книги из ГПНТБ / Криогенные поршневые детандеры

При испытании и экспериментальном исследовании гелиевых поршневых детандеров независимо от размеров машины и конструктивных особенностей можно выделить общие закономерности. Основные из них:

1)с понижением температурного уровня работы детандера к. п. д. растет

(рис. 96);

2)с понижением температурного уровня при неизменных геометрических параметрах (с0 и й0) давление конца расширения (рз) понижается, а конца

сжатия (р6) повышается;

3)оптимальные значения отсечки наполнения лежат для большинства машин в диапазоне 0,2—0,4 (большие значения соответствуют машинам с боль­

шей производительностью).

Первая закономерность объясняется снижением потерь от регенеративно­ го теплообмена и ростом абсолютной величины утечки через поршневое уп­ лотнение; при этом удаляется основная доля тепла трения (для непрямоточ­ ных машин). Уменьшение же относительной величины утечки (из-за более быстрого роста производительности детандера) является одним из факторов роста к. п. д. с понижением температуры для прямоточных детандеров. Вто­

ный теплообмен, тепло трения). Последним можно объяснить и устойчивость оптимальных значений отсечки наполнения для машин разного типа.

Низкий температурный уровень работы гелиевых и водородных детанде­ ров и специфические свойства рабочего тела накладывают определенную спе­ цифику на эксплуатацию этих машин. При подготовке детандера к пуску все объемы машины и ее коммуникаций должны быть отвакуумированы, или, если этого не позволяет конструкция машины, тщательно продуты гелием. Высо­ кая чистота рабочегб газа в системе является залогом надежной и эффектив­ ной работы детандера. Поэтому перед пуском машины надо убедиться в чис­

чистоты обычно проводится циркуляция рабочего газа через установку и блок очистки при открытых клапанах детандера. При этом для большинства гелие­ вых двухклапанных детандеров следует: поставить кривошип детандера в по­ ложение открытия впускного клапана, зафиксировать это положение тормо­ зом и открыть принудительно клапан выпуска (например, положив между кулачком выпуска и роликом механизма привода прокладку толщиной

1,5—2 мм).

Пуск детандера производится, как правило, не на оптимальных отсечках впуска, а на пусковом режиме, отсечка которого соответствует или профилю пускового кулачка или максимальной отсечке впуска для регулируемого ме­ ханизма привода. С целью облегчить работу механизма привода выпускного клапана, если есть возможность регулирования отсечки выпуска, последняя устанавливается на максимальную величину поджатия. По мере понижения температурного уровня работы машины и повышении давления конца сжатия производится уменьшение отсечки выпуска так, чтобы давление конца сжатия не превышало давление впуска. При достижении рабочего режима устанавли­ ваются оптимальные значения отсечек впуска и выпуска для данной машины.

Рис. 96. Зависимость адиабатного к. п. д. детандеров от температурного уровня работы:

1 — щелевой детандер ИФП; 2 — ГДСД-5 с уплотнением несмазываемыми поршневыми кольцами; 3 — ГД-42/50 с уплотнением кожаными манжетами, за ­ крепленными в цилиндре

206

Рис. 97. Вид индикаторных диаграмм двухклапанного де­ тандера при различных неисправностях:

а — детандер работает нормально; б — пропускает клапан впу­ ска; в — не открывается клапан впуска; г — не закрывается кла­ пан впуска; д — пропускает клапан выпуска; е — не открывается клапан выпуска; ж — не закрывается клапан выпуска; з — пор­ шень касается цилиндра на части хода (участки касания заштри­ хованы). На рис. б и д — штриховые линии означают нормаль­ ную работу детандера

При эксплуатации гелиевых и водородных детандеров вследствие износа частей или нарушения правил эксплуатации могут возникнуть неисправности, нарушающие нормальную работу отдельных узлов и детандера в целом. Комплектация этих машин индикаторами давления существенно упрощает выявление причин неисправностей. В случае возникновения неисправностей в основных узлах детандера (клапанах и поршневом уплотнении), последние немедленно отражаются на виде индикаторной диаграммы. Характерные не­ исправности, вызывающие нарушение нормальной работы и типичное иска­ жение индикаторной диаграммы, представлены на рис. 97. Помимо причин возникновения этих неисправностей, общих как для воздушных, так и водо­ родных и гелиевых машин, для двух последних видов существует ряд специ­ фических причин. В частности, неплотность клапанов возникает в основном не из-за механических частиц, приводящих к повреждению уплотнительной по­ верхности, а из-за твердых частиц азота, воздуха и других газообразных примесей в рабочем газе. Поэтому основным путем устранения этой неис­ правности является отогрев установки и тщательная очистка рабочего газа.

Одной из причин нечеткой работы клапанов может оказаться различие по величине температурной усадки длинных конструктивных элементов: несущей конструкции клапанной плиты детандера и привода клапанов. При нежелании вносить конструктивные изменения эту причину можно устранить, осуществив окончательное регулирование механизма привода при достижении детандером рабочего диапазона температур. Такое регулирование целесообразно в любом случае, так как зазоры и люфты существенно изменяются с понижением тем­ пературного уровня.

207

При практически незаметном изменении общего вида индикаторной диа­ граммы падение к. п. д. детандера и рост температуры за машиной может быть вызван возникновением касания поршня о цилиндр и выделением дополни­ тельного тепла трения. Для малых детандеров с щелевым уплотнением это может приводить даже ж снижению числа оборотов. Для некоторых машин (в частности, в которых датчик давления установлен в боковой стенке цилиндра) индикаторная диаграмма позволяет определить долю хода, на котором проис­ ходит касание поршня о цилиндр (заштрихованные участки) (рис. 97, з).

3. Регулирование поршневых детандеров

Под регулированием воздушных (азотных) детандеров понимают возможность изменения холодопроизводительности машины номинального (максимально­ го) значения в сторону ее уменьшения [67]. Однако в настоящее время поня­ тие регулирование поршневых детандеров значительно расширилось. Уже и воздушные детандеры среднего давления снабжаются «пусковыми» кулачками с большей протяженностью вершины кулачка впуска для сокращения пусково­ го периода установки. Для гелиевых и водородных детандеров, особенно рабо­ тающих в установках периодического действия, сокращение пускового периода имеет особенно важное значение. Увеличение производительности детандера в период пуска, а затем переход к номинальной производительности без оста-' новки машины является немаловажным элементом регулирования поршневых детандеров. С появлением новых потребителей холода на уровне 4—20 К все большее развитие получают гелиевые рефрижераторы, требующие эффектив­ ной работы детандеров на разных температурных уровнях в зависимости от режима работы рефрижератора. Кроме того, как было показане ранее (п. 2 гл. IX), из-за изменения теплофизических свойств водорода и гелия вблизи кривой насыщения при неизменной отсечке выпуска давление конца обратного сжатия рв резко возрастает по мере понижения температурного уровня рабо­

ты машины. При неизменной величине отсечки выпуска, в пусковой период машина работает при очень малых р&, что увеличивает нагрузку на привод

клапана впуска и снижает делговечность машины. Это явление приводит к не­ обходимости иметь возможность регулировать не только производительность детандера, но и давление конца обратного сжатия.

/ — маховичок; 2 — гайка; 3 — шпиндель; 4 — качающийся рычаг; 5 — толкатель; 6 — ролик; 7 — кулачок

208

подробно описаны в литературе [ 46, 67]. Ф. В. Устенко и В. С. Богдановым

детандерах применяют специально спрофилированные цилиндрические кулач­ ки со спиральным профилем. Это позволяет перемещением ролика тяги кла­ пана вдоль образующей цилиндра кулачка изменять время закрытия как впускного, так и выпускного клапанов. Такой способ применяется в детандерах

(см. рис. 86) изменением жесткости пружины клапана. Широкими возможнос­ тями изменения отсечки наполнения обладает немеханический привод клапа­ нов. Так, применение электромагнитного клапана впуска (см. рис. 77) позво­ ляет изменять отсечку наполнения практически от 0 до 1.

В случае торможения детандера компрессором (детандер-компрессор, например, ДК-50) или насосом (водородный детандер ОИЯИ) появляется возможность плавного регулирования скорости движения поршня детандера путем изменения давления нагнетания за компрессором (насосом). За послед­ ние годы сделаны значительные успехи в создании многоскоростных электро­ двигателей и различного типа электрических схем, позволяющих надежно и

возможность регулирования давления конца обратного сжатия, которое су­ щественно влияет на к. п. д. детандера.

4. Материалы поршневых детандеров

Повышение требований к надежности поршневых детандеров и их долговеч­ ности привело к появлению новых, высокопрочных, хладостойких и антифрик­ ционных материалов [46, 67]. Основные материалы, применяемые в гелиевых и водородных детандерах, а также антифрикционные материалы для поршне­ вых уплотнений описаны в соответствующих разделах книги. Наиболее распространенные материалы характерных узлов детандеров указаны в табл. 21, 22. Из прочих материалов следует отметить сталь У8А и бронзу БрБ2 для экспандерных колец, сталь 18Х2Н4ВА для сердечников поршней и клапанных коробок гелиевых детандеров, материал типа «воязит» (металло­ керамика, пропитанная турбинным маслом) — для самосмазываемых втулок крейцкопфных цилиндров гелиевых детандеров, работающих в паре с крейцкоп­ фом из стали 12ХНЗА.

поршня

Несмазываемое

Особенно следует отметить специфику изготовления поршневых пар ма­ лых гелиевых детандеров. В настоящее время поршневые уплотнения малых машин отечественного производства выполняются лабиринтно-щелевого ти­ па (без газового подвеса). Чтобы поршни не заедали в цилиндрах при слу­ чайном касании, выполняются следующие условия: шлифованием или вибра­ ционной обкаткой достигаются хорошая геометрия и высокая чистота поверх­ ностей цилиндра и поршня; поршни детандеров ГДСД-11М имеют по концам металлические пояски, а в остальной части — облицованы фторопластом-3; поверхности поршней детандеров ГДСД-1 и ГДСД-2 (2М) облицованы тек­ столитом ПТК по всей длине поршней.

Фторопластовые пояски шириной 9 —10 мм, толщиной 0,5—0,6 мм наса­

работкой. Уплотнительные пояски поршня обрабатываются так, чтобы обес­ печить радиальный зазор между поясками и цилиндром в теплом состоянии (при аналогичных климатических условиях обработки) 5—8 мкм, а между фторопластом-3 и цилиндром 12—16 мкм.

Для поршней с текстолитовой плакировкой применяются сердечники из стали ШХ-15, цилиндры выполняются или из бронзы Бр08-7-02 или из стали ШХ-15. При бронзовом цилиндре появляется возможность осуществить боль-

210

Т а б л и ц а 22

Материалы, применяемые для клапанов и их привода

прографиченный

асбест

Продолжение табл. 22

Т а б л и ц а 23

Относительная температурная деформация некоторых материалов

212