Поршневые детандеры (90

поршневые кольца изготавливают из неметаллических материалов на основе фторопласта, за счет этого образуется пара трения фторопласт-сталь (стальной цилиндр) с низким коэффициентом тре- ния без подачи смазки. При применении колец из неметаллических материалов для их поджатия к цилиндру дополнительно устанавливаются экспандерные кольца из стали.

Манжетное поршневое уплотнение применяется в двух вариантах закрепления манжет: на поршне и на цилиндре детандера (рис. 10б). Первый нашел применение в некоторых воздушных детандерах среднего давления, второй – в гелиевых низкотемпературных детандерах. В качестве материала манжет применяется, как правило, кожа, обезвоженная и пропитанная парафином под вакуумом.

Рис. 10. Схемы поршневого уплотнения [1]: 1 – поршень; 2 – цилиндр; 3 – поршневые кольца; 4 – манжеты; 5 – кольцевые канавки

Для детандеров среднего и низкого давления нашли применение щелевые или лабиринтные уплотнения (рис. 10в). Они отличаются малым зазором между поршнем и цилиндром. На поршне выполняются кольцевые канавки, снижающие утечки газа через зазор за счет лабиринтного эф- фекта. Для нормальной работы щелевого уплотнения необходимо обеспечить возможность само- установки (самоцентрировния ) поршня в цилиндре, что обычно достигается шарнирным соедине- нием поршня со штоком или выполнением машины с гибким штоком.

4.Особенности конструкции поршневых детандеров

Вотличие от поршневых компрессоров поршневые детандеры имеют ряд особенностей: принудительную систему управления клапанами, наличие устройств, предохраняющих от превы- шения оборотов вала машины сверх допустимого (явления разноса); поршневое уплотнение долж- но обеспечивать герметичность рабочей полости при малом тепловыделении от трения о цилиндр. Ввиду того, что источником энергии для движения детандера является сжатый газ, к детандеру мощность не подводится, а он отдает мощность либо мотор-генератору, либо другому виду тормо- зящего устройства или непосредственно компрессору.

Явление разноса – неконтролируемое быстрое увеличение скорости вращения коленвала, последствием которого является разрушение механизмов и выход детандера из строя. Причиной разноса является, как правило, исчезновение тормозящего действия генератора или других уст- ройств, например, в случае пропадания фазы на генераторе или обрыве клиноременной передачи.

Рассмотрим конструкции поршневых детандеров. На рис. 11 показан продольный разрез поршневого детандера высокого давления ДВД-2 (давление на входе составляет 18÷20 МПа, на выходе 0,55÷0,6 МПа), на основе которого созданы детандеры данного класса. Детандер представ- ляет собой одноцилиндровую вертикальную машину. Корпус детандера имеет горизонтальный разъем по оси вращения коленвала 29. Нижняя часть относительно плоскости разъема является картером, а верхняя называется средник. В картере 25 машины на роликовых подшипниках каче- ния 23, 28 расположен двухопорный одноколенчатый вал 29. В средник 8 вставлены направляю-

11

щие для крейцкопфа 7. Шатун 5 соединяет коленвал 29 с пальцем крейцкопфа 6. К крейцкопфу с помощью шарнирного соединения – сферической пяты крепится поршень 9, движущийся в ци- линдре 10. Сферическое соединение позволяет поршню самоустанавливаться.

Рис. 11. Конструкция детандера ДВД-2 [6]

12

Уплотнение поршня достигается с помощью поршневых колец. Впуск воздуха в цилиндр происходит через впускной клапан 14, а выпуск – через выпускной клапан 16 конической формы. Коленвал снабжен двумя кулачками (впуска 27 и выпуска 24), открывающими клапаны через ка- чающиеся кулисы 3, 22 и толкатели 4. Клапан находится в закрытом положении за счет пружины 11, толкатель 4 открывает впускной клапан 14. Выпускной клапан открывается при движении вниз, толкатель воздействует на него через коромысло 17.

Смазка в цилиндр на пару трения поршень-цилиндр подается масляным насосом высокого давления − лубрикатором 2, а смазка КШМ производится шестеренчатым маслонасосом 1. Масло забирается из картера через фильтр 26 и насосом 1 через ложный подшипник 30 подается по кана- лам в коленвале к шатунной шейке и далее через канал в шатуне к пальцу крейцкопфа. Ложный подшипник образован между консольным участком коленвала и баббитовым вкладышем, его на- значение – подвод смазки от неподвижной втулки к каналу во вращающемся коленвале. Необхо- димо отметить, что подшипники скольжения с жидкостным трением, образованные между сталь- ной шейкой вала и втулкой с баббитовой заливкой или бронзовой втулкой, широко применяются в компрессорах и детандерах.

На головке детандера установлен предохранительный клапан 15, сбрасывающий давление газа при его повышении сверх допустимой величины. Развиваемая детандером мощность переда- ется мотор-генератору переменного тока через клиноременную передачу, для чего маховик 21 имеет на ободе шесть канавок, в которые устанавливаются ремни передачи.

Регулирование холодопроизводительности детандера осуществляется изменением отсечки впускного клапана. Для этого предусмотрен кулисный механизм 3, изменяющий положение роли- ка, передающего усилие от кулачка к толкателям клапана.

Детандер предохраняется от разноса с помощью центробежного выключателя 20, ус- тановленного на маховике. Если скорость вращения превысит допускаемую, выключатель под действием центробежной силы выдвигается за обод маховика и нажимает на рычаг, который за- крывает клапан 18 на подаче воздуха высокого давления в цилиндр детандера. Без подачи воздуха коленвал постепенно останавливается. Также для ручной экстренной остановки и торможения де- тандера служит рычаг 19.

Рис. 12. Конструкция горизонтального детандера ДВД-6 [6]

В качестве примера конструкции горизонтального детандера на рис. 12 показан детандер ДВД-6. Чугунная станина имеет горизонтальный цилиндрический прилив, в котором размещены направляющие 2, отлитые заодно целое со станиной. К станине на шпильках прикреплен стальной

13

цилиндр 1, в котором перемещается чугунный поршень диаметром 155 мм. Последний скреплен с цилиндрическим крейцкопфом 3, который с помощью сферической головки 4 соединен с шатуном 6. Движение поршня передается через крейцкопф и шатун коленчатому валу 7, расположенному в коренных подшипниках станины детандера. На выходной конец вала насажен маховик 5. Впуск-

Рис.13. Поршень и крейцкопф детандера ДВД-6 [6]

ной клапан (на рисунке не показан) и выпускной клапан расположены в головке цилиндра. Шаро- вое (сферическое) соединение компенсирует возможную несоосность цилиндра и направляющих крейцкопфа, так как их соосности (параллельности осей) достаточно трудно добиться при сборке, учитывая большие габариты машины.

14

15

клапан автоматического выключения 16, который перекрывает поток газа на подаче в детандер при срабатывании выключателя 23. Для регулирования производительности детандера изменени- ем отсечки наполнения имеется винт 21, перемещающий рычаг впуска 5 и изменяющий момент закрытия впускного клапана. Для смазки толкателя имеется пресс-масленка 13. В целом конструк- ция аналогична детандеру ДВД-2, являющемуся его прототипом.

Поршень детандера имеет следующую конструкцию (рис. 17). Часть поршня 1, контакти- рующая с холодной зоной цилиндра, для уменьшения притока теплоты по телу поршня из теплой зоны выполнена из текстолита (неметаллического материала с малой теплопроводностью) − эта часть движется в поршне с зазором, для снижения протечек на ее наружной поверхности сделаны кольцевые проточки малой глубины. Она закрепляется на резьбе на основном поршне из стали и дополнительно фиксируется от отвинчивания штифтом 6. Другая часть поршня, которой он закре- пляется в крейцкопфе, имеет сферическую поверхность 7 для возможности компенсации перекоса осей цилиндра и крейцкопфа при креплении поршня. Средняя часть поршня 2 имеет уплотнитель- ные кольца 3, 4 и маслосъемное кольцо 5. Масло, снимаемое со стенок цилиндра, поступает по

Рис. 17. Поршень детандера ДВД-13

прорезям в кольце, каналам 8 на крейцкопф и далее стекает в картер детандера.

Кроме внешнего привода клапанов детандера, в более современных конструкциях, исполь- зуется внутренний привод. Он заключается в том, что механизм привода располагается в самом поршне, а клапаны – в крышке цилиндра. Верхняя часть поршня имеет два цилиндрических уг-

лубления вдоль оси, в которых размещаются толкатели клапанов и пружины. В этом случае

16

происходит пружиной 10 при ходе поршня вниз. Пружина 13 демпфирует (смягчает) момент каса- ния толкателя пластины. Выпускной клапан 2 связан тягой 3 с тарелкой 4 в углублении поршня. При подходе поршня к НМТ происходит контакт внутреннего торца углубления с тарелкой 4 и от- крытие клапана 2. При движении вверх после прохождения НМТ пружина 6 закрывает клапан. На рис. 18 оба клапана находятся в закрытом положении.

Конструкция такого детандера с уплотнительными кольцами из материалов на основе фто- ропласта, не требующих смазки, приведена на рис. 19. В этом случае теплоту трения колец необ- ходимо отводить внешним источником, что обычно делается за счет подачи воды в охлаждающую рубашку, размещенную снаружи зоны трения колец (нижняя часть цилиндра).

5. Тепловой расчет воздушного поршневого детандера

Задание: Произвести тепловой расчет поршневого детандера для воздухоразделительной установки. Рабочий газ – воздух, начальное давление рн=4 МПа, конечное давление рк=0,6 МПа, начальная температура Тн=175К, массовый расход газа m0=500 кг/ч. Исходные данные для всех вариантов приведены в прил. 2.

Решение: Целью теплового расчета является определение размеров рабочей полости, по- строение расчетной индикаторной диаграммы для выбранной конструкции детандера.

Исходя из условий работы и заданных параметров, целесообразно выбрать схему клапанно- го детандера с внутренним приводом клапанов (рис. 19), который имеет КПД на уровне 80 %. Ин- дикаторная диаграмма схематично показана на рис. 18.

Определяем давление в характерных точках диаграммы. 1. Давление газа p1 в точке 1:

p1 = pн (1 – j1),

где j1 – относительные потери давления во впускном клапане в начале процесса наполнения, при- нимаются в пределах 0,01 ÷ 0,05.

Принимаем j1 = 0,03, тогда

p1 = 4(1 – 0,03) = 3,88 МПа.

2. Давление газа p2 в точке 2:

p2 = pн (1 – j¢),

где j¢ - относительные потери давления во впускном клапане в конце процесса наполнения, (j¢=0,05 – 0,1) принимаем j¢ = 0,1, тогда давление составит:

p2 = 4(1 – 0,1) = 3,6 МПа.

3. Давление газа p4 в точке 4:

p4 = pк (1 + j2),

где j2 – относительные потери давления в выпускном клапане (j2 =0,04 ÷ 0,1), принимаем j2 = 0,07, тогда

p4 = 0,6(1 + 0,07) = 0,642 МПа.

4. Давление газа p5 в точке 5:

p5 » p4= 0,642.

5. Давление газа p6 в точке 6:

p6 = pк +(0,3 ¸ 0,5) (pн – p к) = 0,6 + 0,42 × 3,4 = 2,028 МПа.

18

6. Принимаем величину относительного мертвого пространства ам = 5 % (обычно диапазон 4÷10%), геометрическую степень обратного поджатия ε = V5/Vц определим по формуле:

7. Степень отсечки обратного поджатия a4 = Vсж/Vh

a4 = e (1 + aм) – aм = 0,108 (1 + 0,05) – 0,05 = 0,0634. 8. Оптимальная степень наполнения цилиндра d = V2/Vц [1]:

9. Степень отсечки впуска a1 = Vотс/Vh

a1 = δ (1+ aм ) - aм = 0,383(1+ 0,05) - 0,05 = 0,352. 10. Давление газа p3 в точке 3: p3 = p2δ n ,

где n − показатель политропы в процессе расширения 2–3, принимаем n = 0,97k = 1,358.

p3 = 3,6 × 0,3831,358 = 0,978 МПа.

11. Полный объём цилиндра Vц:

где n – число оборотов машины в минуту, принимаем n = 750 об/мин (для машины с внутренним приводом клапанов n=700÷1000); z – число рабочих полостей за один оборот вала детандера, как правило z = 1; ρн, ρкs – плотности рабочего газа соответственно до и после адиабатного расшире- ния, находим по уравнению Менделеева-Клапейрона:

где R – удельная газовая постоянная, для воздуха R = 287 Дж/(кг·К); Ткs – температура газа после адиабатного расширения, находим по уравнению адиабаты:

19

13. Задаваясь относительной величиной хода поршня ψп, определяем диаметр цилиндра d и ход поршня S. Величину l выбираем из условия:

ψп = S/d = 0,7 ÷ 2,5,

принимаем ψп = 1, тогда диаметр цилиндра составит:

Исходя из ряда нормальных линейных размеров (прил. 1), принимаем d = 0,08 м. Ход поршня составит:

S = ψп ×d = 1×0,08 = 0,08 м.

Тогда действительные величины описанного объема и цилиндра:

Vц = Vh (1 + aм ) = 4,019 ×10−4 (1 + 0.05) = 4,22 ×10−4 м3.

14. Объём газа в соответствующих точках индикаторной диаграммы составит:

V1 = Vм = aм ×Vh = 0,05 × 4,019 ×10−4 = 0,201×10−4 м3 ;

V2 = δ ×Vц = 0,383× 4,22 ×10−4 = 1,616 ×10−4 м3 ;

15. Строим рабочую индикаторную диаграмму в координатах p–V. При построении инди- каторной диаграммы давления в точках 1, 2, 5 должны быть отложены в соответствии с найден- ными значениями α, δ, ε. Процессы расширения 2–3 и поджатия 5–6 индикаторной диаграммы строим по уравнениям политропы:

20