Автореферат (Разработка метода расчета и исследование рабочих процессов регуляторов давления с учетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент), страница 3

Дополненнаяначальными условиями, она сводится к решению задачи Коши и решается методом Эйлера.Начальные условия выглядят следующим образом:максt  0 ; хосн  0 ; химп  химпр1  р2  р3  р4  р5  р6  ратм ; рвх  ратмТ вх  Т1  Т 2  Т 3  Т 4  Т 5  Т 6  300 К .Второй этап.Для определения коэффициента подъемной силы  рабочие процессы впроточной части устройства (полости П1, П2) описываются в приближениираспределенных термодинамических параметров состояния газа.

Система уравнений рабочих процессов в РД в приближении распределенных термодинамических параметров состояния выглядит следующим образом:u j   0 .Уравнение неразрывности:x jУравнения движения:u j ui   ij    p ,x jxiгде компоненты тензора напряжений для ньютоновской жидкости  ij :2 u ij  2Sij   k  ij   uiuj3 xk91  ui u j и тензора скоростей деформации Sij : Sij   ,2  x j xi где  ij - оператор Кронекера, xi - оси декартовой системы координат ( i =1, 2, 3);ui - проекция вектора скорости u на ось xi ; p - статическое давление; - динамическая вязкость,  - плотность; S - источник объемных сил.Турбулентные напряжения   uiuj , обусловленные наличием пульсационных составляющих вектора скорости ui , uj , определяются по следующим зависимостям:2  u  uiuj  2t Sij   t k  k  ij ,3  xkгде k - кинетическая энергия турбулентных пульсаций, t - турбулентная динамическая вязкость, u - вектор скорости, u  - пульсационная составляющаявектора скорости.Уравнение энергии: Tu p u jh    u j  ij i  uj h   t h  Hu j    xx j x jx jPrt x jj;,где H  h  ui / 2 - полная энтальпия, h - статическая энтальпия,  - коэффициент теплопроводности, Т - температура, t - турбулентная динамическая вязкость, Prt - турбулентное число Прандтля.Для расчета используется k   SST -модель турбулентности.Полученная система уравнений решается методом контрольных объемов.Граничными условиями являются распределения давлений на входе и выходе из расчетной области, а также условия прилипания на границе контактагаза с твердым телом.Результатом расчета является распределение давления в проточной частиустройства.

Для определения действительной газовой силы необходимо проинтегрировать давление рабочей среды по поверхности тарели клапана Sкл:Fг  рx, y, z ds .( Sкл )Тогда коэффициент подъемной силы можно определить по формуле:F гFг.cт .Третий этап.Разработанная на 1-ом этапе модель рабочих процессов в пневматическойсистеме, состоящей из РД и ОР, уточняется полученным значением коэффициента подъемной силы.10По завершении расчетов с учетом принятой точности определения коэффициента подъемной силы проводятся численные исследования рабочих процессов.Третья глава посвящена проведению численно-теоретических исследований с помощью созданных математической модели и метода расчета рабочихпроцессов на примере РД АРТ-85-50/16.Предварительные исследования показали, что учет теплообмена со стенками РД не оказывает существенного влияния на результаты расчета, поэтому сцелью упрощения математической модели и сокращения времени вычислений вдальнейшем теплообмен не учитывался.В работе проведены расчетно-теоретические исследования давления впроточной части РД и коэффициента подъемной силы  в зависимости от высоты подъема клапана.

Поля давлений в проточной полости РД для крайних рабочих положений клапана показаны на Рисунке 2.Полученные результаты подтверждают, что давление по поверхностиклапана распределено неравномерно, а зона пониженного давления под клапаном увеличивается с увеличением высоты подъема клапана. Процессы изменения распределения давления по тарели клапана в зависимости от высоты подъема качественно совпадают с выявленными экспериментально и описанными втехнической литературе.Рисунок 2. Распределения давления по тарели клапана РД и графикизменения коэффициента подъемной силыПроведены исследования влияния изменения расхода потребителя надавление в выходной полости П2 РД. Графики представлены на Рисунке 3.Проведены исследования влияния силы трения на давление в выходнойполости П2 РД при использовании различных материалов уплотнения разгрузочного поршня (фторопластовое кольцо: марка материала фторопласт-4, резиновое кольцо: марка резины ИРП-1345 по ГОСТ 9833-73, ГОСТ 18829-73).

Результаты (Рисунок 4) показали, что наличие трения оказывает положительноевлияние на характер рабочих процессов, уменьшая колебания в системе, ноуменьшает точность регулятора в статическом режиме, что также находит подтверждение в литературных источниках.11Рисунок 3. Влияние изменения расходапотребителя на давление ввыходной полости П2 РДРисунок 4. Влияниесилытрения на давлениев выходной полостиРДПроведены исследования влияния объема объекта регулирования на динамику работы регулятора.

Результаты показали, что объем ОР неоднозначновлияет на характер колебательного процесса. При увеличении объема ОР дозначения 0,7…1м3 колебания в системе демпфируются, а после – усиливаются.Эти явления не нашли подтверждения в литературных источниках и требуютпроведения дополнительных исследований.Проведены исследования влияния диаметра делительной дюзы на времявыхода системы на режим. Результаты показали, что до значения давления122,4х105 Па с увеличением диаметра делительной дюзы время выхода системына режим увеличивается, а после – убывает (Рисунок 5).Рисунок 5.

Влияние диаметра делительной дюзы dдна время выхода РД на режимВ четвертой главе разработана методика проведения эксперимента и приведены результаты экспериментальных исследований.Экспериментальный стенд позволяет проводить измерения давлений вполостях РД в динамическом режиме. Результаты измерений обрабатываются ипредставляются в виде графиков pi  pi (t ) , где индексом i обозначен номер газовой полости РД. Оценка полученных в диссертационной работе результатовосуществлялась путем сравнения длительности переходных процессов, полученных экспериментально и рассчитанных при помощи разработанных методарасчета и математической модели рабочих процессов в РД, которые возникаютв выходной полости регулятора П2 при внесении в систему внешних возмущений.

Внешним возмущением считалось мгновенное открытие дросселя на выходе из РД после наступления в системе установившегося режима. Длительностью переходного процесса считалось время с момента оказания на системувнешнего возмущающего воздействия (открытие дросселя) до достиженияустановившегося значения давления в полости П2 РД во временной области.Схема экспериментального стенда приведена на Рисунке 6.Экспериментальные исследования проводились последовательно для РДАРТ-85-50/16 с разными делительными дюзами.

Ряд значений диаметров делительных дюз составляет: 1,2 мм; 1,5 мм; 1,7 мм. В каждом случае значения давлений в выходной полости П2, на которые настраивают РД, последовательнопринимались 0,2МПа; 0,3МПа; 0,35МПа. Давление воздуха в ресивере во всехслучаях принималось равным 0,4МПа.13Рисунок 6. Схема экспериментального стендаРезультаты экспериментов и численно-теоретических исследований длительности переходных процессов, возникающих в выходной полости П2 РД привнесении в систему внешних возмущений, которые проводились при помощиразработанных метода расчета и математической модели рабочих процессов вРД с учетом коэффициента подъемной силы и без него, представлены на Рисунке 7.Рисунок 7.

Результаты экспериментальных и численно-теоретическихисследований длительности переходных процессов ввыходной полости П2 РД14Основные результаты и выводы1. Впервые разработаны метод расчета и математическая модель рабочих процессов в РД с учетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующийэлемент, позволяющие определить изменение распределения давлений и скоростей газа в полостях РД и скоростей подвижных элементов конструкции вовремени.2. На основе разработанных метода расчета и математической модели впервыепроведены расчетно-теоретические исследования рабочих процессов в РД, вчисле которых:2.1.Исследования зависимости коэффициента подъемной силы от высотыподъема тарели клапана РД.

Результаты показали, что с увеличением высотыподъема тарели клапана коэффициент подъемной силы увеличивается. Его значение изменяется в диапазоне от 0,96 до 1,01 при диаметре делительной дюзы1,2 мм. Это объясняется тем, что, с одной стороны, по мере увеличения высотыподъема тарели клапана из-за отклонения потока рабочей среды от плоскости,параллельной уплотнению, в подклапанной области образуется зона пониженного давления. С другой стороны, увеличение значения коэффициента подъемной силы связано с конструкцией клапанного узла: тарель клапана имеет больший диаметр, чем седло клапана, и является препятствием на пути отклоняющегося к оси клапана потока, воспринимая т.о.

часть нагрузки. Подобные явления, полученные экспериментально, описаны в технической литературе.2.2.Исследования влияния силы трения на динамику работы РД. Результатыпоказали, что наличие механического трения в узлах системы положительновлияет на характер рабочих процессов, уменьшая колебания в системе, но увеличивает отклонение давления в выходной полости РД от настроечного значения, что также подтверждается данными, приведенными в литературных источниках.

Исследования влияния материала уплотнения показали, что времявыхода на режим в системе с резиновым уплотнением больше на 0,4с., чем всистеме с использованием фторопластового кольца, а рабочие процессы в системе с резиновым уплотнением имеют более плавный характер.2.3.Исследования влияния диаметра делительной дюзы на время выходасистемы на режим. Результаты показали, что до значения давления на выходеиз РД 2,4х105 Па с увеличением диаметра делительной дюзы время выхода системы на режим увеличивается, а после – убывает.2.4.Исследования влияния объема объекта регулирования на динамическиерабочие процессы в РД. Результаты показали, что объем ОР неоднозначно влияет на характер колебательного процесса. При увеличении объема ОР до значения 0,7…1м3 колебания в системе демпфируются, а после – усиливаются.

Полученные данные требуют дополнительного исследования.3. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования, подтверждающие адекватность математической модели рабочих процессов в РД.Погрешность экспериментального определения длительности переходных процессов не превышает 16,6%. Сравнение результатов численно-теоретических и15экспериментальных исследований показало, что учет коэффициента подъемнойсилы увеличивает точность определения длительности переходных процессов вРД. Максимальное расхождение расчетных и экспериментальных данных 31,7%для дюзы 1,7 мм в диапазоне перепада давлений на тарели клапана 0,08 МПа ивыше.