Оборудование гелиевого ожижителя Г-45

4.3. Расширительные устройства

Поршневой детандер. Детандер (рис. 4.9) представляет собой однолинейную вертикальную поршневую машину с верхним расположением механизма движения. Детандер крепится к крышке ожижителя через опорный фланец. Сверху к опорному фланцу 1 крепится опора кривошипно-шатунного механизма, в которой размещаются кривошип, шатун, механизмы регулирования отсечек впуска и выпуска (3), распределительные кулачки.

Рис.4.9. Поршневой детандер

К нижней части опорного фланца 1 крепится тонкостенная дистанционная труба 4, нижний конец которой соединен с клапанной плитой 5. На клапанной плите закреплены цилиндр поршневого детандера, впускной и выпускной клапаны, ресиверы среднего и низкого давления.

Эта часть детандера (от опорного фланца и ниже) размещается внутри корпуса ожижителя в холодной зоне.

Тепловые мосты, соединяющие холодную часть детандера с теплой: дистанционная (несущая) труба 4 и шток выполнены достаточно удлиненными и тонкостенными. Материал трубы и штока - сталь 1Х18Н10Т, коэффициент теплопроводности которой сравнительно невелик (от 1,5 Вт/(см·град) при 300K до 0,04 Вт/(см·град) при 4,5K), что позволяет свести к минимуму теплопритоки к холодной зоне.

Клапаны детандера приводятся в действие от распределительного вала через рычаги механизмов регулирования отсечек и узлы уплотнения тяг клапанов 6. Тяги клапанов 6 для обеспечения герметичности пропускают в кожухи-трубки, которые нижними концами крепятся к клапанной плите, а верхними - к опорному фланцу.

Нижняя часта детандера, находящаяся в холодной зоне, должна быть полностью герметична, так как она размещается в вакуумной зоне. Утечки гелия через поршневое уплотнение отводятся из дистанционной трубы по специальной трубке в обратный поток, проходящий через теплообменник и имеющий соответствующую температуру.

Принцип действия детандера основан на расширении сжатого газа (гелия) с отдачей внешней работы. Гелий под давлением 1,9-2,3 МПа, охлажденный предварительно в теплообменниках ожижителя до температуры 28 – 22K, подается в ресивер на впуске газа в детандер, откуда при открытии впускного клапана попадает в цилиндр. Во время движения поршня вверх на части его хода впускной клапан остается открытым, происходит наполнение цилиндра сжатым гелием (процесс 1-2, рис. 4.10). В дальнейшем клапан впуска закрывается и происходит расширение гелия (проц. 2-3) в результате чего он охлаждается. При подходе поршня к верхней мертвой точке (точка 4 на диаграмме) с опережением на 5 – 8 градусов (по углу поворота кривошипа) открывается выпускной клапан и происходит выхлоп (проц. 3-4) расширяющегося и охлажденного гелия из цилиндра в ресивер на выпуске. При движении поршня от верхней мертвой точки вниз происходит выталкивание из цилиндра холодного газа (проц. 4-5) в ресивер. При подходе поршня к нижней мертвой точке выпускной клапан закрывается, и пока не открылся впускной клапан, происходит сжатие (процесс 5-6) оставшегося в цилиндре газа.

Рис. 4.10. Диаграммы поршневого детандера: а - фазового распределения; б - индикаторная

Впускной клапан открывается также с предварением 5-8 градусов по углу поворота кривошипа.

Давление гелия в цилиндре действует на поршень, который передает усилие через шток и крейцкопф на кривошипно-шатунный механизм, преобразующий поступательное движение во вращательное. В конечном итоге работа, отданная расширяющимся гелием поршню, передается на вал тормозного электродвигателя, который работает в режиме генератора. Электрическая мощность генератора отдается в сеть.

Если отключить генератор, что может самопроизвольно произойти, например, при обрыве электрической цепи, проскальзыванием ремней привода генератора, детандер пойдет «в разнос», так как работа, производимая расширяющимся газом, отводиться в этом случае не будет.

Для предохранения детандера от "разноса" и связанных с ним поломок предусмотрена специальная система автоматической остановки детандера, состоящая из тормоза и центробежного выключателя. В случае превышения допустимого числа оборотов центробежный выключатель воздействует на тормоз и машина останавливается.

Поршень с цилиндром. Поршень (1, рис. 4.11) представляет собой стальной цилиндр с днищем. На наружную поверхность поршня насажены пропарафиненные текстолитовые кольца (2). Уплотнение поршня в цилиндре (3) щелевое, без смазки, цилиндр изготовлен из стали мерки ШХ-15. Внутренняя поверхность цилиндра (3) прошлифована и покрыта слоем хрома толщиной 5 мкм. В целях самоустановки поршня в цилиндре, соединение со штоком выполнено в виде шарнира (5) и размещено в нижней части поршня.

Рис. 4.11. Поршень с цилиндром: 1 – корпус поршня; 2 – кольцо; 3 – цилиндр; 4 - упор

Шток (рис. 4.12) служит для передачи газового усилия от поршня к крейцкопфу. Шток соединен с поршнем и крейцкопфом шарнирно с помощью шариков. Поскольку шток представляет собой тепловой мост, соединяющий холодный поршень с теплым крейцкопфом, для уменьшения потерь холода средняя его часть выполнена в виде тонкостенной трубы из материала (1Х18Н10Т) с низким коэффициентом теплопроводности. Диаметр тонкостенной трубы выбран с учетом её устойчивости на продольный изгиб.

Рис. 4.12. Шток: 1 - шарик; 2 - штифт; 3 - наконечник; 4 – шток; 5 - переходник; 6 - труба; 7 - сборник масла; 8 – планка; 9 - стопорная гайка; 10 – пружина; 11 - наконечник; 12 - шарик

Крейцкопфная группа (рис. 4.13) состоит из 2-х частей: направляющего цилиндра 1 и крейцкопфа 4. Цилиндр изготовлен из стали 20Х; рабочая поверхность цилиндра цементирована. Поршень 4 крейцкопфа выполнен из алюминиевого сплава Д16Т.

Рис. 4.13. Крейцкопфная группа; 1 - цилиндр; 2 - масленка; 3 - заглушка; 4 - поршень;
5 - подпятник; 6 - манжета; 7 - шайба; 8 – гайка; 9 - прокладка; 10 - сборник масла

На поршне 4 гайкой 7 закреплена уплотнительная кожаная манжета 6, которая служит для предотвращения попадания смазки из цилиндра крейцкопфа в холодную зону детандера.

Крейцкопф смазывается консистентной смазкой при помощи масленки 2 ввернутой в цилиндр 1. Масло, просочившееся через уплотнение, скапливается в сборнике 10.

Поршень крейцкопфа соединен шарнирно со штоком при помощи гайки 8, наконечника и пружин, которые осуществляют постоянный прижим поршня крейцкопфа к шарику шарнирного соединения.

Кривошип выполнен заодно с противовесом. Кривошипная головка шатуна и правая коренная шейка вала смонтированы на роликоподшипниках; левая шейка - на шарикоподшипнике. На валу находятся распределительные кулачки и маховик.

Уплотнение внутренней полости корпуса по валу осуществляется с помощью гидрозатвора, представляющего собой масляную кольцевую камеру, размещенную в корпусе. Масло в камере находится под небольшим статическим давлением столба жидкости и подается из масленки, установленной на ограждении маховика. Такое уплотнение надежно предотвращает утечки по валу гелия, просочившегося через щелевое уплотнение поршня детандера.

Клапаны впуска (рис. 4.14) и выпуска (рис. 4.15) предназначены для впуска сжатого гелия в цилиндр детандера и выпуска расширенного гелия. Клапаны тарельчатого типа смонтированы в съемных седлах, которые в свою очередь установлены в клапанной плите. Уплотняющий элемент клапана изготовлен из фторопласта 4, завальцованного в тарелку клапана. Направляющие втулки для штоков клапанов изготавливаются также из фторопласта-4.

Рис. 4.14. Клапан впуска

Рис. 4.15. Клапан выпуска

Тормозное устройство детандера состоит из центробежного включателя и тормоза. Центробежный выключатель установлен на ободе маховика и представляет собой подпружиненный шпиндель, не выходящий в нормальное положение за габариты маховика.

При достижении числа оборотов, превышающего расчетное значение, под действием центробежной силы шпиндель сжимает пружину, выходит из своего гнезда и ударяет по собачке тормоза (рис. 4.16).

Рис. 4.16. Тормоз: 1 – гайка; 2 – втулка; 3 – пружина; 4 – кольцо; 5 – корпус; 6 - ось; 7 – шайба; 8 – кронштейн; 9 – рычаг; 10 – втулка; 11 – собачка; 12 – шайба; 13 – шплинт; 14 – башмак; 15 – шуруп; 16 – втулка; 17 – стержень; 18 – подкладка

Тормоз установлен на корпусе опоры кривошипа и состоит из корпуса 5, внутри которого размещен стержень 17 с башмаком 14 и пружиной 3. Башмак удерживается от маховика на расстоянии 2,5 мм с помощью собачки 11. Когда шпиндель центробежного выключателя выходит за пределы маховика, он ударяет по собачке, стержень 17 тормоза освобождается и тормозной башмак 14 прижимается к маховику. Машина останавливается.

В детандере предусмотрен также тормоз для ручной остановки машины.

Техническая характеристика детандера ГДСД-2М

№	Параметр	Величина
1	Расход газа через детандер, нм3/ч	260
2	Рабочее давление, МПа на входе на выходе	1,9 - 2,3 0,02 - 0,04
3	Температура гелия на входе, K	24 - 28
4	Диаметр поршня, мм	60
5	Ход поршня, мм	60
6	Число оборотов, об/мин	310
7	Регулирование производительности, %	100 - 60
8	Габаритные размеры детандера, мм длина ширина высота	535 450 1925
9	Вес детандера, кг	115
10	Электродвигатель, марка	АОЛ-41-4
11	Мощность электродвигателя, кВт	1,7

Дроссельный вентиль (рис. 4.17) предназначен для дросселирования потока гелия, поступающего на ожижение. Он состоит из корпуса 3, в котором перемещается шпиндель 1. Игла дроссельного вентиля изготовлена в виде конуса с цилиндрическим хвостовиком. Цилиндрическая часть хвостовика имеет с одной стороны срез, плоскость которого составляет с образующей цилиндра около 15 градусов.

Рис. 4.17. Дроссельный вентиль

При полностью закрытом вентиле конус упирается в седло вентиля и перекрывает поток газа.

Корпус вентиля крепится на крышке ожижителя. Штурвал управления вентилем вынесен в теплую зону. Поскольку управление вентилем расположено в теплой зоне, а дроссельное устройство в холодной, вентиль представляет собой тепловой мост. Для снижения теплопритоков холодная зона удалена от теплой с помощью дистанционных труб из нержавеющей стали 2. Шпиндель дроссельного вентиля составной. Нижняя его часть может совершать только возвратно-поступательное движение, верхняя - только вращательное. Это достигается благодаря специальным шарнирным соединениям.

Для предотвращения утечек гелия шпиндель в теплой зоне имеет сильфонное уплотнение. Для того чтобы осуществлялось плавное регулирование шпиндель имеет мелкую резьбу
(шаг 1 мм). Таким образом, поворот штурвала на 1 оборот приводит к перемещению нижней части шпинделя всего на 1 мм. На верхней части шпинделя укреплена круглая шкала (лимб), на которой нанесены деления в градусах; на конусе вентиля неподвижно закреплена стрелка, относительно которой отсчитывается поворот вентиля.

Следующая страница: 4.4. Сборник жидкого гелия