Автореферат (Разработка метода расчета и исследование рабочих процессов регуляторов давления с учетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент), страница 2

Баумана,2012;4. Международная конференция «Проблемы внедрения перспективныхразработок и инноваций в арматуростроении», проводимая в рамках13-й международной выставки PVCEXPO «Насосы. Компрессоры.Арматура. Приводы и двигатели». Москва, МВЦ «Крокус Экспо»,2014;5.

Арматуростроительный форум Valve Industry Forum&Expo. Москва,ВДНХ, 2015.Личный вклад автора заключается в разработке метода расчета и математической модели рабочих процессов в РД с учетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент, проведении расчетнотеоретических исследований, а также разработке методики проведения эксперимента и проведении экспериментальных исследований.ПубликацииПо результатам проведенных исследований опубликовано 7 научных работ, из них 3 работы в журналах, включенных в Перечень ВАК РФ, общим объемом 5 п.

л.Структура и объем диссертацииРабота состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 124 страницах текста, включая 35 иллюстрации и 4 таблицы. Библиография насчитывает 97 наименований.Содержание работыВо введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальностьисследуемого вопроса, сформулирована научная проблема, определены объекти предмет исследования.В первой главе приведены общие сведения об РД и их основных характеристиках, перечислены необходимые для проектирования РД расчеты.

Подробно рассмотрен вопрос определения нагрузки, действующей на регулирующийэлемент РД, и обозначены проблемы, возникающие при определении газовыхсил.4Действительная газовая сила отличается от газостатической и в общемслучае складывается из двух составляющих: газостатической силы Fг.ст и силыактивного и реактивного воздействия движущейся среды на регулирующийэлемент с учетом распределения ее по площади диска Fг . дин :Fг  Fг.ст  Fг.дин .Отличие действительной газовой силы от газостатической при расчетахучитывается коэффициентом подъемной силы (в некоторых источниках - коэффициент давления потока)  :Fг    S эф ( p1  p2 ) .Коэффициент  учитывает наличие сил активного и реактивного воздействия движущейся среды на рабочий элемент клапана с условием распределения их по площади диска.Проведенный литературный обзор показал, что законы распределениядавления в дроссельном сечении клапана до сих пор мало изучены, и расчетраспределения давления по тарели клапана представляет некоторые трудности.Поэтому для определения действительной газовой силы используются в основном экспериментальные методы.

Исследованию действительной газовой силы икоэффициента подъемной силы  посвящены работы Т.Ф. Кондратьевой,В.Г.Бугаенко, И.Ф. Лясковского, Б.С. Плюгина, D.H. Tsai, E.C. Cassidy и др.Экспериментальному определению коэффициента расхода и коэффициентарасширения, от величины которых также зависит коэффициент подъемной силы  , посвящены работы Баха, И.Г. Есьмана, В.К. Дейкуна и др. Полученныеавторами результаты подтверждают, что коэффициент подъемной силы меняется в широком диапазоне значений в зависимости от условий работы и конструктивных особенностей клапанного узла, и применение методов аппроксимации и параметро-геометрической аналогии при определении коэффициентаподъемной силы недопустимо.

Несмотря на большой объем проведенных исследований, для разработки новых устройств накопленной экспериментальнобазы данных недостаточно.Настоящий уровень развития вычислительной техники позволяет исследовать термодинамические параметры состояния газа ( p, T ) при помощи математического моделирования рабочих процессов, протекающих в рассматриваемой пневматической системе.

Математические модели могут описывать рабочие процессы в приближении сосредоточенных и в приближении распределенных термодинамических параметров состояния. Каждая из моделей имеет своидостоинства и недостатки, которые определяют область ее применения.На основе проведенного анализа существующих методов определениядействительной газовой силы сформулированы цели и задачи исследования.Вторая глава посвящена созданию методов расчета и математических моделей рабочих процессов в РД с учетом аэродинамической составляющейнагрузки на регулирующий элемент на примере РД непрямого действия «после5себя», регулирующий элемент которого выполнен в форме тарели клапана, ачувствительным элементом является мембрана.Расчетная схема показана на Рисунке 1.

Пневматическая система, состоящая из РД и ОР, представляет собой набор газовых полостей постоянного ипеременного объема, соединенных каналами постоянного и переменного сечения. В каждой газовой полости происходят одинаковые по всему объему физические процессы и явления, и параметры рабочей среды считаются независимыми от координаты точки внутри рассматриваемого объема. Подвижные элементы конструкции нагружены газовыми силами, силами упругости и силамитрения.

Процессы течения рабочей среды во внутренних каналах замененыпроцессами истечения рабочей среды через условные дроссели.Рисунок 1. Расчетная схема регулятора давления «после себя» сучетом присоединенных магистралейРазработка математической модели рабочих процессов ведется в три этапа.На первом этапе рабочие процессы в пневматической системе, состоящейиз РД и ОР, описываются в приближении сосредоточенных термодинамическихпараметров состояния газа. На начальном этапе моделирования, когда коэффициент подъемной силы неизвестен, считается, что действительная газовая силаравна газостатической.

На этом этапе проводится отладка программы, а такжеопределение начальных условий, необходимых для решения системы ДУ, описывающих параметры газа в проточной части устройства в приближении распределенных термодинамических параметров состояния газа (второй этап).На втором этапе моделирования определяется коэффициент подъемнойсилы  . Для этого рабочие процессы в проточной части устройства (полости6П1, П2) описываются в приближении распределенных термодинамических параметров состояния газа. Только таким способом можно получить картину распределения давлений и определить коэффициент подъемной силы  , действующий на регулирующий элемент РД.На третьем этапе создания проводится интеграция: рассчитанное значение коэффициента подъемной силы вводится в систему уравнений, описывающую рабочие процессы в пневматической системе, состоящей из РД и ОР.Далее второй и третий этапы повторяются до тех пор, пока отклонениезначений коэффициента подъемной силы для всех положений клапана не будетпревышать 5%.

По окончании проводятся расчетно-теоретические исследования рабочих процессов.Первый этап.Математическая модель строится в предположении, что процессы носятквазистатический характер, течение рабочей среды во внутренних полостях регулятора считается адиабатическим, а рабочее тело – идеальный газ. В этомслучае рабочие процессы можно в полостях РД описать уравнениями сохранения массы и энергии, уравнением состояния идеального газа. Эти уравнениядля каждой газовой полости приводятся к виду дифференциальных уравненийизменения давления и температуры рабочей среды. Для расчетной схемы, приведенной на Рисунке 3, система уравнений выглядят следующим образом:dp1 k dV dQ  k  1     R  T j G j1   T1G1 j   p1 1  T dt V1 dtdt  k  dT1T  dpdVdQ  k  1   1  V1 1  p1 1  R  T j G j1   T1G1 j   T dtp1V1  dtdtdt  k  …dp6 k dV dQ  k  1     R  T j G j 6   T6G6i   p6 6  T dt V6 dtdt  k  dT6T  dpdVdQ  k  1   6  V6 6  p6 6  R  T j G j 6   T6G6 j   T  .dtp6V6  dtdtdt  k  Дополнительно записываются уравнения движения основного и импульсного клапанов РД.

С учетом того, что сила упругости пружин вычисляется всоответствии с законом упругости Гука, который в общем виде можно представить как Fупр  С  x , уравнения движения имеют следующий вид:  d c _ осн d 2 хоснmосн Спр1  ( хосн  химп )  ( p1  p2 )   2dt42;   d РП  d шт _ осн 2dРП p4  p3   F 0 упр _ пр1  Fтр  mосн g4427d 2 химпmимп Спр1  ( хосн  химп )  Спр 2  химп dt 2,00Sэф _ мембр   p5  pатм   F упр _ пр1  F упр _ пр 2  mимп g00где F упр _ пр1 и F упр _ пр 2 - силы упругости пружин, обуславливаемые их предварительным поджатием при закрытых клапанах.Уравнения движения клапанов представляют собой ОДУ 2-го порядка.Для решения системы уравнений необходимо свести их к системе ОДУ 1-го порядка следующего вида:dxимпdxосн  п .ч.

_ имп ;  п .ч. _ осн ;dtdtmоснd п.ч. _ оснdt  d c _ осн 2 ( p1  p2 )   42; d шт _ осн   d РП 20 p4  p3  F упр _ пр1  Fтр  mосн g44 Спр1  ( хосн  химп )    d РПdmимп п.ч. _ имп  Спр1  ( хосн  химп )  Спр 2  химп dt.00Sэф _ мембр   p5  pатм   F упр _ пр1  F упр _ пр 2  mимп gНа первом этапе, когда коэффициент подъемной силы неизвестен, действительная газовая сила принимается равной газостатической силе.Расход рабочей среды через элементы пневматической системы определяется уравнением Сен-Венана – Ванцеля, которое при докритическом режиме2k 12k1  p j k  p j  k       кр ) имеет вид: Gij  S эфij  pi истечения ( 1 ,k  1 RTi   pi   pi  pipjpjk  кр ): Gij  S эфij  pi а при сверхкритическом режиме ( 0 piRTik 1 2  k 1 , k 1где Sэфij  ij  f ij - эффективная площадь проходного сечения;  ij - коэффициенты расхода в условных проходных сечениях; f ij - условные площади проходных сечений,  кр – критический перепад давлений.

Параметры с индексом iотносятся к текущей емкости, с индексом j – к емкости, с которой происходиттепломассообмен.Тепловой поток между рабочим телом и стенками емкостей рассчитывается по формуле Ньютона – Рихмана:dQT  T  Sпов Ts  T dt .8где QT -тепловой поток; T и Ts - температура рабочей среды и стенки емкостисоответственно; Т - коэффициент теплоотдачи; Sпов – площадь поверхноститеплообмена.Сила трения складывается из двух составляющих: сил сухого и вязкоготрения: Fтр  Fтр.вяз  Fтр.сух .Силу вязкостного трения рассчитывают по следующей зависимости:   SFтр .

вяз  Т п .ч. ,drгде  п .ч. - скорость поршня; S - площадь поверхности касания; dr - рабочий за0 , 683 T зор; Т  0  - динамическая вязкость при температуре T; Т – темпе 273 ратура;  0 - динамическая вязкость при 273К.Сила сухого трения уплотнительных колец определяется предварительным обжатием материала уплотнения и величиной действующего перепададавления уплотняемой среды:Fтр.сух    2  d    Dк    E  d    Dк  p  .Полученная система уравнений представляет собой систему ОДУ 1-гопорядка и в общем случае аналитического решения не имеет.