом

производительностью 8 л/ч гелия реальная конструкция детандера расположе­ на вертикально, поршень длинный с детандерной частью внизу. При испытании

197

198

гелиевых детандеров выражается тенденцией замены щелевого уплотнения уплотнением типа поршневых колец и манжет. Как показали эксперименты,

Детандер ГДСД-2 комплектует гелиевый ожижитель Г-3. Детандер представляет собой обращенную машину («холодная» зона внизу) (рис. 90). Механизм движения— кривошипношатунный, на подшипниках качения. Тор­ можение детандера осуществляется трехфазным электродвигателем через клиноременную передачу. Поршневая пара— щелевая, с текстолитовым на­ борным поршнем 2. Зазор на сторону между поршнем и цилиндром состав­ ляет в теплом состоянии б = 8-Н12 ц. Цилиндр 1 изготовлен из стали ШХ-15,

стержень поршня из стали 20Х.

можно вынимать из клапанной плиты специальными ключами. Уплотняющий поясок выполнен из запрессованного в тело клапана кольца из фторопласта-4. Направление клапанов осуществляется разрезными втулками из фтороплас­ та-4. Привод клапанов — тянущего типа. «Холодные» рычаги привода имеют шарнирные соединения, позволяющие осуществлять сборку-разборку клапа­ нов без нарушения механизма привода. Уплотнения тяг клапанов представля­ ют собой деформирующиеся шланги из армированной резины, установленные в теплой зоне машины. Привод клапанов осуществляется от кулачков пере­ менного профиля системой рычагов, позволяющих изменять отсечки напол­ нения и выталкивания в широком диапазоне.

с механизмом движения при помощи штока 4. Самоустановка поршня в ци­

линдре достигается посредством двух шаровых шарниров (в крейцкопфе и поршне). Шток, для уменьшения теплопритоков, на основной длине имеет трубчатую конструкцию. Крейцкопф 9 детандера выполнен в виде поршня из

шипа. Внутренняя полость корпуса заполнена гелием из зоны утечек с избы­ точным давлением 0,01 -^0,03 МН/м2 (« 0 ,1 —0,3 кгс/см2). Уплотнение внутрен­ ней полости корпуса по валу осуществляется с помощью гидрозатвора, пред­ ставляющего собой масляную кольцевую камеру в корпусе. Детандер снабжен центробежным выключателем и колодочным тормозом.

Детандер комплектуется датчиком давления ВНИХИ1 и вторичной изме­ рительной аппаратурой. Техническая характеристика детандера приведена в табл. 1.

1 ВНИИ холодильной промышленности.

199

материала. Шток работает на сжатие и является фактически продолжением

вращающиеся части машины расположены только в теплой зоне и укомплек­ тованы шариковыми подшипниками, смазываемыми специальным малопарящим маслом. Встроенный в картер мотор-генератор 9 позволяет менять число

оборотов детандера от 200 до 700 в минуту.

Детандер предназначен для работы в цикле гелиевого рефрижератора на

2,1 Вт при 4,2 К.

На рис. 92 показан общий вид детандера ГДСД-11, представляющего со­ бой фактически блок из двух детандеров первой и второй линии, работающих на разных температурных уровнях. Принципиальная конструкция обеих ли­ ний одинакова, за исключением размеров цилиндра и длин. Механизм дви­ жения, поршневая группа, привод клапанов в значительной степени повторяют конструкцию детандера ГДСД-2. Особенностью данной машины является не­ самоуплотняющийся клапан выпуска 10. Этот клапан и его привод выполне­ ны аналогично клапану впуска 11, что позволило унифицировать привод

клапанов и сократить габариты машины. Обе линии приводятся от одного коленчатого вала 7. В качестве тормоза используется электродвигатель трех­ фазного тока 9, соединенный со шкивом-маховиком детандера 8 клиноремен­

ной передачей. Производительность регулируется изменением скорости вра­ щения вала детандера.

200

Рис. 92. Общий вид двухлинейного гелиевого детандера ГДСД-11:

201

В процессе доводки этой машины проверялись самые различные виды уплотнений. Производился подбор материалов для щелевой пары поршеньцилиндр, испытывались поршневые кольца из различных материалов на базе наполненных фторопластов. Наилучшие результаты для низкотемпературной линии были получены на поршне с рубашкой из фторопласта-3. На уровне 60—80° К была показана, в принципе, работоспособность поршневых колец из различных фторопластовых материалов, однако для более низкого темпе­ ратурного уровня все эти уплотнения дали неудовлетворительные результа­ ты. Это можно объяснить высокой жесткостью наполненных фторопластов при низкой температуре и малыми размерами цилиндра, когда силы давления и упругость экспандеров не в силах преодолеть возрастающую жесткость и температурную усадку колец. Все это приводит к тому, что принцип действия поршневого кольца нарушается и резко возрастает утечка газа через порш­ невое уплотнение. В промышленных образцах детандера применяется щеле­ вое уплотнение обеих линий. Цилиндры выполнены из стали 38ХМЮА, зерка­ ло цилиндров азотировано.

Рабочая поверхность поршней состоит из набора колец толщиной 0,5 мм из фторопласта-3 и окантовочных стальных колец из стали 38ХМЮА с по­ верхностным азотированием. Зазор при рабочих температурах составляет между стальными кольцами и цилиндром 3—5 р, между цилиндром и коль­ цами из фторопласта 17— 19 ц. Коленчатый вал — двухколенный, разъемный, с клеммовым соединением. Для предохранения от «разноса» детандер снаб­

принципиально мало отличаются от детандера ГДСД-2, описанного выше, за исключением некоторых усовершенствований. В частности, подшипники скольжения в «холодных» рычагах привода клапанов заменены на серийные игольчатые подшипники (№ 941/15), работающие без смазки. Высокая на­ дежность этого узла практически исключила возможность аварийных ситуа­ ций из-за выхода из строя привода клапанов. Особый интерес представляет поршневая группа детандера. Уплотнение осуществляется кожаными манже­ тами 5, обезжиренными и пропитанными парафином под вакуумом, причем зона трения охлаждается жидким азотом, кипящим под атмосферным давле­ нием. Прототипом этой конструкции явилась аналогичная поршневая группа детандера ГД 42/50, детально исследованного в ИТЭФ [19]. Были исследова­ ны два типа манжетного уплотнения: с манжетами, закрепленными в ци­ линдре (как и в ГД 42/50) [13] и с манжетами, закрепленными на поршне и снабженными экспандерами 6 (рис. 93, узел А ). В первой конструкции тем­ пературная усадка манжеты приводит к обжатию манжетой поршня 1 и обес­

печивает высокую плотность уплотнения во всем температурном интервале. Однако в этом случае азотное охлаждение цилиндра становится малоэффек­ тивным, так как существует значительный градиент температур (А7- = 20-н -=-70° К) между поршнем и стенкой цилиндра, имеющей температуру жидко­ го азота. Если для детандера ГД 42/50 азотное охлаждение было эффектив­

фективность азотного охлаждения, однако температурная деформация ман­ жеты приводит к нарушению плотности уплотнения.

Выходом из этого положения явилась конструкция с экспандерами, соз­ дающими предварительное прижатие манжет к поверхности цилиндра и ком­ пенсирующими температурную усадку манжет. Проведенные исследования показали, что у детандера с манжетами на поршне адиабатный к. п. д. выше (до 84%), а утечка не превышает, после приработки манжет, 0,15%. Экспан-

202