Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В большинстве случаев к комплектующему оборудованию криогенных установок в первую очередь предъявляются требования надежности и стабильности рабочих параметров. В связи с этим разработка нового поколения бесклапанных детандеров, не содержащих в системе газораспределения динамически нагруженных органов — клапанов, представляется перспективным направлением совершенствования поршневых детандеров.
До настоящего времени при проектировании детандеров в бессмазочном исполнении ориентировались на базы мембранных компрессоров или индивидуальные базы с пониженной средней скоростью поршня, что приводило к завышенным удельным массо-габаритным показателям. Созданные за последние годы в ряде организаций высокооборотные базы со средней скоростью поршня до 3 м/с, в частности, без смазки механизма движения, позволяют в значительной мере снизить удельные массо-габаритные показатели детандеров.
Недостаточно разработанной является методика расчета бесклапанных детандеров и оптимизации их конструкции на стадии проектирования. Большинство существующих методик не содержат комплексного учета взаимосвязи протекающих рабочих процессов. Поэтому работы направленные на создание более совершенных инженер-. ных и оптимизационных методик расчета перспективных конструкций детандеров на наш взгляд актуальны.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка усовершенствованной методики расчета и оптимизации параметров ступени бесклапанных поршне- вых детандеров с улучшенными технико-экономическими показателями, учитывающей взаимосвязь конструкции ступени с протекающими рабочими процессами и реальные свойства газа.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА. Разработка надежных и эффективных детандерных ступеней без смазки и параметрических рядов бесклапанных поршневых детандеров на современных унифицированных базах поршневых компрессоров с повышенной частотой вращения вала и средней скоростью поршня.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Разработать конструкцию ступени бесклапанного поршневого детандера в бессмазочном исполнении, эффективно, надежно и стабильно работающую в широком диапазоне начальных давлений при повышенной средней скорости поршня и частоте вращения вала.
-
Разработать инженерную методику расчета бесклапанного порш-
невого детандера, проектируемого на унифицированных базах.
3. Разработать методику расчета и оптимизации параметров ступени
на базе математического моделирования протекающих рабочих про
цессов в их взаимосвязи с учетом свойств реального газа. Установить
адекватность разработанной модели.
4. Выполнить численный эксперимент направленный на выявление
физической стороны протекающих процессов и оптимизацию конст
рукции ступени и ее отдельных элементов применительно к детанде
рам низкого, среднего и высокого давления.
5. Обосновать возможность создания типоразмерных рядов бескла
панных детандеров на унифицированных базах.
ОСНОВАНИЕМ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ является перечень научных направлений СПбГАХПТ (пп. 1 и 5).
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Теоретическое обоснование коэффициента подачи и инженерной
методики расчета ступени бесклапанного поршневого детандера.
-
Методика расчета и оптимизации текущих и интегральных параметров уплотнительных узлов поршней с переменным во времени числом работающих (нагруженных) уплотнительных колец, комплексно учитывающая конструктивные особенности уплотнения, реальные свойства газа и механические процессы в парах трения.
-
Обобщенная эмпирическая зависимость для расчета коэффициента тр.ения элементов уплотнений без смазки, пригодная для использования в детандерных и компрессорных ступенях.
-
Методика расчета волюметрических, термодинамических и тепло-физических свойств реальных газов для области давлений и температур соответствующей процессам протекающим в детандерных и компрессорных ступенях.
о. Упрощенная математическая модель рабочих процессов в ступени бесклапанного детандера, рекомендуемая для экспресс-анализа вариантов исполнения ступени.
6. Обобщенная математическая модель, учитывающая специфические
особенности конструкции, свойства реального газа, характер процес
сов тепло- и массообмена в ступени и механическое трение в элемен
тах цилиндро-поршневых групп и позволяющая находить оптималь
ное соотношение характерных параметров ступени.
7. Результаты численного эксперимента, полученные на осаове ис
пользования разработанных моделей,-позволившие выявить ряд зако
номерностей физических процессов и дать рекомендации по констру
ированию ступеней бесклапанных детандеров и их элементов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. На основе разработанных моделей создан пакет прикладных программ для ПЭВМ. Результаты работы внедрены в "НПЦ Компрессоры БС" и используются в учебном процессе СПбГАХПТ при чтении курса лекций "Расширительные машины", при курсовом и дипломном проектировании.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения работы докладывались на:
международной научно-технической конференции "Холод и пищевые производства". С.-Петербург, 1996.
научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАХПТ, С.-Петербург, 1997.
XI международной научно-технической конференции по компрессорной технике, КГТУ, Казань, 199в.
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 5 работ.
ОБЪЕМ РАБОТЫ. Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованной литературы. Текстуальная часть работы изложена на 135 страницах. Работа содержит 69 рисунков", 8 таблиц и 2 приложения.
Список использованной литературы включает 93 наименования.
