Сумський державний університет

Войцеховський Сергій Валерійович

УДК 622.552:621.22

РОЗРАХУНОК ХАРАКТЕРИСТИК ВИХРОВИХ КЛАПАНІВ

З УРАХУВАННЯМ ТЕРТЯ ОБ СТІНКИ ВИХРОВОЇ КАМЕРИ

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,

Гнесін Віталій Ісайович,

Інститут проблем машинобудування імені

Підгорного НАН України,

Завідуючий відділом гідроаеромеханіки.

кандидат технічних наук, доцент,

Турик Володимир Миколайович,

Національний технічний університет

України „КПІ”,

доцент кафедри „Прикладна гідроаеромеха-

ніка та механотроніка”.

Провідна організація: Національний технічний університет „ХПІ”

м. Харків.

Захист відбудеться “6” липня 2004 р. у 1000 г. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 55.051.03 у Сумському державному університеті за адресою: 40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2, СумДУ.

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

Автореферат розісланий: “ 3 ” червня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Савченко Є. М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з найважливіших задач, що у даний час стоять перед промисловістю України, є удосконалювання систем і пристроїв управління потоками рідин і газів. В таких галузях, як транспорт, енергетика, хімія, сільське господарство, вугільна промисловість й ін., управління потоками суцільних середовищ є частиною багатьох технологічних процесів, і тут проблема надійності і довговічності виконавчих пристроїв, що функціонують в екстремальних умовах, має першорядне значення. Наявність таких несприятливих факторів, як підвищена запиленість, хімічна агресивність і висока температура, вплив вібрації, вологості, абразивних часток й ін., призводить до того, що процеси зносу контактуючих поверхонь механічних пристроїв протікають з багаторазовою інтенсивністю. Відсутність рухливих механічних частин в елементах струминної техніки робить їх нечутливими до перерахованих несприятливих факторів. Тому їх використання в якості виконавчих пристроїв у тих випадках, коли механічні аналоги не витримують екстремальних умов експлуатації, допомагає вирішити проблему надійності і довговічності засобів управління потоками суцільних середовищ. Як показує аналіз, із усього числа відомих струминних елементів для рішення подібного роду задач найбільше підходять вихрові клапани. Поряд із достоїнствами, які мають всі струминні елементи, вони надають можливості повністю перекривати керований потік, мають широкий діапазон робочих тисків і високий коефіцієнт підсилення як за витратою, так і за тиском.

Разом з цим, методи розрахунку вихрових клапанів з отриманням необхідних робочих характеристик потребують подальшого поглиблення й удосконалювання. Сучасні тривимірні моделі течії закрученого потоку в коротких вихрових камерах дозволяють отримати докладні гідродинамічні результати, але вимагають значних машинних ресурсів від ЕОМ і їхнє вирішення займає багато часу, окрім цього вони реалізовані у спеціальних ліцензованих програмах, які досить дорогі. Результати ж, отримані за допомогою двомірного зонального моделювання, необхідно в подальшому суттєво коректувати, що можна пояснити, з одного боку, припущеннями в моделі і як слідство її недосконалістю, а з іншого – похибками у визначенні гідравлічних втрат, зокрема на тертя об стінки камери. Останнє є визначальним і від цього залежить точність розрахунку характеристик клапану в цілому.

Таким чином, урахування параметрів тертя закрученого потоку рідини об стінки вихрової камери є актуальною задачею, рішення якої дозволяє проводити більш досконалі розрахунки робочих характеристик вихрових клапанів і створювати засновані на них пристрої управління потоками суцільних середовищ з високими показниками надійності, довговічності та точністю регулювання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною програми науково-дослідних робіт Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, які виконані на кафедрі „Гідрогазодинаміка” (№0194U035003) та Інституті прикладних проблем інженерної екології (№0196U002358).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є удосконалення методики розрахунку робочих характеристик вихрових клапанів дискретної та пропорційної дії на основі експериментального визначення параметрів тертя (дотичних напружень, повного і місцевого коефіцієнтів опору тертя) на стінках вихрової камери, та практична реалізація цих пристроїв. Для досягнення поставленої мети були сформульовані і вирішені такі основні задачі:

- поглибити математичне моделювання течії закрученого потоку рідини в вихровому клапані за рахунок створення методики визначення параметрів тертя, та застосувати її в двомірній зональній моделі клапану;

- експериментально визначити значення моменту тертя закрученого потоку рідини об стінки вихрової камери з метою встановлення залежності параметрів тертя на торцевих стінках камери від геометричних і режимних параметрів вихрового клапану, і використати визначені залежності при реалізації математичної моделі на ЕОМ;

- перевірити адекватність математичної моделі вихрового клапану, і провести чисельний експеримент з метою встановлення закономірностей впливу основних співвідношень геометричних параметрів клапану і діапазонів їх зміни на коефіцієнт підсилення та тип робочої характеристики (дискретний або пропорційний);

- розробити рекомендації і доповнення існуючої інженерної методики розрахунку робочих характеристик вихрового клапану, і реалізувати системи із застосуванням розроблених вихрових клапанів.

Об'єктом досліджень є гідродинамічні процеси при взаємодії закручених потоків рідини із стінками в коротких вихрових камерах.

Предметом дослідження є робочі характеристики вихрових клапанів та вплив на них параметрів гідравлічного тертя закрученого потоку об стінки вихрової камери.

Методи досліджень. У роботі використані методи математичного і фізичного моделювання робочих процесів, що протікають у вихровому клапані. Математична модель представлена звичайними нелінійними диференціальними рівняннями, що вирішувалися чисельними методами. Її адекватність встановлювалася на основі порівняння результатів чисельного моделювання й даних експериментального дослідження параметрів і характеристик вихрових клапанів із використанням методів планування експерименту і математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів.

- одержало подальший розвиток математичне моделювання течії закручених потоків у вихрових клапанах із урахуванням експериментально отриманої залежності дотичних напружень від їх геометричних і режимних параметрів, яка дозволяє підвищити точність розрахунків характеристик клапанів;

- експериментально встановлено, що величина моменту тертя закрученого потоку рідини об стінки камери прямо пропорційна динамічному тиску в тангенціальному соплі управління і не залежить від ступеня асиметрії обертання потоку;

- експериментально визначено, що при течії потоку з високим ступенем закручення, втрати на тертя об стінки вихрової камери, викликані тангенціальною складовою швидкості, є основними і складають приблизно три чверті від загальної частини гідравлічних втрат у вихровій камері;

- встановлено, що дослідні і розраховані за аналогією з гладкою плоскою пластиною значення коефіцієнтів тертя на стінках вихрової камери мають не тільки різну величину, але і різний характер зміни уздовж радіусу камери, що можна пояснити різним поводженням пограничних шарів на гладкій плоскій пластині і диску;

- встановлено, що застосування отриманих експериментальних даних щодо параметрів тертя об стінки вихрової камери дозволяє підвищити точність розрахунків характеристик вихрових клапанів без коректування значень коефіцієнту місцевого опору тертя, обчислених за теорією гладкої плоскої пластини;

- за результатами чисельних експериментів на адекватній математичній моделі визначені основні геометричні параметри клапану, що впливають на коефіцієнт підсилення, і встановлені діапазони їх зміни, в яких робоча характеристика клапану має дискретний або пропорційний тип. Зв'язок між цими параметрами і коефіцієнтом підсилення встановлено через функцію відгуку шляхом апроксимації дослідних даних, отриманих на математичній моделі з використанням методів планування експерименту.

Практичне значення отриманих результатів.

- розвинена і доповнена існуюча методика інженерного розрахунку вихрових клапанів, що дозволяє одержати необхідні співвідношення їхніх основних показників – коефіцієнта підсилення і тип вихідної робочої характеристики;

- експериментально визначені значення дотичних напружень на торцевих стінках і їх розподіл уздовж радіусу вихрової камери можуть бути використані при встановлені адекватності більш складних математичних моделей вихрових клапанів;

- розроблені практичні рекомендації з вибору геометричних розмірів і конструкцій проточних частин вихрових клапанів, що забезпечують максимальний коефіцієнт підсилення;

- результати досліджень впроваджені в дослідному зразку “Мінітунеля” - приладу для визначення змісту твердих часток у відпрацьованих газах двигунів і в системі золовидалення в складі енергоблоку СО „Кураховська ТЕС” ВАТ „Востокенерго”. Акти впровадження результатів і висновків дисертації додаються.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові і практичні результати отримані здобувачем самостійно. У роботах [2,4,6,9,10] здобувачеві належить реалізація математичних моделей і аналіз їхніх рішень, формулювання висновків і рекомендацій. В експериментальних роботах [1,3,5,11] – розробка методики проведення і участь у дослідах, обробка і узагальнення їх результатів. У роботі [7] здобувачем сплановано чисельний експеримент і встановлено вплив геометричних і режимних параметрів вихрового клапану на його основні характеристики, дані рекомендації з проектування клапанів. У роботі [8] – обґрунтоване використання вихрового клапана в системі ізокінетичного добору проб відпрацьованих газів ДВЗ.

Апробація результатів дисертації. Основні результати і положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на Міжнародній науково-технічній конференції “Hydromechanics, hydraulic machines, actuators and hydropneumoautomatics” (м. Москва, МВТУ ім. Баумана, 1994 р.), науково-технічній конференції “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Київ, 1994 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Автоматизація проектування і виробництва виробів у машинобудуванні” (м. Луганськ, 1996), науково-технічній конференції “Гірська електромеханіка й автоматика” (м. Донецьк, 2001 р.) і на науково-технічних конференціях і семінарах професорсько-викладацького складу СНУ ім. В.Даля (м. Луганськ, 1995 - 2004 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 11 друкованих праць, з них 8 публікацій у фахових виданнях і 3 тез доповідей науково-технічних конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох основних розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації 152 сторінки, 2 додатки на 16 сторінках, список використаних джерел з 98 найменувань на 8 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

В вступі сформульована проблема, що стосується розвитку й удосконаленню пристроїв управління потоками рідин і газів, визначена наукова задача дослідження, напрямок її рішення, обґрунтована актуальність проведених досліджень, приведені кваліфікаційні ознаки дисертації.

У першому розділі проводиться аналітичний огляд літератури за досліджуваним у дисертації питанням. Відзначено, що напрямок, що розвивається, знайшов відображення в роботах, зв'язаних із застосуванням вихрових клапанів в авіації, ракетній і космічній техніки, ядерній енергетики для цілей управління потоками робочих середовищ у різних установках. Надалі вихрові клапана одержали поширення в гідроенергетиці, хімічній промисловості, транспорті, сільському господарстві й ін. Характеризуючи зміст публікацій, варто виділити роботи Лойцянського Л.Г., Шліхтінга Г., Гольдштіка М.А., Savino J.M., Keshock E.C., Wormley D.N., Мельнікова В.К., Суховича Є.П., Завгороднєго Є.А., Лебедєва І.В., Владимирова В.С., Сьоміна Д.О., Федотова В.А., Brombach H., King C.F., Kwok N.T., Волчкова Е.П. й ін., в яких найбільш повно розглянуті питання течії закрученого потоку, визначена картина течії, представлені експериментальні дослідження, математичні моделі та ін.

На підставі аналізу опублікованих робіт за більш ніж сорокалітній період у дисертації розглядаються питання, зв'язані з використанням вихрових клапанів для управління потужними (десятки кіловат) потоками рідин і газів, станом теоретичної бази для математичного опису процесів, що відбуваються усередині робочих камер клапанів. Відзначається, що відсутні експериментальні дослідження по визначенню закону тертя на стінках вихрових камер, і більшість математичних моделей вихрових клапанів для визначення втрат використовують закон тертя біля гладкої плоскої пластини. Проводиться також оцінка основних характеристик і параметрів вихрових клапанів, що використовуються як підсилювачі із пропорційним законом регулювання. Визначаються основні функціональні, конструктивні й економічні вимоги, яким повинні задовольняти вихрові клапани, такі як лінійність вихідної характеристики, максимальні значення коефіцієнтів підсилення по витраті, тиску і потужності, низький гідравлічний опір, простота конструкції й ін. Робиться висновок про те, що для одержання оптимальних співвідношень зазначених показників необхідно досліджувати вплив на них геометричних і конструктивних параметрів вихрових клапанів, чому і присвячена дисертація.

В другому розділі досліджується кінематика обертового течії в короткій циліндричній камері, аналізується його стан і зміна картини течії потоку по радіусу і висоті камери при різних ступенях закручення. На підставі проведеного аналізу вся область течії усередині вихрового клапану розбивається на “зону взаємодії потоків живлення і управління” (I), “центральну” (II) і “зону витікання” (III), що приведені на рис.1.

Рис.1. Розрахункова схема кінематики течії у вихровому клапані

Для кожної з перерахованих вище зон була складена математична модель, що представляє собою систему нелінійних диференціальних рівнянь, в основу яких покладені рівняння збереження кількості руху в тангенціальному, радіальному й осьовому напрямках, а також рівняння нерозривності. Розрахунок кожної точки робочої характеристики клапану вироблявся за всіма трьома зонами методом послідовних наближень від периферії до вихідного отвору таким чином, що результати розрахунку попередньої зони течії були початковими умовами для розрахунку наступної зони.

У результаті чисельного інтегрування системи диференціальних рівнянь при різних значеннях витрат живлення і управління розраховувалися безрозмірні вихідні характеристики вихрового клапану по витраті, тиску і потужності. Система диференціальних рівнянь приведена нижче.

1. Зона взаємодії:

- рівняння збереження речовини

;

- рівняння збереження енергії

;

- рівняння збереження моменту кількості руху

;

- рівняння стану ідеального газу

;

2. Центральна зона:

- рівняння приграничного шару на торцевій стінці камери

;

;

;

- рівняння нев'язкого ядра потоку

;

;

3. Зона витікання:

- рівняння збереження маси

, де функція струму ;

- рівняння руху в радіальному напрямку

, ;

- рівняння руху в тангенціальному напрямку

, ,

тут індекси с відносяться до каналу управління, s – каналу живлення, е – вихідному отвору, о – периферії вихрової камери; G – масова витрата; р – тиск; с – щільність; Тc ,Тs ,Тo – температура потоків управління, живлення та результуючого, відповідно; Г – циркуляція; Vц, Vr і Vz – тангенціальна, радіальна та осьова складові швидкості потоку; Vцу і Vrу – тангенціальна і радіальна швидкості на межі приграничного шару; д – товщина приграничного шару; фц і фr – дотичні напруження на торцевих стінках камери в тангенціальному і радіальному напрямках, відповідно.

Для математичної моделі були прийняті наступні граничні умови:

при

при

при

при

при

при

При моделюванні течії в “центральній” зоні відзначений істотний вплив тертя обертової рідини об торцеві стінки вихрової камери на розподіл тиску і складові швидкостей вздовж радіусу. Отже, вибір методики розрахунку дотичних напружень тертя на торцевих стінках у значній мірі позначається на результатах чисельного моделювання вихідної характеристики вихрового клапану й адекватності математичної моделі експериментальним даним.

Робиться висновок, що використання для цього методу, заснованого на розрахунку місцевого коефіцієнта опору тертя за аналогією з обтіканням гладкої плоскої пластини, приводить до розбіжності розрахункових і експериментальних даних, особливо при сильних ступенях закрутки потоку. Тому розрахунок втрат на тертя об торцеві стінки необхідно виконувати з урахуванням експериментально визначених залежностей для дотичних напружень.

В третьому розділі приведений опис фізичних моделей дослідних пристроїв, експериментальних установок, приладів і апаратури, викладена методика проведення й обробки результатів експериментів, погрішності вимірів і обчислень. Усі фізичні моделі вихрових клапанів досліджувалися в автомодельній області, обумовленої по числу Re. Для вимірів статичних значень тисків, витрат і температури використовувалися стандартні прилади (рідинні манометри, витратомірні колектори й ін.).

Метою експериментальних досліджень було одержання закономірностей розподілу дотичних напружень, повного і місцевого коефіцієнтів опору тертя на торцевих стінках вздовж радіусу вихрової камери, і залежність їх від параметрів обертання потоку. Одночасно вироблявся вимір розподілу тиску вздовж радіусу, і знімалися робочі характеристики фізичних моделей вихрових клапанів з метою перевірки адекватності математичної моделі.

Для визначення параметрів тертя об торцеві стінки камери була розроблена спеціальна фізична модель вихрового клапану, схема якої представлена на рис.2. Модель являла собою дві дзеркально розташовані що до вертикальної площини вихрові камери діаметром 250 мм, у яких “верхні” торцеві стінки 6 вільно обертались на загальному валу 4 з мінімальним тертям в опорах кулькових підшипників 3, а корпуси 2 прикріплені до станини 1.

Рис.2. Схема експериментальної установки по визначенню моменту

тертя об стінки вихрової камери

Таке розташування рухливих стінок дозволило звести практично до нуля діючу на вал осьову силу, і, отже, виключити її вплив на момент тертя в опорах. Момент тертя від рухливих стінок вихрової камери передавався на вал, зв'язаний через навиту на нього нитку з пружиною динамометра 5. Таким чином, по подовженню пружини визначався момент, що діяв з боку закрученого потоку на рухливі стінки вихрової камери. Кількість сопел управління встановлювалося рівним одному, двом і чотирьом, при цьому їхня сумарна площа залишалася постійною. Це дозволило зробити оцінку ступеня впливу асиметрії закрученого потоку на величину моменту тертя.

Дослідження моментів тертя на кожній зі стінок вихрової камери здійснювалося за допомогою вставок в вихрову камеру, схеми яких показані на рис.3. Вставка 1 являла собою плоский диск, тобто верхню торцеву стінку Тв. В другій вставці до диска була прикріплена бічна циліндрична поверхня Бц із тангенціальними прорізами для потоку управління. В третій вставці ще додана й нижня торцева стінка Тн з отвором d0 у центрі для виходу потоку з камери. Таким чином, різниця в показаннях обмірюваних моментів між відповідними вставками представляла момент тертя на доданій поверхні. Змінюючи радіус обертової частини диску Ri, можна було одержати залежність зміни моменту тертя вздовж радіусу вихрової камери.

Рис.3. Форми вставок у вихрову камеру

В результаті обробки експериментальних даних по визначенню моменту тертя об стінки вихрової камери було встановлено, що величина моменту тертя на обох торцевих і бічній циліндричній стінці прямо пропорційна динамічному тиску в соплі управління. Причому ця закономірність зберігається при різних значеннях діаметру обертового диску (рис.4). Зміна кількості сопел управління, тобто ступінь асиметрії закрученого потоку, не порушує цієї закономірності, а тільки незначно змінює кут нахилу прямих.

Рис. 4. Залежність моменту тертя від динамічного тиску в соплі

управління при змінному діаметрі обертового диску

За результатами експериментально визначеного розподілу моменту тертя вздовж радіусу камери були розраховані значення дотичних напружень тертя на торцевих стінках і експериментальний розподіл місцевого коефіцієнту опору тертя вздовж радіусу (рис.5). Для порівняння на графік нанесені значення місцевого коефіцієнту опору тертя , розрахованого по відомій формулі Прандтля для течії рідини біля гладкої плоскої пластини.

Рис.5. Розподіл параметрів тертя вздовж радіусу вихрової камери

Апроксимуюча залежність для коефіцієнту , отримана за методом найменших квадратів, має такий вигляд:

.

Переходячи до безрозмірних величин, отримана залежність дотичних напружень тертя в тангенціальному і радіальному напрямках від параметрів обертання потоку:

, .

На рис.6 показані результати чисельного розрахунку розподілу тиску вздовж радіусу вихрового клапану за результатами експериментальних і теоретичних даних про місцевий коефіцієнт опору тертя на торцевих стінках камери, а також наведені експериментальні точки.

Як можна помітити, результати розрахунку, засновані на використанні експериментальних значень розподілу дотичних напружень, більш близькі до експериментальних точок і трохи вище в порівнянні з результатами, заснованими на розрахунку для гладкої плоскої пластини. Хоча ця розбіжність тиску на перший погляд здається незначною, проте, у крайки вихідного отвору (при = 0.8) ця відмінність при досягає близько 1,7.

Рис.6. Розподіл тиску вздовж радіусу вихрового клапану

Ця розбіжність знаходить своє відображення й в інтегральних характеристиках вихрового клапану, що особливо помітно наприкінці його робочої характеристики (рис.7).

Рис.7. Розрахункові та експериментальна робочі

характеристики вихрового клапану

У цілому розрахунки, проведені на математичній моделі, досить правильно відображають перехідні процеси у вихровому клапані, а задовільний збіг розрахункових і експериментальних даних за критерієм Фішера підтверджує адекватність моделі і можливість заміни натурного експерименту розрахунками на ЕОМ.

В четвертому розділі розглянуті питання закономірностей і особливостей функціонування систем управління потоками суцільних середовищ із струминними вихровими регуляторами витрати, у яких знайшли своє відображення результати дисертаційних досліджень.

В результаті аналізу чисельних експериментів на адекватній математичній моделі вихрового клапану, а також досліджень інших авторів, було встановлено, що на його вихідну робочу характеристику, ступінь її лінійності і величину коефіцієнту підсилення у визначальній мірі впливають відносні діаметри вихрової камери і сопла управління . Причому перший фактор у більшій мірі впливає на параметри запирання клапану, в той час, як варіювання параметрупризводить до зміни типу вихідної характеристики клапану – від дискретного до пропорційного.

На рис.8 приведена безрозмірна вихідна витратна характеристика вихрового клапану, на якій нанесені прямі, що лінеаризують падаючу ділянку вихідної характеристики (лінія 1 відноситься до характеристики, що відповідає значенню = 0.8, лінія 2 – до = 0.4, і лінія 3 – до = 0.2).

Рис.8. Вихідна витратна характеристика вихрового клапану при

перемінних значеннях і фіксованому.

Кут нахилу приведених прямих пропорційний коефіцієнту підсилення (у межах приведених діапазонів зміна коефіцієнту підсилення стосовно лінеаризуючих прямих не перевищує 5 відсотків при ширині зміни сигналу управління, що відповідає максимальному коефіцієнту підсилення). Можна також відзначити, що стосовно кривій, що відповідає = 0.8, зміна кутів нахилу (тобто дрейф коефіцієнту підсилення) початкової ділянки і прямій 1 не є такою великою, як у кривій, що відповідає = 0.2.

Таким чином, можна говорити про три типи вихідної характеристики вихрового клапану: нестійку, при якій характеристика володіє поряд з високим коефіцієнтом підсилення ділянкою з негативною кривизною (лінія 3); релейну, коли коефіцієнти підсилення початку характеристики і падаючої ділянки значно відрізняються (лінія 2); і близьку до лінійної, коли дрейф коефіцієнту підсилення на більшій частині характеристики мінімальний (лінія 1). Останній випадок найбільш переважний при використанні вихрового клапану в якості пропорційного підсилювача.

Щоб встановити залежність лінійності вихідної характеристики вихрового клапану при необхідному коефіцієнті підсилення від приведених параметрів був складений симетричний план двофакторного п’ятирівневого чисельного експерименту з 17 дослідів. У результаті апроксимації дослідних даних по методу найменших квадратів були отримані функції відгуку для коефіцієнтів підсилення за витратою, тиском і потужністю, загальна формула для розрахунку яких має вигляд:

.

Значення коефіцієнтів а0 … а5 для коефіцієнтів підсилення за витратою, тиском і потужністю приведені в таблиці 1.

Таблиця 1.

Постійні коефіцієнти для визначення KQ, KP, KN. |

a0 | a1 | a2 | a3 | a4 | a5

KQ | 11.74 | 0.827 | -31.06 | -0.0259 | 19.95 | -0.272

KP | 4.28 | -0.185 | -5.92 | 0.0042 | 2.79 | 0.132

KN | 1.1 | 0.7 | -1.27 | -0.027 | 0.111 | -0.093

Оскільки в задачу дослідження входило також визначення діапазонів зміни параметрів і , при яких вихровий клапан має дискретну або пропорційну вихідні характеристики, то при розрахунку коефіцієнтів підсилення одночасно фіксувався тип характеристики.

На рис.9 приведена залежність коефіцієнту підсилення за витратою в залежності від при фіксованих значеннях. На рисунку також виділені характерні зони. В зоні І вихідна характеристика має нестійкий тип, в зоні ІІ – дискретна, в зоні ІІІ – близька до лінійної, в зоні IV – також лінійна, але потужність, затрачувана на сигнал управління в ній вище. Аналогічні результати були одержані для коефіцієнтів підсилення за тиском і потужністю.

Рис.9. Залежність коефіцієнту підсилення за витратою від

відносного діаметру сопла управління .

Таким чином, було встановлено, що для одержання вихідної характеристики клапану з пропорційним законом регулювання необхідно виконати співвідношення в межах порядку від 0.6 до 0.8 - 0.9. Збільшення цього параметру до 1 і вище призводить до значного зниження коефіцієнту підсилення. При використанні вихрового клапану з дискретним законом регулювання, доцільно зменшити до 0.2 – 0.3, і за рахунок цього збільшити коефіцієнт підсилення.

У всіх випадках коефіцієнт підсилення можна збільшити за рахунок збільшення параметру , але вже при його значеннях порядку 10 коефіцієнт підсилення збільшується незначно, а в деяких випадках може і знижуватися.

Щоб одержати максимальний коефіцієнт підсилення можна знизити значення параметра менше 0.2, але при цьому варто мати на увазі виникнення нестійкості вихідної характеристики, коли одній витраті управління відповідають три значення вихідної витрати, і, як наслідок, нестабільного режиму роботи клапану.

Проведені дослідження покладені в основу по поглибленню і доповненню існуючої інженерної методики розрахунку вихрових клапанів з одержанням необхідного типу вихідної характеристики, що була апробована при реалізації вихрового клапану для системи ізокінетичного добору проб відпрацьованих газів ДВЗ “Мінітунель МТ – 1” з метою визначення кількості твердих часток.

Система регулювання витрати побудована на вихровому клапані з автономним джерелом управляючого повітря і мікропроцесорною системою управління. Аналіз проб відпрацьованих газів ДВС вироблявся шляхом добору проб із трубопроводу таким чином, щоб дотримувалася умова ізокінетичності, тобто щоб швидкість газу в трубопроводі дорівнювала швидкості в пробовідбірнику.

З цією метою був спроектований ізокінетичний пробовідбірник, що був конструктивно виконаний з вихровим клапаном. За результатами розрахунку по запропонованій інженерній методиці і перевірки при стендових іспитах був спроектований і виготовлений вихровий клапан з пропорційним законом регулювання витрати повітря. Точність регулювання перепаду тиску на клапані на різних режимах добору проб відпрацьованих газів досягала 2 Па, що відповідало вимогам, предявленим до точності вимірювання з боку системи в цілому.

Вибір на користь вихрового клапану в якості регулюючого виконавчого механізму обумовлений його безсумнівними достоїнствами в тих умовах, у яких він повинний був функціонувати. Це відноситься до таких факторів, як агресивне середовище відпрацьованих газів, висока температура і зміст твердих фракцій – до всіх тих факторів, що істотно ускладнюють створення механічного аналога клапану. Що стосується надійності і довговічності, то відсутність рухливих механічних елементів робить вихровий клапан поза конкуренцією.

Іншим напрямком застосування отриманих в дисертації результатів з'явилося використання вихрового клапану в якості регулятора витрати стислого повітря в системі пневмозоловидалення в складі енергоблоку “Кураховської ТЕС”, що дозволило майже в 2 рази знизити витрати повітря в порівнянні із системою, що використовує аерожолоби, а також значно підвищити її надійність і довговічність.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна задача удосконалення методики розрахунку вихрових клапанів і їхнього проектування з необхідними типами робочих характеристик за рахунок експериментально отриманих даних щодо моментів тертя об стінки вихрової камери, дотичних напружень та коефіцієнту опору тертя. На цій основі розраховані і розроблені вихрові регулятори витрати для систем управління потоками рідких і газоподібних середовищ працюючих у несприятливих умовах експлуатації, які доведені до втілення у промислових об’єктах, що підвищило їх надійність і довговічність.

Приведені в дисертації результати теоретичних і експериментальних досліджень дозволяють зробити наступні основні висновки:

1. розвинена математична модель вихрового клапану, яка заснована на розподілі закрученого потоку в камері на зони течії, у якій за рахунок експериментально отриманої залежності уточнені параметри тертя обертової рідини об стінки камери від геометричних і режимних параметрів клапану;

2. експериментально визначені значення моменту тертя на стінках вихрової камери, на основі яких вперше отримані залежності дотичних напружень, повного і місцевого коефіцієнтів опору тертя, коефіцієнту моменту тертя на стінках камери, а також їх розподіл вздовж радіусу від геометричних і режимних параметрів вихрового клапану;

3. встановлено, що застосування отриманих експериментальних даних щодо параметрів тертя об стінки вихрової камери дозволяє підвищити точність розрахунків характеристик вихрових клапанів без подвоєння значень коефіцієнту місцевого опору тертя, обчисленого за теорією гладкої плоскої пластини;

4. встановлена адекватність розробленої математичної моделі вихрового клапану, на основі якої був спланований і проведений чисельний експеримент по визначенню основних геометричних параметрів клапану, що найбільшою мірою впливають на коефіцієнт підсилення і тип його робочої характеристики. Як показав аналіз експерименту, такими факторами є відносні діаметри вихрової камери (в більшому ступені впливає на параметри запирання клапану) і сопла управління (впливає на лінійність характеристики), в залежності від яких отримані функції відгуку для коефіцієнтів підсилення вихрового клапану за витратою, тиском і потужністю при заданому типі робочої характеристики;

5. з урахуванням отриманих результатів дослідження доповнена й уточнена існуюча інженерна методика розрахунку вихрових клапанів, і розроблені практичні рекомендації що до їх проектування;

6. інженерна методика використана при практичній реалізації вихрових клапанів з пропорційними характеристиками в якості регулятора витрати в системі ізокінетичного добору проб відпрацьованих газів дизельних двигунів для визначення змісту твердих часток – “Мінітунель МТ-1” і в системі золовидалення в складі енергоблоку СО „Кураховська ТЕС” ВАТ „Востокенерго”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ

ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сёмин Д.А., Павлю-ченко B.А., Войцеховский С.В. Вихревые клапаны с электроп-невматическим управлением. – Трансп. машиностр.: Республ. межведомств. научно-технический сб. – Киев. – 1995, с.195-200.

2. Сёмин Д.А., Войцеховский С.В. Исследование динамических свойств мембранных устройств сопряжения с элементами струйной макротехники. – Вестник ВУГУ. Серия “Машиностроение” (отд. выпуск). – 1996, с.111-122.

3. Сёмин Д.А., Войцеховский С.В. Экспериментальные исследования параметров трения вращающейся жидкости о стенки вихревой камеры. – Вестник национального Технического Университета. “ХПИ”. – 2001. – Выпуск №129, с.163-168.

4. Чальцев М.Н., Войцеховский С.В. Математическая модель вихревого эжектора. – Наукові праці ДонДТУ. Серія гірничо-електромеханічна. – 2001, – Випуск №35, с.204-209.

5. Сёмин Д.А., Войцеховский С.В. Исследование касательных напряжений на стенках коротких вихревых камерах и расчет давления запирания вихревых клапанов. – Вісник СНУ ім. В.Даля. – 2002. – №8(54), с.141-150.

6. Сёмин Д.А., Войцеховский С.В. Моделирование и расчет характеристик вихревых усилителей. – Вісник СНУ ім. В.Даля. – 2002. – №10 (56), с.267-274.

7. Сёмин Д.А., Войцеховский С.В. Влияние геометрических параметров вихревого усилителя на его рабочие характеристики. – Вісник СНУ ім. В.Даля. – 2002. – №11 (57), с.308-314.

8. Войцеховский С.В. Вихревые усилители в системах отбора жидкостей и газов. Вісник СНУ ім. Даля. – 2002. – № 12(58) Ч І, с.198-201.

9. Syomin D.A., Koval V.J., Pavlutchenko V.A., Voytsehovsky S.V. Design and analysis of dynamics of 1-membraine tie-in devices off "nozzle-flapper" type for power fluidics. Proc. of conf. "Hydromechanics, hydraulic machines, actuators and hydropneumoautomatics". – Moscow: MSTU, 1994, p.72.

10. Сёмин Д.А., Войцеховский С.В. Совершенствование методов расчета вихревых макроклапанов. Тез. докл. “Автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении”. Междунар. научно-практич. конф. Луганск, 1996, с.249.

11. Сёмин Д.А., Войцеховский С.В. К расчету потерь на трение о стенки в коротких вихревых камерах. Тез. докл. “Гидроаэромеханика в инженерной практике”. Научно-техн. конф. Черкассы, 1997, с.49-50.

АНОТАЦІЯ

Войцеховський С.В. “Розрахунок характеристик вихрових клапанів з урахуванням тертя об стінки вихрової камери”. - Рукопис.

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

У дисертаційній роботі одержали подальший розвиток методи розрахунку і проектування вихрових клапанів, що використовуються як виконавчі пристрої в системах управління потоками суцільних середовищ. При цьому вирішуються задачі, зв'язані з підвищенням надійності і довговічності цих систем. На основі експериментальних досліджень по визначенню моменту тертя обертової рідини об стінки вихрової камери був установлений зв'язок між законом опору і розподілом дотичних напружень на стінках.

Отримані залежності були використані при математичному моделюванні процесів, що протікають при течії закрученого потоку у вихровому клапані. У порівнянні з методикою, заснованою на аналогії з обтіканням гладкої плоскої пластини, запропонована модель дає кращий збіг з експериментом, не прибігаючи до штучного підбора такого значення місцевого коефіцієнту тертя або турбулентної в'язкості, при яких досягається задовільний збіг розрахункових і експериментальних даних.

На основі аналізу результатів чисельного експерименту була поглиблена і доповнена існуюча методика інженерного розрахунку вихрових клапанів, що дозволяє одержати оптимальне співвідношення їхніх основних показників – коефіцієнту підсилення та ступінь лінійності вихідної характеристики.

На основі розробленої методики розраховані і виготовлені дослідно-промислові зразки вихрових клапанів для системи автоматичного регулювання добору проб відпрацьованих газів двигунів внутрішнього згоряння, і для системи пневмозоловидалення в складі енергоблоку “Кураховская ТЕС”.

Ключові слова: струминна техніка, вихровий клапан, математична модель, робоча характеристика, коефіцієнт опору тертя, вихрова камера.

АННОТАЦИЯ

Войцеховский С.В. “Расчет характеристик вихревых клапанов с учетом трения о стенки вихревой камеры”. - Рукопись.

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

В диссертационной работе получили дальнейшее развитие методы расчета и проектирования вихревых клапанов, которые используются как исполнительные устройства в системах управления потоками сплошных сред. При этом решаются задачи, связанные с повышением надежности и долговечности этих систем. На основе экспериментальных исследований по определению момента трения вращающейся жидкости об стенки вихревой камеры было установлено, что его величина прямо пропорциональна динамическому давлению в тангенциальном сопле управления, причем эта зависимость сохраняется при разной степени асимметрии вращающего потока.

В результате обработки экспериментальных данных в диссертации исследована связь между законом сопротивления и распределением касательных напряжений на стенках камеры и показано, что опытные и рассчитанные по аналогии с гладкой плоской пластиной значения коэффициентов трения имеют не только разную величину, но и разный характер изменения вдоль радиуса вихревой камеры.

Полученные экспериментальные зависимости по распределению касательных напряжений и местного коэффициента сопротивления трения были использованы при математическом моделировании процессов, которые имеют место при течении закрученного потока в вихревом клапане. В сравнении с методикой, основанной на аналогии с обтеканием гладкой плоской пластины, предложенная модель дает лучшее совпадение с экспериментом, не прибегая к искусственному подбору такого значения местного коэффициента сопротивления трения или турбулентной вязкости, при котором достигается удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных.

По результатам численных экспериментов на адекватной математической модели определены основные геометрические факторы, влияющие на коэффициент усиления и степень линейности выходной характеристики вихревого клапана. Связь между этими факторами и коэффициентом усиления выражена через функцию отклика путем аппроксимации экспериментальных данных, полученных на математической модели с использованием методов планирования эксперимента.

На основе анализа полученных результатов численного эксперимента была разработана и дополнена существующая методика инженерного расчета вихревых клапанов, которая позволяет получить оптимальные соотношения их основных показателей – коэффициента усиления и степень линейности выходной характеристики.

На основе разработанной методики рассчитаны и изготовлены опытно-промышленные образцы вихревых клапанов для системы автоматического регулирования отбора проб отработанных газов ДВС, и для системы пневмозолоудаления в составе энергоблока “Кураховская ТЭС”.

Ключевые слова: струйная техника, вихревой клапан, математическая модель, рабочая характеристика, коэффициент сопротивления трения, вихревая камера.

SUMMARY

Vojtsehovskij S.V. “ Modelling and calculation of characteristics of vortical valves in view of friction about walls of the vortical chamber ”. - the Manuscript.

The dissertation on support of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.05.17 - hydraulic machines and hydropneumatics sets. - Sumy the state university, Sumy, 2004.

In dissertational work have received the further development methods of calculation and designing of the vortical valves used as executive devices in control systems by streams of continuous environments. Thus solve the tasks connected to increase of reliability and durability of these systems. On the basis of experimental researches by definition of the moment of friction of a rotating liquid about walls of the vortical chamber was communication between the law of resistance and distribution of tangents of pressure on walls is established.

The received dependences have been used at mathematical modelling the processes proceeding at current of the twirled stream in the vortical valve. In comparison with a technique based on analogy to a flow of a smooth flat plate, the offered model gives the best concurrence to experiment, not resorting to artificial selection of such value of local factor of friction or turbulent viscosity at which satisfactory concurrence settlement and experimental data is reached. On the basis of the analysis of results of numerical experiment the existing technique of engineering calculation of the vortical valves has been developed and added, allowing to receive an optimum ratio of their basic parameters.

On the basis of the developed technique trial samples of vortical valves for system of automatic control of sampling of fulfilled gases EIF, and for system pneumatic conveying are designed and made in structure of the power unit “ Kurahovo PS”.

Key words: jet technical equipment, the vortical valve, mathematical model, the target characteristic, factor of friction, the vortical chamber.

Підписано до друку 15.05.2004 р. Формат 84х106/16. Папір офсетний.

Гарнітура Times. Друк різограф. Ум. друк. Аркушів 1,0. Тираж 110 прим. Замов. №20.

АДІ ДонНТУ, 84646, м. Горлівка, вул. Кірова, 51.