Диссертация (Разработка метода расчета и исследование рабочих процессов регуляторов давления с учетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент)

2ОГЛАВЛЕНИЕСтр.Перечень условных обозначений5Введение8Глава 1. Общее состояние вопроса исследования рабочихпроцессов в регуляторах давления141.1. Общие сведения о регуляторах давления141.1.1. Определение и классификация регуляторов давления141.1.2. Основные характеристики и требования к регуляторам давления171.1.3. Выводы об основных характеристиках и требованиях крегуляторам давления271.2. Теоретические и экспериментальные исследования рабочихпроцессов в регуляторах давления281.2.1. Усилия, действующие на регулирующий элемент регуляторадавления. Коэффициент подъемной силы281.2.2. Экспериментальные исследования параметров потока газа впроточной части устройства321.2.3. Экспериментальные исследования нагрузки на регулирующийэлемент регулятора давления371.2.4.

Численные методы исследования термодинамических параметровсостояния газа451.3. Выводы по Главе 1521.4. Постановка задач53Глава 2. Разработка математической модели рабочих процессов врегуляторе давления с учетом аэродинамической составляющейнагрузки на регулирующий элемент562.1. Устройство и принцип работы регулятора давления563Стр.2.2. Разработка метода расчета и математической модели рабочихпроцессов в регуляторе давления582.2.1. Алгоритм расчета рабочих процессов в регуляторе давления582.2.2.

Математическое моделирование рабочих процессов вприближении сосредоточенных термодинамических параметровсостояния газа612.2.3. Математическое моделирование рабочих процессов в проточнойчасти регулятора давления в приближении распределенныхтермодинамических параметров состояния газа692.2.4. Определение коэффициента подъемной силы. Уточнение моделиучетом аэродинамической составляющей нагрузки772.3.

Выводы по Главе 277Глава 3. Расчетно-теоретические исследования рабочих процессовв регуляторе давления783.1. Исходные данные, начальные и конечные условия783.2. Порядок проведения исследования. Исследование коэффициентаподъемной силы813.3. Результаты исследований903.3.1. Исследование влияния силы трения на рабочие процессы врегуляторе давления903.3.2. Исследование влияния изменения расхода потребителя нарабочие процессы в регуляторе давления933.3.3. Исследование влияния диаметра делительной дюзы на рабочиепроцессы в регуляторе давления953.3.4. Исследование влияния объема объекта регулирования на рабочиепроцессы в регуляторе давления963.4. Выводы по Главе 3984Стр.Глава 4.

Экспериментальное исследование динамических рабочихпроцессов в регуляторе давления994.1. Экспериментальный стенд994.2. Методика проведения эксперимента1024.3. Обработка результатов экспериментальных исследований. Оценкапогрешности эксперимента1034.4. Сравнение результатов эксперимента с результатами расчетнотеоретических исследований1064.5. Выводы по Главе 4108Основные результаты и выводы110Литература113Приложение1225ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙA – абсолютная погрешность;С - жесткость упругих элементов;E - модуль упругости;Fг - газовая сила;Fтр- сила трения;Fтяж- сила тяжести;F упр- сила упругости пружины;F упл– усилие, создаваемое в уплотнении;G - массовый расход;H – полная энтальпия тела;J - сила инерции;M – число Маха;Q - объемный расход;QТ - тепловой поток;R - газовая постоянная;S пов – площадь поверхности;S эф– эффективная площадь;T - температура;V - объем;с - скорость звука;d - диаметр;f - площадь;g – ускорение свободного падения;h - удельная энтальпия;6k - показатель адиабаты;m - масса;t – время;p - давление;υ п .ч.

– скорость перемещения подвижных частей механической системы;u - вектор скорости газа;u , υ , w - проекции вектора скорости газа на оси x,y,z ;x – перемещение;α T - коэффициент теплоотдачи;β - коэффициент сухого трения;β кр– критический перепад давлений;δ – абсолютная предельная погрешность прибора;v – удельный объем;ε – относительная погрешность;εр- коэффициент расширения;µ - коэффициент расхода;µ Т - динамическая вязкость;ν T - кинематическая вязкость;ξ - коэффициент сопротивления;ρ - плотность;σ – среднеквадратическая погрешность;ϕ – коэффициент подъемной силы;ψ - коэффициент, учитывающий реактивное действие движущейся средыв направлении подъема диска и распределение давления по его площади;Re - критерий Рейнольдса;Pr – число Прандтля.7ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯОДУ – обыкновенные дифференциальные уравнения;ОР – объект регулирования;ПГС – пневмогидравлическая система;ПС – пневматическая система;РД – регулятор давления.НАДСТРОЧНЫЕ ИНДЕКСЫн – значение параметра при настройке.ПОДСТРОЧНЫЕ ИНДЕКСЫвх – входное сечение;вых – сечение на выходе;дин – величина относится к динамике;имп – импульсный клапан;кл – клапан (применительно к d имеется ввиду диаметр тарели клапана);осн – основной клапан;пр – пружина;рп – разгрузочный поршень;с – седло клапана;ст – величина относится к статике;шт – шток;ш – шайба;Цифрами 1…6 обозначаются номера полостей пневматической системы.Первая цифра обозначает входящий поток; вторая – исходящий.8ВВЕДЕНИЕВ настоящее время пневмогидравлические системы (ПГС) получилиширокое распространение вразличных областях научной и техническойдеятельности человека, где их используют для реализации задач, связанных сперемещением, распределением и хранением жидкостей и газов.

Главнымобразом это системы управления механическими узлами различных машин иагрегатов или системы управления параметрами (давлением, расходом) газовыхили жидких сред. Многообразие конструкций, простая и понятная логикаработы и надежность делают возможным применение ПГС для большого числасамыхразличныхпроизводственныхпроцессовсучетомспецификипредъявляемых требований. Способность передавать значительные усилияпозволяет использовать ПГС в отрасли тяжелого машиностроения, гдетребуется преобразование значительной энергии газа в механическую энергиюподвижных частей; благодаря высокой точности достижения требуемыхпараметров среды ПГС применяются при проведении поверки и калибровкисредств измерения.

Малый вес в совокупности с высокой надежностьюпозволяют применять ПГС и в ракетно-космической отрасли, и в системахобеспечения жизнедеятельности человека.Осуществление задач, для которых предназначенаПГС,достигаетсяиспользованием трубопроводной арматуры (ТА) – технических устройств,устанавливаемыхнатрубопроводах,оборудованиииемкостях,ипредназначенных для управления потоком рабочей среды путем измененияпроходного сечения [17].Надежность ПГС в большинстве случаевопределяется надежностью используемой ТА.В соответствии с ГОСТ 24856-2014 [17] можно выделить следующиеосновные виды трубопроводной арматуры:−запорная арматура: арматура, предназначенная для перекрытия потокарабочей среды с определенной герметичностью;9−обратная арматура: арматура, предназначенная для автоматическогопредотвращения обратного потока рабочей среды;−предохранительнаяарматура:арматура,предназначеннаядляавтоматической защиты оборудования и трубопроводов от недопустимогопревышения давления путем сброса избытка рабочей среды;−распределительно-смесительная арматура: арматура, предназначенная дляраспределения потока рабочей среды по определенным направлениям или длясмешивания потоков;−регулирующая арматура: арматура, предназначенная для регулированияпараметров рабочейсреды посредством изменения расхода или проходногосечения;−разделительная арматура: арматура, предназначенная для разделениярабочих сред, находящихся в различных фазовых состояниях, или с различнойплотностью;−отключающая арматура: арматура, предназначенная для перекрытияпотока рабочей среды при превышении заданной величины скорости ее теченияза счет изменения перепада давления на чувствительном элементе, либо вслучае изменения заданной величины давления.Разновидностью регулирующей арматуры, часто используемой в ПГС,является регулятор давления (РД), который служит для поддержания давлениярабочей среды в объекте регулирования (ОР) в заданном диапазоне значений.РД применяются в системах самого различного назначения: от систем бытовогогазораспределения и до систем приводов ракетных двигателей и систем подачивоздуха для обеспечения жизнедеятельности космонавтов.

Регулирующимэлементом в большинстве РД является клапан, регулирующий элементкоторого выполнен в форме тарели (далее – тарельчатый клапан) и связан сисполнительным механизмом или чувствительным элементом. Тарель клапанаявляется подвижным элементом конструкции и при взаимодействии с седломобразует дроссельное сечение, расход газа через которое определяет давление в10ОР. Для улучшения рабочих характеристик РД применяются системы пружини приводов.РД вместе с ОР представляют собой замкнутую систему автоматическогорегулирования. При воздействии на систему таких факторов, как, например,изменение расхода потребителя, происходит изменение выходного параметра(давления рабочей среды). При этом система переходит в новое состояние,которое для нормального функционирования должно быть устойчивым.Осуществляющийся переходный процесс может быть плавным, а можетсопровождаться колебаниями.

Колебания приводят к повышенным вибрациями шуму, что может явиться причиной поломки или даже разрушенияоборудования.Для предупреждения возникновения подобных явлений при разработкеновых РД всегда проводят предварительные расчеты их характеристик.Тем не менее, на практике возможны ситуации, когда успешноработающий в одних условиях РД под воздействием каких-либо фактороввыходит на нерасчетный режим.

С этой проблемой, например, столкнулисьспециалисты Международной космической станции, где РД используется всистеме подачи кислорода для обеспечения жизнедеятельности космонавтов. Внекоторые периоды времени работа РД сопровождается повышенным шумом,что также является вредным фактором для людей, вынужденных работать втаких условиях. Сильным шумом и вибрациями также сопровождается работана некоторых режимах общепромышленных РД, серийно выпускаемыхарматуростроительными предприятиями.Для определения факторов, вызывающих подобные явления, и ихустранения,влабораторныхусловияхпроводятсяэкспериментальныеисследования работы устройств на моделях. Однако, не всегда удаетсяполучить нужный результат, поскольку процесс проведения экспериментавсегда трудоемкий, требует больших затрат времени и ресурсов.

Дляупрощения этого процесса и предварительной оценки степени влиянияразличных факторов на работу РД более простым решением является11численное моделирование рабочих процессов РД, которое позволяет в болеекороткие сроки и с меньшими затратами воспроизвести работу устройства иоценить влияние на нее различных факторов.Наибольшей сложностью при моделировании рабочих процессов в РДпредставляется определение газовых сил, действующих на тарель клапана впроцессе работы, поскольку действительные газовые силы, действующие натарель клапана в процессе работы, отличаются от газостатических. Для учетаэтих явлений в технической литературе используется понятие коэффициентаподъемной силы [36] (или в других источниках коэффициента давления потока[38]).