книги из ГПНТБ / Криогенные поршневые детандеры

Глава X. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОРШНЕВЫХ ДЕТАНДЕРОВ

Эксперименты можно разделить на испытания и исследования. Испытания преследуют цель проверки работоспособности отдель­ ных узлов и всей машины в целом, определения соответствия действительных характеристик расчетным параметрам машины, определения степени и гибкости регулирования, определения оп­ тимальных параметров работы детандера. Испытания можно раз­ делить на штатные и испытания головных образцов новых ма­ шин. Штатные испытания проводятся, как правило, в условиях предприятия-изготовителя. В результате таких испытаний опре­ деляются основные параметры машины на рабочем режиме (про­ изводительность, к. п. д), причем одним из важнейших результа­ тов является стабильность параметров в течение всего заданно­ го срока испытания. Это, так называемые, ресурсные испытания. К штатным испытаниям можно отнести и испытания, преследую­ щие цель определения изменения параметров детандера при из­ менении условий окружающей среды. Таким испытаниям подвер­ гаются воздушные и азотные детандеры, которые должны рабо­ тать в условиях повышенной температуры и влажности. Штат­ ным испытаниям подвергаются серийные детандеры. При этих испытаниях не ставится задача выявления каких-либо новых за­ кономерностей.

Испытания головных образцов новых машин преследуют бо­ лее широкие цели. В результате этих испытаний производится доводка отдельных узлов машины, снимаются характеристики машины на различных режимах работы, определяются оптималь­ ные параметры работы детандера. Воздушные и азотные де­ тандеры испытываются, как правило, на воздухе, причем допол­ нительные испытания азотных машин на азоте обычно не требу­ ются ввиду близких теплофизических свойств азота и воздуха Водородные и гелиевые детандеры проходят испытания в два этапа. На первом испытывается работа и производится доводка основных узлов машины на воздушном стенде испытания детан­ деров. Однако полное представление о работе низкотемператур­ ных детандеров и снятие характеристик возможно только в ра­ бочих условиях работы детандера на рабочем газе. Так как стенды низкотемпературных детандеров достаточно сложны и,

214

практически, воспроизводят установку, для которой они пред­ назначены, в ряде случаев второй этап испытания гелиевых и водородных детандеров проводится совместно с испытанием криогенной установки.

Исследования преследуют цель определения характеристик новых узлов поршневых детандеров, их влияние на к. п. д. и ха­ рактеристики машины в целом, выделения различных источни­ ков потерь, изучения влияния тепло- и массообменных взаимо­ действий на показатели машины, поиск оптимальных соотноше­ ний конструктивных параметров машины. Исследования могут проводиться как на отдельных стендах или модельных машинах, так и на натурных образцах. Наиболее полные результаты полу­ чаются при исследовании натурных машин, однако стендовые ис­ следования отдельных узлов иногда оказываются необходимы­ ми. К таким узлам, в частности, относятся элементы поршневого уплотнения, клапаны, детали привода клапанов. Так, например, отработка щелевого уплотнения, определение его несущей спо­ собности невозможны без исследования на специальных стендах.

1. Установки для исследования поршневых детандеров и их узлов

Установки и стенды для исследования отдельных узлов пор­ шневых детандеров. Стенды для исследования поршневых уплотнений можно разделить на две группы: для щелевых уплот­ нений и для несмазываемых поршневых уплотнений (поршневых колец, манжет, разного рода сальниковых уплотнений).

Стенды для исследования щелевых уплотнений предназначе­ ны для определения несущей способности и плотности пар с раз­ личной геометрией поверхности, проверки на моделях расчетных зависимостей для различных конструктивных схем детандеров с щелевым уплотнением, отработки технологии изготовления и под­ бора материалов пар цилиндр — поршень. В основном, это не­ большие настольные модели. Работа на таких стендах требует высокой культуры эксперимента и чистоты, как рабочего места, так и, особенно, рабочего газа. Эксперименты обычно проводят­ ся на воздухе, поэтому стенды для испытания щелевых уплотне­ ний обязательно снабжаются фильтрами, а иногда и аппарату­ рой для осушки и очистки от масла. Контрольные эксперименты могут проводиться на гелии. При этом стенды целесообразно снабжать необходимыми аппаратами для охлаждения гелия, ци­ линдра и поршня, по крайней мере, до температур жидкого азо­ та. Стенды укомплектовываются необходимыми контрольно-из­ мерительными приборами лабораторного типа, так как требо­ вания к повышенной точности измерения являются при прове­ дении подобных экспериментов определяющими.

При исследовании несмазываемых поршневых уплотнений

ставится задача определения наилучшей конструкции, материала

215

итехнологии изготовления поршневого уплотнения. Характерны­ ми параметрами являются утечки рабочего газа, износ поршне­ вого кольца (манжеты) и иногда мощность трения уплотнения. Эксперименты проводятся обычно на рабочем газе и, по возмож­ ности, в рабочем диапазоне температур. Опыты показали, что ис­ следование уплотнений для гелиевых поршневых детандеров в первом приближении можно проводить при температуре жидко­ го азота (80° К) с дальнейшей экстраполяцией результатов и про­ веркой основных характеристик уплотнения на опытных образ­ цах детандеров. Стенды для исследования несмазываемых порш­ невых уплотнений принципиально отличаются от машин трения

идругих установок для исследования свойств различных анти­ фрикционных материалов. В отличие от этих установок на таких стендах проверяется влияние температуры и других параметров рабочего газа на конструкцию узла уплотнения в целом. Эти стенды обычно создаются на базе механизма движения одноили двухлинейных компрессоров с некоторой переделкой привода с целью получить возможность изменения скорости вращения ко­ ленчатого вала. Требования к точности измерения большинства текущих параметров рабочего газа здесь менее жесткие, чем при исследовании щелевых уплотнений, поэтому с успехом можно применять стандартные измерительные приборы (самописцы, ло-

гометры, газовые счетчики и др.). Требования повышен-

Рис. 100. Принципиальная схема стенда испытания поршневых уплотне­ ний для воздушных детандеров высокого давления:

1 — компрессор КПКД-ЮО; 2 — масляный фильтр; 3 — ресивер высокого давле­ ния; 4 — ресивер; 5 — электродвигатель; Т\ — Ть — места установки датчиков температур; р — место установки датчика давления; ГКФ-6, РС-40М — газовые счетчики; Р С -5 — ротаметр; ЭПП-0,9, MCl-0,1 — вторичные приборы для изме­ рения температуры; К -50 — прибор для измерения мощности

216

Не на стенд

Нс Вгазгольдер

жидкий

8атмосферу

Рис. 101. Схема экспериментальной установки для испытания поршне­ вого уплотнения при низких температурах:

/ — компрессор КВД; 2 — ресивер; 3 — электродвигатель; 4 — сосуд с жидким азотом; 5 — водяной подогреватель; 6 — тензометрический датчик; 7 — перека­ тывающаяся резиновая мембрана; 8 — измерительные капилляры (И .К ) с диф-

ной точности предъявляются к измерению размеров рабочих эле­ ментов поршневого уплотнения.

На рис. 100 показан общий вид стенда для испытания несма­ зываемых поршневых уплотнений при работе последних в усло­ виях положительных температур (для воздушных детандеров высокого давления). Стенд создан на базе компрессора КПКД100 и использовался для исследования несмазываемых поршне­ вых уплотнений на базе фторопластографитовых материалов и металлических поршневых колец, подвергнутых различным ви­ дам спецобработки для повышения износостойкости при различ­ ном количестве смазки, подаваемой в цилиндр.

На рис. 101 показана схема стенда для испытания манжет­ ного поршневого уплотнения при температурах порядка 100° К. Стенд собран на базе компрессора КВД, у которого первая сту­ пень использована в качестве крейцкопфа. Рабочая часть стенда снабжена рубашкой, в которую заливается жидкий азот, рабо­ чий газ (гелий) для охлаждения пропускается через змеевик, по­ груженный в сосуд Дьюара с жидким азотом. Привод стенда предусмотрен как от асинхронного электродвигателя трехфазно­ го тока, так и от электродвигателя_постоянного тока, позволяю­

щего менять скорость в диапазоне п = 20 ч- 250 об/мин.

217

С широким внедрением в экспериментальную практику мало­ габаритных датчиков давления и индицирования машин, иссле­ дования клапанов, как правило, стали проводить непосредствен­ но при исследовании рабочего процесса поршневого детандера.

Стенды для изучения работы клапанов могут быть как стати­ ческого действия (в основном они предназначены для снятия га­ зодинамических характеристик клапанов методом продувки),так и динамического действия. Следует заметить, что стенд динами­ ческого испытания клапанов всегда может быть использован в статическом режиме работы при заторможенном механизме при­ вода. Схема такого универсального стенда представлена на рис.

102.

Стенд имеет две линии и позволяет одновременно испытывать две модификации клапанов. Для динамического испытания кла­ паны приводятся в движение от кулачкового валика, вращение которому передается посредством клиноременной передачи от асинхронного электродвигателя. Набор сменных шкивов позво­ ляет менять скорость вращения кулачкового валика. При ресурс­ ных испытаниях клапанов скорость вращения кулачкового валйка может быть существенно повышена по сравнению с его ра­ бочей скоростью в детандере, что позволяет получать результа­ ты испытания в более короткий срок и с меньшими затратами.

Стенды для исследования поршневых детандеров. Стенды для исследования воздушных и азотных детандеров включают: испы­ тываемую машину, рекуперативный теплообменник, ресиверы, фильтры, запорную и регулирующую арматуру и контрольно-из­ мерительные приборы.

Рис. 102. Схема стенда испытания клапанов:

/ — электродвигатель; 2 — привод клапанов; 3, 5 — ресиверы; 4 — фильтр; 6 — регулировочный вентиль; Ти Т2 — точки измерения тем­ ператур; р\ — рз — точки измерения давления

■218

При отсутствии на предприятии сети чистого воздуха высо­ кого давления стенд комплектуется компрессором необходимой производительности с аппаратами осушки и очистки воздуха от масла. Теплообменник служит для понижения температуры воз­ духа перед детандером; ресиверы — для сглаживания пульсаций во впускном и выпускном трубопроводах; фильтры — для очист­ ки воздуха от механических примесей. Количество и тип арма­ туры подбираются так, чтобы обеспечить нормальную работу стенда, пуск и остановку, регулирование параметров газа до и после детандера (давление, температура и т. д.). При испытании детандеров применяются стандартные промышленные приборы. В процессе испытания измерению обычно подвергаются: давле­ ние и температура газа до и после детандера, число оборотов ва­ ла машины в минуту, мощность тормозного устройства, расход газа через машину. Иногда измеряется утечка газа через порш­ невое уплотнение и его температура. Периодически в процессе испытания снимается осциллограмма давления в цилиндре де­

тандера.

При решении большинства исследовательских задач требо­ вания к точности измерения возрастают, поэтому при проведе­ нии исследовательских работ очень важно четко поставить зада­ чу конкретного эксперимента, обосновать необходимый уровень точности измерений и ограничить объем последних действитель-

щ

из се т и

Рис. 103. Схема стенда для испытания поршневых детандеров:

219

Pt P i

Рис. 104. Схема экспериментальной установки для исследова­ ния гелиевых детандеров:

/ — детандер; 2, 4 — теплообменники; 3 — азотная ванна; 5 — теп­ лообменник нагрузки; 6 — вакуумный кожух; 7 — диффузионный на­ сос; 8 — форвакуумный насос; 9 — сосуд со льдом; р, — рв — точки измерения давления; Т» — Г*— точки измерения температуры; Gь би­ точки измерения расхода; ДМ \ — днфманометр; У — измеритель уровня; ЭПП-0,9 — потенциометр; С1-17 — осциллограф

но необходимым количеством приборов. Помимо параметров, из­ меряемых при испытании детандера, в зависимости от цели экс­ перимента, могут добавляться: измерения температур стенок ци­ линдра, поршня, промежуточных звеньев, измерение давления и температуры газа в различных полостях цилиндра детандера, ко­ лебания давления и температуры во впускном и выпускном тру­ бопроводах; измерение давления между элементами поршневого уплотнения; снятие циклограммы движения поршня и клапанов детандера; измерения параметров охлаждаемого тела (для не­ адиабатного детандера) или тепловой нагрузки; определение влажности рабочего газа за машиной и т. д.

Схема стенда для испытания поршневых (воздушных и азот­ ных) детандеров представлена на рис. 103. Такой стенд с успе­ хом можно применять и для различных исследований. Так, на подобном стенде с незначительными переделками было проведе­ но исследование воздушного поршневого детандера при работе последнего в области влажного пара [39]. На подобных стендах проводится и первый этап испытания водородных и гелиевых ма­ шин. Однако исследование водородных и гелиевых детандеров целесообразно проводить в условиях рабочих температур и дав­ лений.

220

Схема типичной экспериментальной установки для исследо­ вания гелиевых детандеров показана на рис. 104.

2. Определение основных экспериментальных параметров

Для измерения установившейся температуры газа до и после де­ тандера (и в других точках экспериментальной установки) при исследовании воздушных (азотных) детандеров можно рекомен­ довать платиновые термометры сопротивления типа ТСП-037 (платина «2»), ТСП-4054 (платина «0») и медноконстантановые термопары. При исследовании гелиевых и водородных поршне­ вых детандеров — платиновые термометры сопротивления ТСП-4054, газовые (гелиевые) термоманометры и германиевые термометры сопротивления. При использовании газовых гелие­ вых термоманометров для повышения точности измерения и уменьшения влияния на показания изменения барометрического давления в качестве показывающих приборов целесообразно

температур ниже 30 К платиновыми термометрами сопротивле­ ния для достижения точности порядка 0,5—0,2 К требуется ин­ дивидуальная тарировка термометров и четырехпроводная по­ тенциометрическая ручная схема измерения на базе низкоомно­ го потенциометра типа Р-306.

Выпускаемые для промышленных измерений самопишущие потенциометры типа ЭПП не обеспечивают необходимой точно­ сти на этом уровне температур. При измерении более высоких температур с успехом могут применяться многоточечные само­ пишущие мосты типа КСМ, а для измерений, требующих повы­ шенную точность,— приборы типа КПР.

Для измерения расходов рабочего газа используются обыч­ ные методы измерения расходов. Особым случаем является из­ мерение утечки холодного гелия через поршневое уплотнение. Самый простой способ — вывод утечки из холодной зоны, пропу­ скание этого количества газа через подогреватель и измерение утечки обычными способами, например, с помощью ротаметра. Однако при исследовании (испытании) детандеров совместно с установкой, где, как правило, утечка вводится в цикл, вывод утечки в теплую зону не всегда возможен. Кроме того, одновре­ менно с испытанием детандера в этом случае часто ставится за­ дача исследования работы других узлов установки, в частности теплообменника, а вывод утечки в теплую зону нарушает мате­ риальный баланс теплообменника и установки. В этом случае единственным способом измерения величины утечки является ус­ тановка диафрагмы на потоке утечки при рабочих температурах. Расчет диафрагмы производится обычными методами, однако по-

* До 2,5 МН/м2 ( « 25 кгс/см2).

221

еле установки такая диафрагма требует индивидуальной тари­ ровки в условиях, максимально близких к рабочим.

Наряду с измерением параметров газа в процессе экспери­ мента измеряются число оборотов вала (или число ходов порш­ ня) детандера в минуту, мощность тормоза и пр.

Особый интерес представляют методы измерения быстроменяющихся давлений и температур в цилиндрах поршневых детан­ деров. К датчикам, измеряющим быстроменяющиеся давление и температуру газа в цилиндрах (впускных и выпускных ресиве­ рах) поршневых детандеров предъявляются некоторые специфи­ ческие требования:

1)минимальный собственный объем датчика;

2)работоспособность датчика при низких температурах

(вплоть до 5°К);

3)независимость характеристики датчика давления от изме­ нения температуры в рабочем диапазоне;

4)максимальная герметичность датчика;

5)малая инерционность;

6)возможность постоянного наблюдения рабочего процесса. Применявшиеся до последнего времени приборы для индици-

рования поршневых детандеров обладают рядом серьезных не­ достатков. Так, пневмоэлектрические или пружинные индикато­ ры давления дают весьма существенную погрешность в силу сво­ ей инерционности и большого собственного объема. Кроме того, такие индикаторы не позволяют постоянно наблюдать процесс, а диаграмма, описываемая подобным датчиком, оказывается ус­ редненной по времени. И. Б. Данилов первым осуществил индицирование гелиевого поршневого детандера, применив для этого тензометрический датчик сопротивления.

Способ измерения давления с помощью такого датчика имеет тот недостаток, что измеряется не давление в цилиндре детанде­ ра, а деформация упругого элемента, которая пропорциональна изменению давления при условии отсутствия трения в поршневой паре. Наилучшим образом вышеперечисленным требованиям удовлетворяют пьезокварцевые и пьезокерамические датчики давления. За рубежом нашли применение пьезокварцевые дат­ чики давления, используемые в комплекте с приборами РМ-1 и РМ-2 (ГДР), «Орион» (ВНР) 1 и др. В шестидесятых годах появились работы [1] по применению малогабаритных пьезоке­ рамических датчиков давления для индицирования холодиль­ ных компрессоров. В последующих работах [31] была подтвер­ ждена работоспособность таких датчиков в условиях значи­ тельно более низких температур (вплоть до 5 К) и возможность применения электронных индикаторов давления ВНИХИ [1] для индицирования поршневых детандеров всех типов.

1 Эти приборы, нашли применение при индицировании воздушных (азотных) детандеров и в СССР.

222