Сумський державний університет

Мальцев Ярослав Іванович

УДК 622.-522-525:621.22

УДОСКОНАЛЮВАННЯ ГІДРАВЛІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ВИХРОВИХ РЕГУЛЮЮЧИХ ОРГАНІВ СТРУМИННИХ ВИКОНАВЧИХ ПРИСТРОЇВ

05.05.17 - гідравлічні машини та гідропневмоагрегати

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Суми - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному

університеті імені Володимира Даля

(СНУ ім. В. Даля), кафедра “Гідрогазодинаміка“

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Сьомін Дмитро Олександрович,

Східноукраїнський національний

університет імені Володимира Даля,

кафедра “Гідрогазодинаміка”, доцент.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Косторной Сергій Дмитрович,
Сумський державний аграрний університет, професор;

кандидат технічних наук, доцент
Андренко Павло Миколайович, Національний технічний університет “ХПІ”, кафедра “Гідропневмоавтоматика та гідропривід”,
доцент.

Провідна організація: Національний технічний університет України (КПІ), м. Київ.

Захист відбудеться “16” квітня 2004 р. о 1000 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради
К55.051.03 у Сумському державному університеті за адресою: 40007, м.Суми, вул. Р.-Корсакова, 2, СумДУ.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Сумського державного університету за адресою: 40007, м. Суми, вул. Р.-Корсакова, 2.

Автореферат розісланий: “12” березня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Савченко Є. М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з напрямків подальшого розвитку засобів і систем управління потоками суцільних середовищ є удосконалювання характеристик і розробка нових конструкцій виконавчих пристроїв, що мають високі показники надійності і довговічності. Особливо гостро питання надійності і довговічності стоїть в галузях з екстремальними умовами експлуатації – вугільної, хімічної, транспорті, енергетики, сільському господарстві та ін., де класичні пристрої з механічними регулюючими органами швидко виходять з ладу, оскільки мають рухливі тертьові частини, що зношуються. У ряді випадків ця проблема може бути вирішена за допомогою використання струминних виконавчих пристроїв, основна перевага яких – відсутність рухливих контактуючих пар у регулюючих органах і як наслідок висока надійність і довговічність. Найбільш ефективними пристроями для цілей управління потужними потоками суцільних середовищ за своїми властивостями з числа відомих струминних регулюючих органів є вихрові клапани-підсилювачі, які дозволяють регулювати потік, що проходить через них аж до повного його перекриття.

Основним недоліком пристроїв такого типу є витрата потужності в закритому стані, що характеризується параметрами запирання.

Одним із шляхів зниження параметрів запирання вихрових клапанів-підсилювачів є підвищення їхньої пропускної здатності за рахунок зниження внутрішнього опору проточних частин, що дозволяє значно розширити область застосування пристроїв такого типу. Однак, підвищення пропускної здатності клапанів-підсилювачів приводить не тільки до зниження параметрів запирання, але і до підвищення їхніх динамічних якостей, а також істотно впливає на вид робочої характеристики.

Таким чином, удосконалювання гідравлічних характеристик вихрових регулюючих органів, які становлять собою вихрові клапани-підсилювачі є актуальною задачею, рішення якої забезпечує надійність і ефективність заснованих на них пристроїв управляння і систем керування потужними потоками рідин і газів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами Дисертаційна робота виконувалася відповідно до плану науково-дослідних робіт Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля як частина держбюджетної теми кафедри „Гідрогазодинаміка” „Разработка, совершенствование и исследование гидравлических машин, гидравлических приводов и систем гидропневмоавтоматики для робототехнических комплексов и технологического оборудования” (БН-7-99) і держбюджетної НДР “Теория и методы анализа и моделирования газодинамических характеристик промышленных выбросов техногенно-опасных объектов ” (ГН-16-01 номер держреєстрації № 0101U003276).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є наукове обґрунтування і розробка рекомендацій щодо поліпшення гідравлічних характеристик, а саме, підвищення пропускної здатності, поліпшення параметрів запирання і динамічних властивостей вихрових клапанів-підсилювачів використанням дифузорних виходів.

Для реалізації поставленої мети були сформульовані і вирішені наступні задачі дослідження:

- розробка математичної моделі турбулентної течії нестисливої рідини у вихровому клапані-підсилювачі з дифузорним виходом;

- експериментальне дослідження робочих характеристик вихрових клапанів-підсилювачів з дифузорним виходом;

- перевірка адекватності математичної моделі на якісному і кількісному рівнях;

- дослідження на математичній моделі особливостей течії і характеристик вихрових клапанах-підсилювачах із дифузорним виходом;

- практична реалізація систем з використанням вихрових клапанів-підсилювачів з дифузорним виходом.

Об'єктом дослідження є гідромеханічні процеси, що відбуваються в обертових потоках нестисливої рідини.

Предметом дослідження є гідродинамічні характеристики турбулентних течій нестисливої рідини у вихрових клапанах-підсилювачах з дифузорним виходом та їх робочі характеристики.

Методи дослідження. У роботі використовувалися методи математичного і фізичного моделювання процесів, що відбуваються у вихрових клапанах-підсилювачах з дифузорним виходом. Математичні моделі являють собою сукупність нелінійних диференціальних рівнянь у часткових і повних похідних (закони збереження: маси, кількості руху та ін.). Алгоритми чисельного вирішення рівнянь математичної моделі засновано на методах контрольного об’єму і Рунге-Кутта з використанням пакетів прикладних програм. Адекватність математичних моделей перевірялася порівнянням результатів чисельного розрахунку з результатами даних фізичного експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів.

- Одержало подальший розвиток і поглиблення математичне моделювання тривимірних турбулентних течій стосовно вихрових клапанів-підсилювачів із різними типами дифузорних виходів, яке засноване на рівняннях Рейнольдса для нестисливої рідини, “” моделі турбулентності, “жорстких” граничних умовах на експериментально визначених метафізичних вихідних границях. Модель дозволяє докладно розрахувати поле гідродинамічних характеристик течії у вихровому регулюючому органі із різними типами дифузорів;

- вперше при моделюванні течії у вихрових клапанах-підсилювачах на диференціальному рівні враховано ефекти взаємодії потоків живлення і управління, які обумовлюють структуру течії у вихровій камері, області “горлового” перетину, що дозволило розрахувати умови входу в дифузор і параметри течії у ньому;

- вперше розрахунковим шляхом встановлено й експериментально підтверджено, що відрив потоку від стінок щілинного дифузора відбувається за умов, при яких потік управління робить менш одного обороту у вихровій камері, а зона відриву приймає форму кругового сектора, розмір якої збільшується зі збільшенням закручення. При цьому кут відхилення потоку управління зменшується від 900 до 00, а сам потік змінює форму з круглої на плоску;

- вперше встановлено вплив типу дифузора на вид робочої характеристики і параметри запирання вихрового клапана-підсилювача. У залежності від типу дифузора (щілинний, осьовий, вісерадіальний) вихровий клапан-підсилювач має різні коефіцієнти витрати, які зменшуються відповідно і гістерезисні зони; щілинний дифузор додає у робочу характеристику другу східчасту гістерезисну петлю, ширина і нахил якої пропорційні ступеню розширення дифузора.

- вперше запропонована математична модель динаміки струминної системи висіву насінь, що дозволила розрахувати її динамічні властивості і визначити залежність якості висіву від динамічних властивостей елементів системи.

Практичне значення отриманих результатів.

- розроблені рекомендації щодо вибору геометричних розмірів щілинного дифузора, які забезпечують максимальний коефіцієнт витрати вихрового клапана-підсилювача;

- доповнена і розширена методика інженерного розрахунку вихрових клапанів-підсилювачів з дифузорним виходом трьох типів (щілинним, осьовим або вісерадіальним), що дозволяє одержати вихрові клапани-підсилювачі з більш високими коефіцієнтами витрати, меншими значеннями витрат і потужностей запирання, а також поліпшеними динамічними властивостями. Реалізація запропонованих технічних рішень, а саме встановлення щілинного дифузора дозволила у порівнянні з відомим вихровим клапаном-підсилювачем з осьовим дифузором підвищити пропускну здатність на 15 %, зменшити габарити в осьовому напрямку в 6 разів, в радіальному напрямку на 7 %, і підвищити швидкодію на 7 %;

- установлені кількісні співвідношення між динамічними властивостями вихрового клапана-підсилювача і показниками якості процесу висіву струминної системи у вигляді передатної функції, що дозволили установити максимально припустиме значення постійної часу вихрового клапана-підсилювача T=0.003 c, при якому якість висіву практично не погіршується.

Результати дисертаційної роботи впроваджені в досвідно-експериментальному зразку вихрового клапана-підсилювача, що є одним з основних елементів струминної системи точного висіву насінь НВФ "Дозатор". Методика розрахунку вихрових клапанів-підсилювачів з дифузорними виходами і конструкція пульсатора відсаджувальної машини з поліпшеними гідравлічними характеристиками на основі вихрового клапана-підсилювача з щілинними дифузорами передані в Український науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут по збагаченню і брикетуванню вугілля “Укрндівуглезбагачування”. Математична модель вихрового клапана-підсилювача з дифузорним виходом, а так само методика його розрахунку використовуються в навчальному процесі за спеціальностями “Гідравлічні і пневматичні машини” і “Гідроаеродинаміка” у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля. Акти впровадження результатів і висновків дисертації додаються.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові і практичні результати отримані здобувачем самостійно. У роботах [1, 4-7] здобувачеві належить реалізація математичних моделей, участь у дослідженнях і обговоренні результатів. У роботі [2] здобувачеві належить розробка схем з'єднання вихрових клапанів-підсилювачів з механічними розподільниками. У роботах [3, 8] здобувачеві належить проведення експериментальних досліджень, обробка даних і формулювання наукових висновків. У роботі [9] здобувачеві належить розробка адаптованої математичної моделі тривимірної турбулентної течії у вихровому клапані - підсилювачі з дифузорним виходом. У роботі [10] здобувачеві належить проведення експериментальних досліджень та обробка результатів експерименту щодо візуалізації течії в проточній частині вихрового клапана-підсилювача з дифузором на виході і формулювання наукових висновків. У патентах на винаходи [11-16] внесок здобувача визначений у встановленому порядку.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи повідомлені, обговорені і схвалені на VI і VII міжнародних конференціях “Гидроаэромеханика в инженерной практике” (5-8 червня 2001 р.- Харків, НТУ ХПІ, 3-6 червня 2002 р.- Київ, НТУУ КПІ), VI, VIII науково-практичних конференціях "Університет і регіон" (28-30 листопаду 2000 р., 25-26 грудня 2002 р. м. Луганськ), а так само на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу СНУ ім. В. Даля (2000-2003 р.).

Публікації. За результатами проведених досліджень опубліковано 18 робіт. З них 1 монографія, 9 статей у наукових фахових виданнях, 6 патентів України на винахід, тези 2 доповідей.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох глав, висновків, списку використаної літератури і додатків.

Загальний обсяг дисертації 185 сторінок, 3 додатка на 10 сторінках, список використовуваної літератури з 127 джерел на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі приведені кваліфікаційні ознаки дисертації і сформульований напрямок досліджень, зв'язаний з удосконалюванням гідравлічних характеристик (коефіцієнт витрати, параметри запирання і робочі характеристики) вихрових клапанів-підсилювачів і обґрунтована їхня актуальність.

В першому розділі проведено літературний огляд стану теоретичних і експериментальних досліджень розглянутої задачі. Слід зазначити дослідження викладені в роботах Андренка П.М., Бочарова В.П., Владімірова В.С., Залманзона Л.А., Коваля В.Я., Коваля В.П., Лєбєдєва І.В., Ідельчика І.Є., Орлова Б.В., Сьоміна Д.О., Струтинського В.Б., Федотова В.А., Keshok E.G., King C.F., Savino J.M., Senoo Y., Syred N., Toyokura T., Wormley D.N., і ін.

Одним з показників якості вихрових клапанів-підсилювачів є параметри запирання. Якщо тиск запирання практично не зв'язаний з пропускною здатністю вихрового клапана-підсилювача, що характеризується коефіцієнтом витрати у відкритому стані, то два інших – витрата запирання і потужність запирання зв'язані з ним прямо пропорційно.

Попередніми дослідженнями було показано, що динамічні властивості вихрових клапанів-підсилювачів, що характеризуються його постійною часу, лінійно зв'язані з абсолютними розмірами вихрової камери. Отже, збільшення коефіцієнта витрати клапана-підсилювача повинно не тільки поліпшити параметри запирання, але і привести до підвищення динамічних властивостей, а також вплинути на вид робочої характеристики.

Одним з найбільш ефективних засобів, спрямованих на збільшення коефіцієнта витрати, є установка дифузора на виході вихрового клапана-підсилювача. Однак, тип дифузора може бути різним і в залежності від передісторії потоку, формованої у вихровій камері, він може працювати по різному. Більш того, наявність закручення потоку на вході в дифузорах різного типу може привести до якісно і кількісно різним результатам.

Проведено огляд можливих типів дифузорних виходів, що показав, що з погляду технологічності конструкції найбільше підходять три варіанти дифузорів із прямолінійними утворюючими: конічний із прямолінійною віссю, вісерадіальний і щілинний. Більшість досліджень, що стосуються вихідних дифузорів, через складність процесів, що відбуваються в них, протягом багатьох років носило експериментальний характер. Як відомо на втрати в дифузорі впливають геометричні параметри дифузора, режим течії, умови на вході і наявність закручення. Дослідження осьових дифузорів із прямолінійними утворюючими, працюючих на закручених потоках (Senoo Y., Toyokura T. й ін.) з'явилися порівняно недавно. Вони показали, що наявність невеликого закручення зрушує точку відриву вниз за течією. Подальше збільшення ступеня закручення приводить до підвищення коефіцієнта втрат через збільшення шляху, що проходить рідка частка, а при занадто сильному закрученні епюра швидкості починає деформуватися убік вхідного перетину дифузора.

Теоретичні дослідження вихрових клапанів-підсилювачів через їхню складність проводилися переважно на математичних моделях, заснованих на інтегральних рівняннях Кармана для прикордонного шару, що дозволяють розраховувати течію у вихровій камері, що є практично безвідривною. Приєднання дифузора до вихрової камери робить такі моделі обмеженими умовами безвідривної течії в ньому. Використання цього підходу для розрахунку течії у вихровому клапані-підсилювачі можливо тільки для відкритого стану або при слабкому закрученні потоку. Така модель не дозволяє розрахувати особливості течії у всьому діапазоні характеристики вихрового клапана-підсилювача.

На основі проведеного літературного огляду теоретичних і експериментальних робіт сформульовані мета і задачі досліджень.

У другому розділі представлено математичне моделювання течій у вихрових клапанах-підсилювачах з дифузорним виходом. Математична модель, яка описує процеси, що протікають у вихровому клапані-підсилювачі, складається із системи нелінійних диференціальних рівнянь у часткових похідних, представлених тривимірними рівняннями Рейнольдса для нестисливої рідини і рівнянням нерозривності, що дозволяють врахувати ефекти взаємодії потоків живлення і управління, а так само особливості течії в області вихідного отвору і дифузора:

;

;

;

,

де , , - проекції вектора швидкості на осі координат;

, , - проекції вектора масових сил на осі координат;

- статичний тиск;

- молекулярна в'язкість;

- турбулентна в'язкість

Для замикання системи прийнята стандартна “” модель турбулентності, заснована на зрівноважуванні генерації осереднених потоків енергії турбулентності дисипацією у кожній точці простору. Турбулентна в'язкість у ній визначається співвідношенням Колмогорова-Прандтля:

,

де - кінетична енергія турбулентності;

- швидкість дисипації турбулентності.

Зміна в просторі кінетичної енергії і швидкості її дисипації описується рівняннями переносу:

;

;

.

Значення констант моделі: .

У зоні прикордонного шару (поблизу твердих стінок), де “” модель не описує процеси, використані спеціальні прикордонні функції для розрахунку кінетичної енергії турбулентності і швидкості її дисипації.

Для розрахунку вихрових клапанів-підсилювачів з дифузорним виходом різного типу сформульовані універсальні “жорсткі” граничні умови. На твердій стінці умова “прилипання” рідини . В вхідних перетинах каналів живлення і управління задані значеннями тиску гальмування , а у вихідному перетині вихідного каналу - постійний статичний тиск .

Універсалізація прийнятих “жорсткі” граничних умов у розрахунках вихрових клапанів-підсилювачів з дифузорами різного типу досягалася за рахунок збільшення розрахункової області в зоні виходу на експериментально отриману величину. Таким чином, на новій границі статичний тиск мало змінювалося по радіусі і навіть у випадку закрученого плину, його практично можна було вважати постійним.

Для чисельного інтегрування рівнянь математичної моделі використано алгоритм, заснований на методі контрольного об’єму.

Застосовано адаптивну локально подрібнену розрахункову сітку, що дозволяє вирішити особливість течії або геометрії в даній області. У випадку дрібної геометрії або великої погрішності обчислювальної перемінної осередок автоматично дробився на вісім рівних частин.

Дискретний аналог рівнянь математичної моделі отриманий на основі цілком неявної схеми з використанням реконструкції розрахункової перемінної, що має підвищений порядок точності.

Математична модель дозволила розрахувати тривимірну турбулентну течію у вихровому клапані-підсилювачі з дифузорами різного типу. Адекватність запропонованої математичної моделі встановлена на основі порівнянь розрахункових результатів з даними фізичного експерименту.

Дослідження, проведені на математичній моделі, дозволили встановити характер течії у вихровій камері у виді тороідального вихору (вихрового кільця) головна вісь симетрії якого збігається з віссю вихрової камери і що займає 70% об’єму вихрової камери, який руйнується при подачі потоку управління.

Зі збільшенням відносного тиску управління до відбувається перерозподіл витрати по площі щілинного дифузора з подальшим відривом потоку від стінок дифузора. При цьому зона відриву має форму кругового сектора, а потік управління робить менш одного обороту у вихровій камері. Зі збільшенням тиску управління до тиску запирання зона відриву збільшується від до .

На основі чисельного експерименту встановлена картина взаємодії потоку живлення і управління, що показало при слабкому закрученні відхилення потоку управління потоком живлення, але зі збільшенням тиску управління співвісність каналу управління і потоку управління збільшується аж до повного збігу осей при запиранні клапана-підсилювача.

При збільшенні закручення у вихровій камері потік управління деформується обертовим потенційним ядром потоку при цьому кут розширення струменя змінюється в межах зі зміною тиску управління від нуля до тиску запирання.

В третьому розділі приведено опис фізичних моделей досліджуваних вихрових клапанів-підсилювачів, експериментального стенда, контрольно-вимірювальної апаратури, надано методика проведення й обробки отриманих експериментальних даних, погрішності і результатів фізичного експерименту.

Для експериментальних досліджень використовувалися стандартні прилади для виміру тиску, витрати, температури, переміщення. Всі експерименти проводилися в лабораторних умовах на спеціально виготовлених моделях і експериментальній установці.

Метою проведення експериментальних досліджень, по-перше, було установлення впливу типу дифузора на коефіцієнт витрати у відкритому стані, робочу характеристику і параметри запирання вихрового клапана-підсилювача з осьовим, вісерадіальним і щілинним дифузором на виході. По-друге, одержання залежності коефіцієнта витрати вихрового клапана-підсилювача від геометричних параметрів щілинного дифузора і визначення його оптимальних розмірів. По-третє, визначення виду робочих характеристик вихрових клапанів-підсилювачів з дифузорними виходами різного типу. По-четверте, встановлення адекватності математичної моделі на основі зіставлення розрахункових якісної і кількісної картин течії експериментально отриманим даним.

Дослідження вихрових клапанів-підсилювачів із трьома типами дифузорів (Рис.1): осьовим (I), і кільцевими -вісерадіальним (II) і щілинним (III) у порівнянні з варіантом без дифузора (0) показало, що конструкція вихрового клапана-підсилювача з щілинним дифузором дозволяє одержати велику пропускну здатність і при цьому має менші габаритні розміри в осьовому напрямку.

Рис. 1. Схеми вихрових клапанів-підсилювачів без дифузора (0)
і з дифузорами осьового (I), вісерадіального (II) і щілинного (III) типів

Для зручності порівняння пропускних здібностей вихрових клапанів-підсилювачів з різними типами дифузорних виходів використане поняття приведеного коефіцієнта витрати (надалі слово приведений і індекс “зірочка” опускаємо) розраховується по формулі:

,

де - “класичний” коефіцієнт витрати;

- площа перетину приведення;

- площа “горла” вихрового клапана-підсилювача.

Експериментально встановлена наявність максимумів у залежності коефіцієнта витрати вихрового клапана-підсилювача з щілинним дифузором від геометричних розмірів, що приходяться на відносну висоту щілини дифузора рис. 2.

Рис. 2. Залежність коефіцієнта витрати вихрового клапана-підсилювача з щілинним дифузором від висоти щілини і діаметра “тарілки”

Рівняння регресії максимального коефіцієнта витрати вихрового клапана-підсилювача з щілинним дифузором у залежності від відносного діаметра тарілки дифузора апроксимована залежністю виду:

.

При діаметрі “тарілки” крива близька до екстремуму і складає значення .

Виявлено наявність характерних зон у робочих характеристиках вихрових клапанів-підсилювачів (рис. 3), обумовлених особливостями течії в дифузорах і області вихідного отвору клапана-підсилювача.

Рис. 3. Робочі характеристики вихрових клапанів-підсилювачів з дифузорами різного типу

Можливість постановки універсальних “жорстких” граничних умов обґрунтована експериментальними дослідженнями зміни статичного тиску на осі вихрового клапана-підсилювача за вихідним отвором (рис. 4).

Рис. 4. Зміна статичного тиску на осі вихрового клапана-підсилювача

Для перевірки адекватності математичної моделі був проведений порівняльний якісний аналіз розрахункових картин течії з візуалізацією течії у вихровому клапані-підсилювачі і кількісний аналіз розрахункового розподілу тиску по поверхні "кришки" щілинного дифузора з експериментальними даними. Візуалізація течії проводилася подачею алюмінієвої пудри в канали живлення і управління в характерних точках робочої характеристики вихрового клапана-підсилювача з дифузорним виходом, приведеної на рис. 3. Порівняння експериментально отриманих картин течії у вихровому клапані-підсилювачі з дифузорним виходом з розрахованими на математичній моделі картинами течії показали гарний збіг. Типові картини безвідривної і відривної течії приведено на рис. 5, 6.

При цілком відкритому клапані-підсилювачі розрахункові лінії струму в дифузорі (рис. 5) являють собою відрізки прямих, які виходять з центра, що в точності відповідає експериментально отриманій картині на кришках дифузора, де алюмінієва пудра рівномірно осіла по поверхні, але в невеликій кількості через велику величину швидкості.

Рис. 5. Експериментальна (угорі) і розрахункова (унизу) картини
безвідривної течії в щілинному дифузорі відкритого вихрового клапана-підсилювача

Візуалізація відривної течії в дифузорі (рис. 6) так само підтверджує правильність розрахунку на математичній моделі величиною зони відриву.

Рис. 6. Експериментальна (ліворуч) і розрахункова (праворуч) картини відривної течії в щілинному дифузорі вихрового клапана-підсилювача

Для кількісної оцінки було зроблено зіставлення розрахункового розподілу тиску по верхній стінці щілинного дифузора і верхній стінці вихрової камери з експериментальними даними
(рис. 7).

Рис. 7. Геометрія проточної частини і розподіл статичного тиску
по верхній стінці дифузора

Адекватність математичної моделі підтверджена за критерієм Фішера при значенні довірчої імовірності .

На основі отриманих результатів доповнена методика інженерного розрахунку вихрових клапанів-підсилювачів з використанням дифузорного виходу обліком особливостей, що привносяться дифузорним виходом і що дозволяє одержати вихрові клапани-підсилювачі з більш високими коефіцієнтами витрати і динамічних властивостей, а так само знизити параметри запирання.

В четвертому розділі проведено дослідження промислових систем, у яких знайшли своє відображення дисертаційні розробки. Розроблено математичну модель струминної системи висіву насінь, що враховує динамічні властивості її елементів і що дозволила розрахувати динамічні властивості системи. Оцінка постійних часу кожного з елементів, що входять у систему висіву дозволила одержати наближену апроксимаційну модель у виді статичної ланки другого порядку з передатною функцією:

,

де - коефіцієнт передачі, - час транспортного запізнювання, обумовлений довжиною пневматичних ліній зв'язку, , , - постійні часу, обумовлені динамічними якостями мембранного клапана, вихрового клапана-підсилювача і камери дозування відповідно.

Розрахунок динаміки системи висіву на отриманої апроксимаційній математичній моделі дозволив установити максимально припустиме значення постійної часу вихрового клапана-підсилювача c, при якому якість висіву практично не погіршується.

Перевірка адекватності математичної моделі проводилася порівнянням результатів, отриманих при стендових іспитах дослідно-експериментального зразка системи точного висіву насінь на базі вихрового клапана-підсилювача з щілинним дифузором на виході, на стендах Луганського національного аграрного університету.

Застосування модернізованого вихрового клапана-підсилювача в системі точного висіву насінь дозволило майже у 3 рази зменшити витрату повітря і 2,6 рази зменшити загальну потужність вентилятора в порівнянні з системою висіву із струминним перемикачем потоку.

Другим напрямком використання отриманих результатів з'явилось удосконалювання пульсаторів для пневматичного привода гідравлічних відсаджувальних машин. Розрахунковим шляхом на математичній моделі підтверджено зниження витрати запирання в 2.3 рази і збільшення швидкодії в 1.5 рази за рахунок використання пульсаторів на базі вихрового клапана-підсилювача з подвійним виходом із щілинними дифузорами на виході. Таким чином, використання дисертаційних розробок у системі пневматичного привода гідравлічних відсаджувальних машин дозволило знизити кількість споживаного повітря і поліпшити показники якості відсадки.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі приведено результати теоретичного узагальнення і нове рішення наукової задачі, що полягає в удосконалених гідравлічних характеристиках вихрових регулюючих органів у вигляді клапанів-підсилювачів із збільшеною пропускною здатністю, швидкодією, зниженими параметрами запирання, масогабаритними показниками, що досягалось за рахунок використання дифузорних виходів різного типу. Це дозволяє підвищити економічність і ефективність заснованих на них струминних виконавчих пристроїв і систем управління потужними потоками рідин і газів. На основі експериментальних і теоретичних досліджень встановлено вплив типу дифузора на пропускну здатність, вид робочої характеристики і параметри запирання вихрового клапана-підсилювача.

На підставі отриманих у дисертаційній роботі даних експериментальних і теоретичних досліджень можна зробити наступні висновки:

1. Одержало подальший розвиток і поглиблення математичне моделювання тривимірних турбулентних течій стосовно вихрових клапанів-підсилювачів із різними типами дифузорних виходів, яке засноване на рівняннях Рейнольдса для нестисливої рідини, “” моделі турбулентності, “жорстких” граничних умовах на метафізичних вихідних границях. Модель враховує на диференціальному рівні ефекти взаємодії потоків живлення і управління, які обумовлюють течію у вихровій камері, особливості течії в області “горлового” перетину, умови входу і течію в дифузорі, що дозволило розрахувати докладне поле гідродинамічних характеристик потоку. Адекватність математичної моделі встановлена на основі порівнянь розрахункових результатів з даними фізичного експерименту;

2. Експериментально визначено положення границь розрахункової області на виході вихрових клапанів-підсилювачів, які дозволили використати “жорсткі” граничні умови щодо постійності на них статичного тиску для всіх типів дифузорів;

3. Встановлено розрахунковим шляхом, що у вихровій камері відкритого вихрового клапана-підсилювача приблизно 70% об’єму займає течія у вигляді вихрового кільця, яка не є корисною, унаслідок чого висота вихрової камери може бути зменшено приблизно на цей відсоток;

4. Розрахунковим шляхом встановлено й експериментально підтверджено, що відрив потоку від стінок щілинного дифузора відбувається при тискові управління , при цьому потік управління робить менш одного обороту у вихровій камері, а зона відриву приймає форму кругового сектора, розмір якої збільшується від до зі збільшенням закручення. При цьому кут відхилення потоку управління зменшується від 900 до 00, а сам потік змінює кут розширення у межах і форму струменю з круглої на плоску;

5. Експериментально отримані дані щодо пропускної здатності вихрового клапана-підсилювача з вісерадіальним, осьовим і щілинним дифузорами на виході, які показали, що застосування дифузорного виходу дозволяє одержати значення приведених коефіцієнтів витрати, які дорівнюють 0.98, 1.65 і 1.91 відповідно. Визначено розміри щілинного дифузора (), що наближені до оптимальних і дозволяють одержати коефіцієнт витрати . Отримані апроксимаційні співвідношення коефіцієнта витрати в залежності від геометричних параметрів дифузора, які рекомендовані для інженерних розрахунків;

6. Експериментальним шляхом отримані робочі характеристики вихрового клапана-підсилювача з дифузорами різних типів. Аналіз показав наявність гістерезисних зон, обумовлених особливостями течії в області вихідного отвору, які необхідно враховувати при проектуванні клапанів-підсилювачів. Щілинний дифузор додає у робочу характеристику другу східчасту гістерезисну петлю, ширина і нахил якої пропорційні ступеню розширення дифузора.;

7. Розроблено математичну модель струминного пневмопривода системи висіву насінь з використанням вихрового клапана-підсилювача зі щілинним дифузором на виході, що дозволяє розрахувати її динамічні властивості і визначити залежність якості висіву від динамічних властивостей елементів системи. Встановлено максимально припустиме значення постійної часу вихрового клапана-підсилювача c, при якому його динамічні властивості не погіршують якість процесу висіву;

8. Доповнена і розширена методика інженерного розрахунку вихрових клапанів-підсилювачів з дифузорним виходом трьох типів (щілинним, осьовим або вісерадіальним), яка дозволяє одержати вихрові клапани-підсилювачі з більш високими коефіцієнтами витрати, меншими значеннями витрати і потужності запирання, а також поліпшеними динамічними властивостями. Реалізація запропонованих технічних рішень, а саме встановлення щілинного дифузора дозволила у порівнянні з відомим вихровим клапаном-підсилювачем з осьовим дифузором підвищити пропускну здатність на 15 %, зменшити габарити в осьовому напрямку в 6 разів, в радіальному на 7 %, і підвищити швидкодію на 7 %. Завдяки цьому було запропоновано вихровий клапан-підсилювач із щілинним дифузором на виході для системи висіву насінь та вихрових пульсаторів з поліпшеними параметрами для пневматичного привода гідравлічних відсаджувальних машин.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ
ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

АНОТАЦІЯ

Мальцев Я.І. “Удосконалювання гідравлічних характеристик вихрових регулюючих органів струминних виконавчих пристроїв”.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.17 – гідравлічні машини та гідропневмоагрегати.- Сумський державний університет, Суми, 2004 р.

З метою збільшення пропускної здатності, зниження параметрів запирання і поліпшення динамічних властивостей проведені дослідження вихрових клапанів-підсилювачів з дифузорним виходом.

Розглянуто три типи дифузорного виходу з лінійними утворюючими: осьовий, вісерадіальний і щілинний. На розроблених адекватних математичних моделях отримані картини течії в вихровій камері, області змішання потоків живлення і управління, зони формування течії перед дифузором і у “горловому” перетину й області дифузора, та динаміка струминної системи висіву насінь. Експериментально отримані співвідношення коефіцієнта витрати в залежності від геометричних параметрів щілинного дифузора і визначені його розміри, що близькі до оптимальних. Проведено порівняльний аналіз пропускної здатності вихрового клапана-підсилювача з осьовим, вісерадіальним і щілинним дифузором на виході. Отримані робочі характеристики вихрового клапана-підсилювача з дифузорами різних типів. Методика інженерного розрахунку вихрового клапана-підсилювача доповнена обліком особливостей дифузорного виходу, що дозволяє одержати вихровий клапан-підсилювач з низькими параметрами запирання та більш високими динамічними властивостями.

Ключові слова: струминна техніка, вихровий клапан-підсилювач, дифузор, математична модель, статична і динамічна характеристика, передатна функція.

АННОТАЦИЯ

Мальцев Я.И. “Совершенствование гидравлических характеристик вихревых регулирующих органов струйных исполнительных устройств”.- Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.17 – гидравлические машины и гидропневмоагрегаты.- Сумской государственный университет, Сумы, 2004 г.

С целью увеличения пропускной способности, снижения параметров запирания и улучшения динамических качеств проведены исследования вихревых клапанов-усилителей с диффузорным выходом.

Рассмотрены три типа диффузорного выхода с прямолинейными образующими: осевой, осерадиальный и щелевой. Математическая модель течения в вихревом клапане-усилителе с диффузорным выходом, основанная на трехмерных уравнениях Рейнольдса для несжимаемой жидкости, "" модели турбулентности, уравнения неразрывности. Сформулированы граничные условия для случая установки любого типа диффузора. Математическая модель течения в вихревом клапане-усилителе учитывает эффекты взаимодействия потоков питания и управления, условия формирования течения перед диффузором, особенности течения в диффузоре и области выходного сечения. Позволяет рассчитать поле гидродинамических характеристик течения проточной части. Для численного интегрирования уравнений математической модели использован алгоритм, основанный на методе контрольного объема. Применена адаптивная локально измельченная расчетная сетка, позволяющая разрешить особенность течения или геометрии в данной области. Для дискретизации уравнений математической модели использована абсолютно неявная схема с реконструкцией расчетной переменной имеющей повышенный порядок точности. Проведенные расчеты позволили выделить особенности взаимодействия потоков питания и управления, процесс отрыва потока от стенок диффузора, установить картину течения в вихревой камере и диффузоре. Разработана математическая модель струйной системы высева семян, позволяющая рассчитать динамические свойства системы и установить максимальное значение постоянной времени вихревого клапана-усилителя, при котором динамические качества последнего практически не ухудшают качество процесса высева. Экспериментально получены рабочие характеристики вихревого клапана-усилителя с диффузорами различных типов и аппроксимационные соотношения коэффициента расхода в зависимости от геометрических параметров щелевого диффузора, определены его размеры близкие к оптимальным. Проведен сравнительный анализ пропускной способности вихревого клапана-усилителя с осевым, осерадиальным и щелевым диффузором на выходе, показавший преимущества конструкции со щелевым диффузором. Анализ рабочих характеристик показал наличие характерных зон обусловленных особенностями течения в области выходного отверстия, щелевой диффузор добавляет вторую ступенчатую гистерезисную петлю ширина и наклон которой пропорциональны степени уширения диффузора. Установлена адекватность математических моделей экспериментальными данными. Дополнена методика инженерного расчета вихревого клапана-усилителя с диффузорным выходом трех типов (щелевым, осевым и осерадиальным), позволяющая получить вихревые клапаны-усилители с более высокими коэффициентами расхода, меньшими параметрами запирания и более высокими динамическими качествами.

Ключевые слова: струйная техника, вихревой клапан-усилитель, диффузор, математическая модель, статическая и динамическая характеристика, передаточная функция.

SUMMARY

Yaroslav I. Maltsev. Perfecting of Eddy Control Devices Hydraulic Performances of Jet Final Control Sets”.- The manuscript.

Thesis on support of a scientific degree of the candidate of technical science on a speciality 05.05.17 - Hydraulic machines and hydropneumatics sets.- Sumy State University, Sumy, 2004.

With the purpose of increasing of throughput capacity, decreasing of current cutting parameters and improving of dynamic patterns studies of vortex valves - boosters with diffuser on exit are fulfilled.

Three types exit diffusers are reviewed: axial, axial-radial and slotted type. With help of designed adequate mathematical models the pattern of current in vortex chamber are obtained, the field of merging streams of power supply and control, zone of forming of current before diffuser both “throat” section and field of a diffuser of a vortex valve - booster with a slotted type diffuser on an exit and dynamic of a jet pneumoactuator of system exact sow sabadilla are obtained also. An orifice coefficient depending on experimentally of geometrical arguments of a slotted type diffuser and its optimum sizes are defined. Comparative analysis of capacity of a vortex valve - booster with axial, axial-radial and slotted type diffuser on an exit are fulfilled operating characteristics of a vortex valve - booster with diffusers of different types are obtained. The method of engineering account of a vortex valve - booster is supplemented by the account of features diffuser of an exit, and it allows to receive a vortex valve - booster with higher dynamic properties.

Key words:, rotational flap - booster, diffuser, mathematical model, static and dynamic response, transmission function.