Совершенствование методов расчета и конструктивных элементов детандерных ступеней с поршнем двойного действия

• Автор: Арсеньев, Иван Андреевич
• Шифр специальности: 05.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 229 с. : ил.

Содержание

Условные обозначения

ВВЕДЕНИЕ

1. ПОРШНЕВЫЕ ДЕТАНДЕРЫ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1.1. Расширительные машины. Области рационального применения

1.2. Поршневые детандеры. Конструкции. Современное состояние

1.3. Моделирование рабочих процессов в детандерной ступени

1.4. Формулировка решаемых проблем. Основные задачи

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В ДЕТАНДЕРНОЙ СТУПЕНИ
С ПОРШНЕМ ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ
2.1. Основные допущения
2.2. Математическая модель
2.2.1. Расчетная схема
2.2.2. Определение текущего удельного объема рабочей камеры
2.2.3. Определение текущей энтропии газа в рабочей камере
2.2.4. Расчет процессов теплообмена
2.2.5. Расчет свойств реальных газов
2.2.6. Моделирование работы органов газораспределения
2.2.7. Моделирование рабочих процессов в уплотнительных узлах детандерной ступени с поршнем двойного действия
2.2.8. Расчет интегральных характеристик детандера
2.3. Блок-схема, алгоритм и программа расчета
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.
КОНТРОЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДЕТАНДЕРНОЙ СТУПЕНИ
3.1. Цель и задачи эксперимента

3.2. Характеристика экспериментального стенда
3.3. Методика эксперимента и порядок пуска агрегата
3.4. Подготовка и проведение контрольных испытаний
3.4.1. Этап 1. Одноклапанное газораспределение.
Изменение предварительного натяга пружин
3.4.2. Этап 2. Одно- и двухклапанное газораспределение.
Изменение величины мертвого объема ступени
3.5. Анализ результатов контрольных испытаний
4. РАСЧЕТНЫЙ АНАЛИЗ.
МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЕТАНДЕРНЫХ СТУПЕНЕЙ С ПОРШНЕМ ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ
4.1. Расчетный анализ рабочих циклов детандерной ступени
4.2. Особенности рабочих процессов в уплотнении поршня
4.2.1. Динамика потока газа в уплотнении дискового поршня
4.2.2. Оптимизация конструкции уплотнительного узла
4.3. Анализ интенсивности теплообмена в ступени детандера
4.3.1. Влияния герметичности впускного клапана
на интенсивность процесса теплообмена
4.3.2. Влияние температуры стенок рабочей камеры
на интенсивность процессов теплообмена
4.3.3. Анализ процессов теплообмена
при переменной частоте вращения вала
4.4. Работа детандерной ступени на режимах
отличных от номинального
4.5. Анализ способов регулирования параметров детандерной ступени
4.6. Обоснование выбора диаметра патрубков
и объема впускных и выпускных полостей
4.7. Методика проектирования ступени детандера
е поршнем двойного действия

4.8. Анализ процессов теплообмена
на основе расчетных циклов в координатах T—s
5. ОЦЕНКА НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ
В ЭЛЕМЕНТАХ ДЕТАНДЕРНОЙ СТУПЕНИ
5.1. Метод конечных элементов и программа расчета ANSYS
5.2. Расчет элементов самодействующих клапанов
5.2.1. Типы клапанов и их применяемость
5.2.2. Расчет седла многокольцевого впускного клапана
5.2.3. Расчет контактной пары "пластина - седло" кольцевого клапана
5.2.4. Расчет пластины сферического клапана
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы
Приложения

1.4. Формулировка решаемых проблем. Основные задачи
Выполненный обзор литературы позволяет наметить следующие прогрессивные тенденции развития поршневых детандеров:
1. Повышение производительности ПД до 10000 кг/час за счет применения освоенных в отрасли компрессоростроения высокооборотных многорядных баз с частотой вращения вала в диапазоне 750 < п < 3000 об/мин.
2. Ориентация на ступени детандера с поршнем двойного действия [4], что в сочетании с повышенной частотой вращения вала позволит резко снизить удельные массогабаритные показатели поршневых детандеров.
3. Применение отработанных в условиях эксплуатации уплотнительных узлов без смазки, успешно применяемых в отечественных и зарубежных компрессорах с повышенной средней скоростью поршня (до 6 м/с).
4. Использование самодействующих клапанов со встроенными толкателями, обеспечивающих работоспособность детандеров на режимах отличных от номинального в широком диапазоне начальных и конечных давлений.
5. Разработка методов и программ расчета, использование которых позволит не только находить оптимальные конструктивные решения, но и глубже понимать их взаимосвязь с протекающими рабочими процессами.
В целях реализации поставленных задач в рамках диссертации были классифицированы типы и проработаны функциональные схемы ряда расширительных машин объемного действия (см. рис. 1.4, 1.5).
Схема ДК: В качестве тормоза детандера используется компрессор. Полезной электрической энергии не вырабатывается; детандер служит для снижения температуры рабочего тела.
Схема ДКА: В качестве тормоза используется компрессор, который имеет привод от двигателя; при этом мощность детандера передается непосредственно на вал компрессора, что способствует снижению мощности на сжатие и перемещение газа в компрессорном блоке агрегата.