СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

Сьомін Дмитро Олександрович

УДК 621.867.8

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПЕРЕМІЩЕННЯ ВАНТАЖІВ ТРУБОПРОВІДНИМ ТРАНСПОРТОМ ЗАСОБАМИ СТРУМИННОЇ АРМАТУРИ

05.22.12 - промисловий транспорт

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Луганськ - 2004

.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті

імені Володимира Даля, Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант

Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Куликов Юрій Андрійович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, професор кафедри "Автомобілі"

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Рамазанов Султан Курбанович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, завідувач кафедри "Технічна кібернетика"

- доктор технічних наук, професор Омельченко Олександр Дмитрович, Київський університет економіки і технологій транспорту, завідувач кафедри " Транспортні системи, сервіс і логістика ", м. Київ

- доктор технічних наук, професор Берестовий Анатолій Михайлович, Приазовський державний технічний університет, професор кафедри "Технологія міжнародних перевезень і логістика", м. Маріуполь

Провідна організація:

- Дніпропетровський державний технічний університет залізничного транспорту Міністерства транспорту України,
м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться "27" грудня 2004 р. о "1000" годині на засіданні спеціалізованої ради Д29.051.03, у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20-а.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20-а

Автореферат розісланий 25.11.2004 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Осенін Ю.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Подальший науково-технічний прогрес, спрямований на рішення найважливіших проблем, що стоять перед промисловістю України, у першу чергу паливних, енергетичних, екологічних й ін., неможливий без підвищення ефективності промислового транспорту.

Завдяки своїй високій продуктивності, безперервності процесу переміщення вантажів та іншим позитивним якостям, трубопровідний транспорт набув широкого розповсюдження у вугільній, металургійній, будівельній, хімічній промисловостях, сільському господарстві та ін. Так, потужність сучасних вуглезбагачувальних фабрик у середньому становить 2,5 млн. тонн на рік, на промислових підприємствах металургійного комплексу по системах трубопровідного транспорту за рік переміщується близько 500 млн. тонн сировини, більше 40% якої складають сипкі вантажі, до того ж різноманітні рідини й гази. Витрати на розробку транспортних систем становлять 30-45% собівартості продукції, а експлуатаційні витрати сягають 30-50% вартості обладнання. За таких обставин надійність і довговічність обладнання трубопровідного транспорту набуває першорядного значення.

Управління потоками середовищ переміщуваних трубопровідним транспортом здійснюється механічною арматурою різного призначення. Умови її роботи в системах промислового транспорту можна віднести до несприятливих, тому що вона піддана впливу різких перепадів температури, вібрації, знакозмінним прискоренням і ударним навантаженням, підвищеній вологості, запиленості, хімічної агресивності робочого і навколишнього середовищ, а при транспортуванні сипких вантажів ще й абразивній їх дії і т.п. Наявність негативних зовнішніх факторів, і факторів, що привносяться властивостями робочих середовищ, знижує надійність арматури, у порівнянні з нормальними умовами експлуатації, у десятки, а в окремих випадках у сотні разів. При цьому термін її служби обчислюється одним або декількома тижнями й істотно визначає ефективність процесу транспортування.

Несприятливі умови експлуатації трубопровідної арматури промислового транспорту і як наслідок її низька надійність визначили новий напрямок у вирішенні науково-технічної проблеми підвищення ефективності промислового трубопровідного транспорту, за рахунок створення принципово нового типу арматури на основі струминної техніки.. Її позитивними якостями є нечутливість до низки перерахованих факторів, завдяки відсутності в її пристроях рухливих частин, і тому вона має високу надійність і довговічність. Рішенню цієї актуальної науково-технічної проблеми, зв'язаної з розробкою концепції, наукових основ розрахунку і проектування трубопровідної струминної арматури (ТСА) і систем з її використанням, присвячена дана дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Обраний напрямок досліджень був складовою частиною наукових програм Міністерств вугільної промисловості колишніх СРСР і УРСР (№01860015976, №01860035443), а в даний час продовжено в тематиках науково-дослідних робіт Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (№0194U035003), Інституту прикладних проблем інженерної екології (№0196U002358), у яких автор був відповідальним виконавцем і науковим керівником.

Мета й основні задачі наукового дослідження. Метою роботи є підвищення техніко-економічної ефективності промислового транспорту за рахунок створення наукових основ розрахунку, розробки і впровадження в промисловість принципово нового класу струминної трубопровідної арматури, якій властиві високі показники надійності і довговічності.

Поставлена мета передбачає рішення таких основних задач дослідження:

1. Розробити концепцію і визначити структуру трубопровідної струминної арматури на основі системного аналізу науково-технічних проблем сучасного промислового транспорту.

2. Розробити наукові основи гідродинамічного розрахунку трубопровідної струминної арматури на підставі проведення досліджень течій та її характеристик на математичних моделях, а також експериментальним шляхом.

3. Розробити методику проектування й інженерного розрахунку трубопровідної струминної арматури і створити дослідно-промислові зразки її пристроїв.

4. Установити закономірності й особливості функціонування струминної арматури і оцінити ефективність роботи систем промислового трубопровідного транспорту з її використанням.

5. Розробити принципи побудови, розрахунку і проектування систем промислового трубопровідного транспорту на основі струминної арматури.

Об'єктом дослідження є гідромеханічні процеси, що відбуваються в промисловому трубопровідному транспорті.

Предметом дослідження є робочі характеристики, закономірності й особливості функціонування трубопровідної струминної арматури у системах промислового транспорту.

Методи дослідження. У роботі використано системний підхід при створенні струминної арматури, методи математичного і фізичного моделювання гідромеханічних процесів, що відбуваються у струминній арматурі і її складових - регулюючих органах, виконавчих механізмах, пристроях управління. Теоретичні дослідження проводилися на математичних моделях трьох рівнів - гідромеханічній, гідравлічній й апроксимаційній (інженерній). Моделі течії у вихрових регулюючих органах представлені у формі рівнянь Рейнольдса для нестисливої рідини, які вирішувалися із застосуванням методів і засобів обчислювальної гідродинаміки. Гідромеханічні процеси у виконавчих механізмах і пристроях управління описані звичайними нелінійними диференціальними рівняннями, на яких проводився чисельний експеримент. На основі отриманих функцій відгуку знаходилися робочі параметри, близькі до оптимальних, значення яких вводилися в інженерні моделі досліджуваних пристроїв.

Вірогідність наукових припущень, положень, висновків і рекомендацій обумовлена використанням фундаментальних законів механіки рідини і газу, при задовільному збігу результатів теоретичних і експериментальних досліджень, отриманих у лабораторних і промислових умовах, і оброблених з використанням методів теорії імовірностей і математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів:

- визначено і науково обґрунтовано напрям вирішення проблеми підвищення техніко-економічної ефективності переміщення вантажів промисловим трубопровідним транспортом за рахунок створення високонадійної і довговічної трубопровідної арматури струминного типу, з регулюючими органами без рухливих механічних частин;

- уперше розроблені концепція і наукові основи розрахунку струминної арматури промислового трубопровідного транспорту;

- дістали подальшого розвитку та поглиблення теоретичні дослідження робочих процесів у вихрових регулюючих органах (ВРО), що дозволило з урахуванням геометричних, режимних факторів та параметрів тертя, які найбільш істотно впливають на точність розрахунків течії у вихрових регулюючих органах, їх характеристик та параметрів управління, сформулювати коректні межові умови і скласти на цій основі більш досконалі математичні моделі;

- уперше за результатами досліджень на розроблених математичних моделях ВРО встановлено асимптотичні значення тиску управління, необхідного для його закриття, максимально досяжний вакуум на осі вихрової камери; співвідношення між геометричними розмірами, що забезпечують близькі до мінімального значення параметрів запирання; поля швидкостей і тисків у проточній частині ВРО; вплив особливостей геометрії проточної частини на характеристики ВРО, які покладені в основу методики їх проектування та розрахунку;

- уперше експериментально визначені закономірності тертя обертової рідини об стінки робочих камер, і доведено, що пов’язані з ним гідравлічні втрати є основними, а їх розрахунок за теорією гладкої плоскої пластини становить головну причину погрішностей у визначенні характеристик і параметрів вихрових регулюючих органів. Значення коефіцієнту тертя, розраховані для пластини, та встановлені для поверхонь вихрової камери за даними дослідів, мають різні закономірності зміни уздовж радіусу вихрової камери. Визначено, що використання на виході вихрових регулюючих органів дифузорів різних типів істотно впливає на їх характеристики й параметри управління;

- розроблено математичні моделі засобів сполучення струминних регулюючих органів із сучасними системами управління, що дозволило встановити взаємозв'язок геометричних та режимних параметрів зі статичними і динамічними характеристиками й створити методики інженерного розрахунку раціональних конструкцій;

- уперше розроблені принципи побудови систем трубопровідного промислового транспорту на базі струминної арматури, які дозволяють алгоритмізувати процес прийняття рішень про доцільність її використання в даному процесі переміщення вантажів.

Практична значимість отриманих результатів.

- розроблені методики розрахунку струминної трубопровідної арматури з заданими раціональними статичними і динамічними характеристиками;

- розроблена методика синтезу конструкцій вихрових регулюючих органів, які у сукупності з виконавчими пристроями і пристроями управління складають основу принципово нового класу струминної арматури промислового трубопровідного транспорту – „СТАРТТ”;

- елементи і пристрої „СТАРТТ” стали основою розробок, впроваджених у промисловості і сільському господарстві:

· пневматичних струминних приводів відсаджувальних машин для збагачення вугілля і руд;

· систем пневматичного транспорту вугільного пилу і золи на ТЕС;

· системи автоматичного дозування і транспортування рідких барвників для тканин;

· приладу контролю змісту твердих часток у вихлопних газах дизельних двигунів засобів промислового транспорту – “Мінітунель МТ-1”,

· пульсатора транспортуючого потоку води в крутонахиленому сепараторі типу КНС для збагачення вермикулітової руди;

· у системах гідро- й пневмотранспорту в сільському господарстві для дозування та транспортування насіння, рідких добрив і хімікатів.

- уперше теоретично і на підставі досвіду промислової експлуатації встановлені закономірності функціонування, а також доведена ефективність систем промислового трубопровідного транспорту з використанням струминної арматури.

основні результати теоретичних і експериментальних досліджень використовуються при виконанні курсових і дипломних проектів, а також при читанні спецкурсів "Динаміка і регулювання гідропневмосистем", "Гідропневмоавтоматика", “Спеціальні види промислового транспорту” спеціальностей "Гідравлічні і пневматичні машини" і “Транспортні технології” Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі особисто автором отримані наступні найбільш важливі теоретичні і практичні наукові результати, що виносяться на захист:

- науково обґрунтований напрямок удосконалювання промислового трубопровідного транспорту за рахунок розробки струминних засобів управління матеріальними потоками;

- концепція, принципи побудови і методи розрахунку трубопровідної струминної арматури - „СТАРТТ” і систем промислового транспорту на її основі;

- математичні моделі вихрових регулюючих органів, установлені закономірності течії; основні параметри і робочі характеристики;

- результати теоретичних і експериментальних досліджень робочих процесів у трубопровідній струминній арматурі та її складових – регулюючих органах і виконавчих механізмах;

- експериментальна установка, методика і результати експериментального визначення гідродинамічних параметрів тертя обертових потоків об стінки вихрових камер;

- розроблені пристрої струминної арматури і системи, реалізовані в промисловості за результатами дисертації.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи повідомлені, обговорені й одержали схвалення на міжнародних симпозіумах і конференціях: Науково-техн. конф. “Гідроапаратура і гідроприводи сільськогосподарських машин”. 22-25 лютого 1993 р. Вінниця; “Hydromechanics, hydraulic machines, actuators and hydropneumoautomatics”", Moscow, MSTU, 1994; Науково-техн. конф. Київ, 21-22 червня 1994; Другої Української конференції по автоматичному управлінню "АВТОМАТИКА-95", 26-30 вересня, м. Львів, 1995 р.; Міжнар. науково-практич. конф. “Автоматизація проектування і виробництва виробів у машинобудуванні”, м.Луганськ, 14-17 травня, 1996; Міжнар. науково-практич. конф. “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці”, Черкаси, 27-30 травня, 1997; Київ, 28-30 травня, 1998; Суми, 28-30 травня, 1999; Київ, 5-8 червня, 2000; Харків, 5-8 червня 2001; Київ, 3-6 червня, 2002. Українському науковому семінарі по гідравліці в Українському транспортному університеті, 24 червня 1999 р.; VI Міжнародної науково-практичної конференції “Університет і регіон”, Луганськ, 2000-2004 р.; Науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, Луганськ, 1993-2004 р; Першій науково-практичній конференції „Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка й управління”, Київ, 2003.

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 55 наукових праць, з них 1 монографія, 26 статей, 15 патентів, авторських посвідчень і заявок на винахід, 13 матеріалів і тез конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел з 277 найменувань на 26 сторінках, 8 додатків на 56 сторінках. Загальний обсяг дисертації 299 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі виконано аналітичний огляд систем промислового трубопровідного транспорту, який показав, що одним з напрямків рішення проблеми підвищення ефективності процесу переміщення вантажів і матеріалів є створення надійного і довговічного устаткування, у тому числі арматури.

Значний внесок у рішення цієї проблеми внесли роботи Берестового А.М., Бермана В.П., Блюсса Б.О., Брагіна Б.Ф., Волошина О.І., Гуревича Д.Ф., Джваршейшвілі А.Г., Ідельчика І.Є., Імбрицького М.І., Казінера Ю.Я., Криля С.І., Махарадзе Л.І., Омельченка О.Д., Рамазанова С.К., Сіліна М.А., Слободкіна М.С., Смірнова П.Ф., Смолдирева А.Є, Ульшина В.О., Яхно О.М., Klinzing G.E., Mills D. й ін. За результатами їх досліджень розроблена спеціальна запірна і регулююча арматура і системи управління нею. Завдяки ретельному вивченню гідродинамічних особливостей течії в проточних частинах її пристроїв і їхньому удосконаленню, виборові конструкційних матеріалів, типів приводів, удалося вирішити частину загальної проблеми. Але разом з тим, трубопровідна арматура, яка установлена на високопродуктивному технологічному устаткуванні і виконує велике число робочих циклів, продовжує залишатися низьконадійною. Термін служби її запірних органів у деяких випадках не перевищує одного- двох тижнів. При цьому слід зазначити, що методи підвищення надійності і довговічності механічних засобів управління потоками багато в чому вже вичерпані. Крім того, зростання складності і розмаїтості задач управління переміщенням вантажів у трубопровідному промисловому транспорті, з якими не справляються механічні виконавчі пристрої, приводить до необхідності розробки арматури принципово нового типу. Визначальними факторами при цьому є функціональні призначення пристроїв, умови їхньої роботи і властивості робочих середовищ.

Як показує аналіз, усі функції, які виконуються трубопровідною арматурою в промисловому транспорті, при її прямому або непрямому впливі на вантажі, що переміщуються, можна звести тільки до двох - зміни кількості робочого середовища і зміні напрямку його течії.

Умови роботи систем промислового трубопровідного транспорту можна охарактеризувати такими ознаками:

· наявність несприятливих факторів, що наведені у загальній характеристиці роль;

· середовища, що переміщуються – багатофазні, різні за складом матеріалів, що представлені одним, двома або трьома основними агрегатними станами; широкий діапазон зміни температур, тисків, витрат;

· наявність комплексу задач дискретного і безперервного управління потоками середовищ, що переміщуються;

· наявність енергоносіїв різних видів.

З числа відомих засобів управління потоками суцільних середовищ тільки елементи струминної техніки здатні виконувати зазначені функції в несприятливих умовах експлуатації при високих показниках надійності і довговічності. Це обумовлюється їхніми властивостями:

· відсутністю рухливих механічних контактуючих пар;

· можливістю роботи в практично необмеженому діапазоні температур, тисків, витрат робочих середовищ;

· можливістю реалізації дискретних і аналогових операцій управління;

· можливістю сполучення з усіма видами систем управління.

Для створення струминних регулюючих органів за своїми властивостями і характеристиками підходять тільки вихрові підсилювачі (резистивні) і елементи з відхиленням струменя (дефлекторні) (рис. 1). Дефлекторні елементи на-

Рис. 1. Види і характеристики струминних елементів

правляють потік робочого середовища, що витікає з центрального сопла з витратою, підтиском, в один з каналів (центральний або бічні) під відповідним впливом управляючого струменя, який витікає з каналів c1 або c2. При цьому витрата робочого середовища, що проходить через елемент, не змінюється. Вихрові підсилювачі, працюють за принципом створення опору основному потокові за рахунок його закручення управляючим потоком у вихровій камері, змінюючи його витрату від максимального значення до нуля. Вони можуть мати як дискретну, так і безперервну характеристики. Вихрові підсилювачі є більш універсальними, тому що мають не тільки можливість дроселювати витрату робочого середовища, а й на їхній базі можна створювати і перемикачі потоків, тобто здійснювати функції дефлекторних елементів. Основними недоліками вихрових підсилювачів є те, що тиск управління повинен бути вище тиску живлення і необхідно витрачати енергію на утримання підсилювача в закритому стані, що відповідає нульовому значенню витрати робочого середовища через канал живлення . У тих випадках, коли витрати на управління окупаються за рахунок надійності, застосування вихрових підсилювачів виявляється доцільним.

До теперішнього часу накопичено певний досвід розрахунку і проектування розглянутих струминних елементів. У його основі лежать теоретичні й експериментальні дослідження Бочарова В.П., Гольдштіка М.А., Залманзона Л.А., Струтинського В.Б., Лєбєдєва І.В., Орлова Б.В., Попова Д.Н., Халатова А.А., Brombach H., King C.F., Savino J.M., Kechok E.G., Syred N., Wormley D.N. і ін. Але, унаслідок складності явищ, що відбуваються у вихрових підсилювачах, течія у них ще не до кінця вивчена, а характеристики не досконалі. Не розглянуті питання структури і властивості струминних виконавчих пристроїв, обумовлені особливостями елементів, що їх складають, а також властивості систем, побудованих на їхній базі. Незважаючи на те, що прикладів практичного використання струминних макроелементів як регулюючих органів небагато, і вони носять розрізнений характер, доцільність розробки струминної трубопровідної арматури промислового транспорту на базі струминної макротехніки не викликає сумнівів. Прогрес у цьому напрямку стримує відсутність:

·

·

·

·

·

·

Рішення цих питань визначило мету і задачі досліджень, що приведені в загальній характеристиці роботи.

В другому розділі дисертації наведені результати теоретичних досліджень обертових потоків у коротких вихрових камерах, що склали основу гідродинамічного розрахунку вихрових регулюючих органів струминної трубопровідної арматури промислового транспорту.

З використанням основних гідродинамічних підходів розроблені математичні моделі течії у вихрових регулюючих органах і проаналізовані результати розрахунків для випадків:

1. Рідина ідеальна, течія одномірна вісесиметрична;

2. Рідина в’язка, течія одномірна вісесиметрична, модель на основі інтегральних рівнянь Кармана для прикордонного шару;

3. Рідина в’язка, течія тривимірна вісесиметрична;

4. Рідина в’язка, течія тривимірна.

Базовими при складанні розглянутих математичних моделей є рівняння: Рейнольдса для осередненого турбулентного потоку; узагальненого реологічного закону Ньютона для осередненого тензора напруг; узагальненої гіпотези Бусінеска для турбулентних напруг; гіпотези Прандтля-Колмогорова для турбулентної в'язкості, з використанням моделі переносу кінетичної енергії турбулентності і швидкості її дисипації.

Разом із рівнянням нерозривності для нестисливої рідини, що відповідають межовими і початковими умовами, вони складають узагальнену математичну модель течії у вихровому регулюючому органі:

(1)

У систему (1) входять осереднені за часом t, швидкість -, тензор напруг за осередненою швидкістю - і тензор осередненого добутку пульсаційної складової -, гідродинамічний тиск -, тензор відносних швидкостей деформацій -, питома маса -, динамічна в'язкість -; - тензорна одиниця.

Межові і початкові умови для кожного з чотирьох розглянутих випадків приведені нижче.

Для конкретизації подальших міркувань, приймемо таку розрахункову схему (рис.2):

Рис.2 Розрахункова схема течії рідини у вихровій камері

Дані дослідження від попередніх відрізняє розрахунок особливостей течії в зоні I, де відбувається взаємодії потоків живлення і управління, а також у зоні вихідного отвору - V. При цьому більш коректна постановка межових умов на вході і виході з вихрової камери, у кожнім з розглянутих випадків, дозволила наблизити результати розрахунків до дійсності.

При першому підході, у рівняннях (1) =0, =0, вони спрощуються і зводяться до системи рівнянь:

(2)

Перше з рівнянь системи (2) описує течію біля вісі обертання, де, а друге - у зовнішній частині потоку, де. Тут - радіус, що з'єднує обидві зони.

Дослідження показують, що тиск у вихідному отворі вихрової камери досягає значення тиску середовища, у яке здійснюється витікання на радіусі, що менше радіуса вихідного отвору. При цьому межові умови для тиску у вихідному отворі варто записувати у вигляді

. (3)

Дослідним шляхом установлено, що . Інтегрування системи рівнянь (2) із межовими умовами (3), дозволяє одержати аналітичні залежності для розподілу тиску уздовж радіусу вихрової камери. Установлено взаємозв'язок між геометричними розмірами вихрового регулюючого органа і тиском, необхідним для його закриття:

. (4)

Важливість отриманого співвідношення (4) полягає в тому, що воно визначає асимптотичні значення тиску запирання, до яких необхідно прагнути при проектуванні вихрових регулюючих органів.

При другому, інтегро-диференціальному підході, течію обертового потоку у вихровій камері розділяють на кілька зон (див. рис.2). Припускають, що після взаємодії потоків живлення і управління, у другу зону входить рівномірний результуючий потік. Тут тривимірна течія поступово переходить у двовимірну, що супроводжується зниженням до нуля радіальної компоненти швидкості. У зоні уся витратна течія зосереджена у прикордонних шарах IV на торцевих стінках камери, а центральна частина течії (зона III) представляє потенційний вихор. У зоні вихідного отвору V течія знову приймає тривимірний характер з можливістю утворення зворотних струмів.

Інтегруючи рівняння (1) у циліндричних координатах по висоті камери, із попередньо заданими законами розподілу складових швидкості в примежовому шарі, одержимо інтегро-диференціальні рівняння руху рідини у кожній зоні:

(5)

Межові умови мають такий вигляд:

(6)

У рівняннях (5), записаних у безрозмірній формі прийняті наступні позначки:

Профілі швидкостей у примежових шарах описані такими залежностями:

(7)

Коефіцієнти A, a визначаються відповідними інтегралами від попередніх функцій розподілу швидкостей.

При відомій закономірності розподілу коефіцієнту місцевого опору тертя уздовж радіусу вихрової камери можна визначити і закономірність розподілу тиску уздовж радіусу. Крім цього, можна установити значення тиску в соплі управління, необхідного для закриття вихрового регулюючого органа, інтегруючи рівняння (7) у межах. Наявність тертя обертової рідини об поверхню камери приводить до того, що кожному фіксованому значенню площі сопла управління відповідає мінімальне значення тиску запирання. Установлено, що застосування для залежності, отриманої Л. Прандтлем для гладкої плоскої пластини, вносить помітні розбіжності між розрахунковими й експериментальними даними. Це може бути наслідком погрішностей, пов'язаних зі схематизацією течії або недосконалістю застосованої моделі для визначення коефіцієнта тертя. Відповідь на ці питання дають результати подальших розрахунків, що засновані як на спеціально проведених експериментальних дослідженнях, так і на більш складних, просторових моделях.

Третій підхід заснований на рівнянні Нав’є-Стокса, записаного у формі переносу вихору W, і рівнянні, що зв'язує вихор з функцією струму для вісесиметричної течії:

(8)

Межові умови для функції струму на торцевих стінках вихрової камери (рис.2) мають вигляд:

Для вихору на верхній і нижній стінках вони носять наближений характер:

, (9)

. (10)

На осі вихрової камери:

. (11)

У співвідношеннях (9)-(11) i,j-номера вузлів, N2 і N1 - число розбивок сітки уздовж осей r і z , відповідно.

Чисельне інтегрування цих рівнянь із застосуванням методів обчислювальної гідродинаміки дозволило установити картину руху рідини у вихровому регулюючому органі і розподіл компонентів швидкості, що приведені на рис.3:

Рис. 3. Кінематичні характеристики течії у вихровій камері

Наведені на рис.3 дані свідчать про наявність зворотних струмів у вихідному патрубку, а також підтверджують припущення про відсутність витратної течії в центральній частині камери - зоні III.

Застосування цього підходу в ортогональній системі координат обмежено порівняно простими конфігураціями проточної частини. Перехід до довільних координат істотно ускладнює задачу, залишаючи незмінними недоліки, властиві розрахункові вісесиметричних течій.

При четвертому підході проводилося чисельне інтегрування рівнянь (1) з використанням ліцензійного програмного комплексу “FlowVision”. Тут „жорсткі” межові умови записані у вигляді p=pe на розрахункових границях, які віддалені від вихідного отвору. Отримано докладні картини течій з наявністю відривних і зворотних зон. Час, який витрачає персональний комп'ютер середньої потужності на розрахунок одного режиму роботи вихрового регулюючого органу, складає приблизно 50 годин. Для установлення взаємозв'язку геометричних параметрів вихрового регулюючого органу з параметрами потоку управління і виявлення оптимальних співвідношень, застосування цього підходу вимагає занадто великих витрат машинного часу. Разом з цим, використання просторової моделі дозволяє на стадії проектування знайти зони відривних і зворотних течій, що знижують пропускну спроможність пристрою або можуть стати причиною зарощування його проточної частини твердими частками.

Отримані результати досліджень на розглянутих математичних моделях складають основи гідродинамічного розрахунку вихрових регулюючих органів. Так, модель течії ідеальної рідини дозволила аналітично встановити закономірність зміни тиску уздовж радіусу вихрової камери, взаємозв'язок тиску запирання і вакууму на осі вихрової камери з її геометричними розмірами. При цьому значення тиску запирання і вакууму є своєрідними асимптотами, до яких необхідно прагнути при проектуванні вихрових регулюючих органів, тому що вони характеризують ступінь їхньої досконалості. Другий підхід дозволив виявити наявність екстремумів – мінімумів, у залежностях параметрів запирання від геометричних параметрів вихрової камери й установити їхні значення, близькі до оптимальних. У третьому підході обґрунтована правомірність зонального моделювання. Четвертий підхід дав можливість установити особливості течії, обумовлені даною геометрією проточної частини. Незважаючи на те, що кожна більш проста модель може бути отримана з найбільш загальної, методи рішення для кожного випадку різні. Усі чотири підходи і засновані на них математичні моделі становлять комплексний математичний інструмент для досліджень течій у вихрових регулюючих органах.

Для визначення оптимальних геометричних параметрів вихрових регулюючих органів найбільше підходить математична інтегро-диференціальна модель, однак для неї необхідні спеціальні експериментальні дослідження, спрямовані на встановлення закономірності зміни коефіцієнту опору тертя уздовж радіусу вихрової камери. Результати цих досліджень наведені в наступному розділі.

У третьому розділі описані експериментальні стенди, методики проведення й обробки результатів досліджень струминної арматури, а також спеціально розроблена оригінальна експериментальна установка (рис.4.) для дослідження

Рис.4. Схема експериментальної установки

параметрів тертя обертової рідини об стінки вихрової камери. Установка складається з двох співвісно і дзеркально розташованих вихрових камер 1. Стінки камер мають можливість обертатися на загальному валу 5 під дією потоку повітря, який подається через тангенціальні сопла 9. Виникаючий від взаємодії момент тертя M на стінках передається через вал і врівноважується зусиллям натягу динамометричної пружини 10.

Експериментально визначені інтегральні моменти тертя M на кожній зі стінок вихрової камери приведені на рис. 5 .

Рис.5. Розподіл моменту тертя на стінках вихрової камери

Тут дослідні значення моментів тертя віднесені до моменту тертя на верхній торцевій стінці MR0 і позначені кружечками і хрестиками, а суцільні лінії представляють апроксимаційні залежності. Можна бачити лінійний зв'язок між моментом тертя і подвоєним динамічним тиском у соплі управління, який доводить, що коефіцієнт моменту тертя не залежить від числа Рейнольдса у дослідженому діапазоні. Згідно з розрахунками за отриманими даними гідравлічні втрати на подолання опору з боку стінок становлять близько 75%, тобто вони є основними. Досліди зі складеними дисками, зовнішня частина яких, яка має діаметр, нерухома, а внутрішня, що має діаметр, закріплена на валу, дозволили установити закономірності розподілу дотичних напружень і коефіцієнта тертя уздовж радіусу вихрової камери. Результати вимірів приведені на рис. 6.

Рис.6. Зміна циркуляції, швидкості, моменту тертя, дотичних напружень і коефіцієнта тертя уздовж радіусу робочої камери ВРО (о,+,x,* – дослід, t – теорія)

Встановлено експериментальну залежність зміни моменту тертя уздовж радіусу вихрової камери

, (12)

яка покладена в основу розрахунків параметрів закриття вихрового регулюючого органа з використанням інтегро-диференціальної моделі. Із встановленої залежності (12) або з рис.6 видно, що 80% моменту тертя зосереджено на зовнішній половині диску.

Дослідження ефективності впливу дифузорів різного типу на пропускну спроможність вихрових регулюючих органів показало, що найвище значення забезпечує щілинний дифузор, а конструкція без дифузору має.

У четвертому розділі наведені результати досліджень пристроїв сполучення елементів струминної техніки із сучасними системами управління. Аналітично, на основі розроблених математичних моделей і експериментальним шляхом досліджені можливості струминних (дефлекторних і вихрових підсилювачів, ежекторів) і мембранних елементів, механічних розподільників як виконавчих механізмів.

Пристрої сполучення повинні задовольняти ряду функціональних, конструктивних і економічних вимог, таких як висока надійність, швидкодія, можливість управління від сигналів різної фізичної природи, низький гідравлічний опір, високі значення коефіцієнтів підсилення за витратою, тиском і потужністю, простість конструкції й ін.

Установлено, що найбільш повно висунутим умовам відповідають елементи мембранної техніки типу "сопло-заслінка", що перевершують за показниками надійності і швидкодії механічні золотникові елементи, але поступаються струминним. Однак, можливість одержання в одному каскаді практично необмежених коефіцієнтів підсилення за витратою, висока ремонтопридатність і низька вартість ремонту визначає вибір на користь мембранних елементів.

Розроблені пристрої (рис.7) відрізняє від аналогів те, що в них діаметр со-

Рис. 7. Принципові схеми одномембранних виконавчих механізмів з односідельним (ліворуч) і двосідельним (праворуч) клапанами управління з підведенням живлення в соплову камеру (ліворуч) або через сопло (праворуч)

пла порівняний із діаметром защемлення мембрани. На математичній моделі й експериментально досліджені динамічні властивості двох різних модифікацій одномембранного виконавчого механізму (МВМ) із двома видами клапанів управління

Математична модель МВМ для визначення динамічних властивостей кожної з його модифікацій складена на основі рівнянь динамічної рівноваги мембрани і балансу витрат повітря, що втікає і витікає в надмембранну і соплову камери.

Аналіз перехідних процесів дозволив установити взаємозв'язок між ефективними площами трактів наповнення і скидання повітря в атмосферу і відповідні значення часу відкриття і закриття МВМ. Графіки цих закономірностей представлені на рис. 8.

Встановлено адекватність математичної моделі експериментальним даним, виявлені комплекси, що найбільш істотним образом впливають на динаміку МВМ, і проведений чисельний експеримент за ортогональним планом. Результати, оброблені за методом найменших квадратів, дозволили одержати апроксимуючі залежності сумарного і роздільного часу відкриття і закриття МВМ від його геометричних параметрів. Установлено співвідношення між пропускними спроможностями трактів наповнення і спорожнювання надмембранної камери,

,

при яких забезпечується мінімальний сумарний час усього циклу.

Рис. 8. Залежність часу відкриття ton і часу закриття toff МВМ

від ефективних площ тракту наповнення і скидання

На цій основі розроблені рекомендації, щодо використання кожної модифікації МВМ, а також методика розрахунку його геометричних параметрів, при яких забезпечується задана швидкодія при максимальному коефіцієнті підсилення за витратою і потужністю.

У п'ятому розділі на основі експериментально встановленої залежності (12) зміни моменту тертя уздовж радіусу вихрової камери зроблені розрахунки параметрів запирання вихрового регулюючого органу на його інтегро-диференціальній математичній моделі (5). Чисельний експеримент дозволив виявити співвідношення розмірів вихрової камери,

, (13)

при яких значення тиску запирання наближені до мінімальних:

. (14)

Розроблено методику розрахунку вихрових регулюючих органів із заданими характеристиками.

На основі дискретного й аналогового ВРО розроблені пристрої (див. табл.), що дозволяють реалізувати основні операції управління потоками суцільних середовищ у промисловому трубопровідному транспорті.

Т а б л и ц я

Основні схеми побудови струминної трубопровідної арматури

Разом з виконавчими механізмами і перетворювачами вони складають основу струминної арматури промислового трубопровідного транспорту „СТАРТТ”.

У шостому розділі викладені результати практичного використання струминної трубопровідної арматури в системах промислового транспорту. На математичних моделях систем і безпосередньо у промисловості досліджені закономірності й особливості функціонування струминної арматури й визначена техніко-економічна ефективність цих систем.

На основі проведеного аналізу сформульована концепція побудови систем промислового трубопровідного транспорту на базі струминної арматури, яку можна представити у вигляді наступної схеми:

Розробка систем трубопровідного промислового транспорту з використанням струминної арматури, за допомогою сформульованих принципів, забезпечує її ефективність. Принципи є базовими і можуть надалі доповнюватися й уточнюватися з накопичуванням досвіду створення й експлуатації систем.

Безпосередньо в промисловості досліджувалися:

- струминно-вихровий пневматичний привод відсаджувальних машин для збагачення вугілля і руд;

- система дозування рідинних розчинів хімікатів для фарбування тканин - “Хімстанція”;

- система пневматичного транспорту вугільного пилу і золи на ТЕС;

- система добору проб відпрацьованих газів у приладі контролю технічного стану засобів промислового транспорту “Мінітунель-1”.

Результати досліджень підтвердили високу надійність і ефективність роботи струминної арматури в зазначених системах. Річний економічний ефект від упровадження розробок склав 750 тис. грн.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена науково-практична проблема підвищення техніко-економічної ефективності промислового трубопровідного транспорту за рахунок розробки і використання струминної арматури. Її регулюючі органи не містять рухливих механічних частин, завдяки чому мають високі показники надійності і довговічності. Використання струминної арматури дозволяє збільшити обсяг вантажів, що переміщуються, скоротити їхні втрати при транспортуванні, підвищити продуктивність праці і якість продукції, знизити її собівартість, поліпшити умови роботи. Таким чином, створені наукові основи нових технологій управління переміщенням і обробкою вантажів у промисловому трубопровідному транспорті.

У результаті проведених теоретичних і експериментальних досліджень уперше:

1. Розроблено концепцію трубопровідної струминної арматури промислового транспорту, наукові основи методик розрахунку і проектування її елементів і пристроїв у цілому.

2. Розроблено математичні моделі різних рівнів для течій у коротких вихрових камерах, за допомогою яких установлені: асимптотичні значення тиску управління, необхідного для закриття ВРО, максимально досяжний вакуум на осі вихрової камери; співвідношення між геометричними розмірами, що забезпечують близькі до мінімального значення параметрів запирання; поля швидкостей і тисків у проточній частині ВРО; вплив особливостей геометрії проточної частини на характеристики ВРО.

3. Розроблено оригінальну експериментальну установку і методику дослідження параметрів тертя обертової рідини об поверхні стінок вихрової камери, на якій отримані експериментальні дані, які дозволили установити що: втрати на гідравлічне тертя об стінки вихрової камери є основними; момент тертя рідини об бокову поверхню вихрової камери перевищує момент тертя об кожну з торцевих на 30%, при цьому 80 % моменту тертя об торцеву стінку зосереджено на зовнішній половині диску; коефіцієнт моменту опору тертя для кожної зі стінок вихрової камери, розрахований за швидкістю в соплі управління, має автомодельність за числом Рейнольдса і залежить тільки від геометричних параметрів вихрової камери; головною причиною погрішностей у гідродинамічних розрахунках ВРО, при використанні інтегральних підходів, є те що дотичні напруження і коефіцієнт місцевого опору тертя, розраховані за теорією гладкої плоскої пластини, мають різні значення і закономірності зміни уздовж радіусу вихрової камери, у порівнянні з отриманими дослідними даними. Установлені значення пропускної спроможності і визначені робочі характеристики вихрових регулюючих органів різних модифікацій, що покладені в основу їхніх інженерних розрахунків.

4. Розроблено інженерні математичні моделі, методики синтезу і розрахунку вихрових регулюючих органів, одномембранних виконавчих механізмів, пристроїв управління і струминної арматури в цілому, з характеристиками близькими до оптимальних. Створено промислові зразки струминної арматури промислового трубопровідного транспорту, що склали основу її принципово нового класу – „СТАРТТ”. Досліджено закономірності, особливості функціонування і доведена ефективність використання струминної арматури в системах трубопровідного транспорту на підприємствах вуглепереробного і паливно-енергетичного комплексів.

5. Розроблено принципи побудови систем трубопровідного промислового транспорту на базі струминної арматури, які дозволяють алгоритмізувати процес від прийняття рішення про доцільність застосування арматури до методик проектування і розрахунку.

6. Розроблені і впроваджені у промисловість на основі струминної арматури:

· струминні вихрові пневматичні розподільники у складі приводів відсаджувальних машин; 15-річний досвід успішної промислової експлуатації на вуглезбагачувальних фабриках - ПО "Антрацитвуглезбагачення" і "Донецьквуглезбагачення" довів високу надійність і довговічність струминної арматури поряд зі збереженням технологічної стабільності процесу відсадки, що обумовлює підвищення виходу концентрату на 360 т за рік на одну машину і забезпечує основний економічний ефект;

· система автоматичного дозування і транспортування агресивних рідких компонентів, що включає вихрові клапани з електропневматичним управлінням від ЕОМ. Клапани працюють у пневмо- гідравлічній системі і виконують функції запірних органів і клапанів швидкого вихлопу. Система впроваджена на хімічній станції підготовки барвників тканин Луганської трикотажної фабрики "ЛУТРИ".

· клапани скидання стиснутого повітря з камерного насосу у системі пневматичного транспорту вугільного пилу від цеху пилеприготування до енергоблоків, а також золи від них до золовідвалу на ТЕС „Словянська”, Донецька обл. Дане застосування струминної арматури дозволило зменшити у два рази витрату стиснутого повітря і потужності, підвищити надійність вузла скидання повітря у 100 разів і у двічі зменшити знос трубопроводу;

· вихровий регулятор витрати проби газів, що відробили, у приладі контролю змісту твердих часток у вихлопних газах дизельних двигунів засобів промислового транспорту – “Мінітунель -МТ-1”. Прилад успішно пройшов випробування в Інституті прикладної екології при Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля і науково-дослідному автомобільному й автомоторному інституті – “НАМИ” Російської Федерації, м. Москва;

· вихровий пульсатор потоку води, яка є робочою розділовою рідиною крутонахиленого сепаратору типу КНС для вермикулітової руди. Проведені разом з Інститутом збагачення твердого палива “ИОТТ” Російської Федерації, м. Москва, випробування, оформлені актом, підтвердили перспективність використання вихрових пульсаторів на рідині;

· у дозуючих системах, що використовуються в сільському господарстві при висіві насіння, внесенні рідких добрив і хімікатів. Це дозволило більш ніж у 2,5 рази зменшити витрати споживаної енергії;

· впровадження розробок дозволило одержати загальний економічний ефект у сумі 950 тис. грн. на рік.

7. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень