Диссертация (Разработка метода расчета и исследование рабочих процессов регуляторов давления с учетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент), страница 11

Этапы повторяются до тех пор, пока отклонениезначений коэффициента подъемной силы для всех положений клапана не будетпревышать5%.Поокончаниипроводятсярасчетно-теоретическиеисследования рабочих процессов.2.3.1.Выводы по Главе 2Разработан комбинированный метод расчета рабочих процессов в РД сучетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент.Разработан алгоритм расчета.2.Разработана математическая модель рабочих процессов в РД с учетомаэродинамическойсоставляющей нагрузки на регулирующий элемент.Протекающие в РД процессы описаны в приближении сосредоточенныхтермодинамических параметров состояния газа. Рабочие процессы в проточнойчасти устройства описаны в приближении распределенных термодинамическихпараметров состояния газа.78ГЛАВА 3.

РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХПРОЦЕССОВ В РЕГУЛЯТОРЕ ДАВЛЕНИЯ3.1.Исходные данные, начальные и конечные условияРасчетно-теоретическиеисследованиярабочихпроцессоввРДпроводятся в соответствии с разработанными методом и алгоритмом расчета.Для проведения исследований разработана математическая модель рабочихпроцессов на примере РД АРТ-85-50/16 (Рисунок 2.1.), серийно выпускаемогоНПО «АРКОН» [66].Рисунок 3.1.Расчетная схема регулятора давления РД АРТ-85-50/16 сучетом присоединенных элементов пневматической системыВсе геометрические параметры приняты в соответствии с рабочейдокументацией (шифр АР 3108), условные обозначения и их численныезначения приведены на Рисунке 3.1. и в Таблице 3.1.79Таблица 3.1.Геометрические и массовые характеристики системы№Параметр12Единицаизмерения3Объем1полостипневматическоймОбозначениеВеличина45V1_ 033,09х10-5V2 _ 026,79х10-5V3 _ 05,25х10-5V4 _ 09,59х10-5V5 _ 00,76х10-5V6 _ 01,0d вх50,0х10-33системы1,2х10-3d 131,5х10-31,7х10-3Диаметр канала2пневматическоймсистемыdс _ осн51,0х10-3dс _ имп4,0х10-3d 247,0х10-3d 257,0х10-3d 2650,0х10-3d вых35,0х10-3dкл _ осн3Диаметр элементаконструкции РДdшт _ осн18,0х10-3dшт _ имп2,0х10-3d рп62,0х10-3м80Таблица 3.1.

(продолжение)12345м2S эф _ мембр1,263х10-3максхосн11,0х10-3максхимп-1,0х10-3mосн0,95m имп0,06Спр14124Спр 286000Эффективная4площадьмембраны567Ограничение ходаклапанаМасса подвижн.частейЖесткостьпружинымкгНмРабочая среда – воздух. Параметры рабочей среды сведены в Таблицу 3.2.Таблица 3.2.Параметры рабочей среды№ПараметрЕдиницаОбозначениеВеличинаДжкг × КR287-k1,41-β кр0,528измеренияРабочее тело – воздух.123ГазоваяпостояннаяПоказательадиабатыКритическийперепад давленийКоэффициент расхода для всех проходных сечений принимается равнымµ = 0,7 [9].Система уравнений, описывающих рабочие процессы в пневматическойсистеме, состоящей из РД и ОР, а также начальные и граничные условия и81условия окончания счета, необходимые для решения системы уравнений,подробно приведены в Главе 2.3.2.Порядок проведения исследования.

Исследование коэффициентаподъемной силыРасчет проводится в соответствии с разработанными методом иалгоритмом расчета, приведенными в Главе 2, на примере РД АРТ-85-50/16 сделительной дюзой d13=1,2 мм, конструктивная схема которого приведена наРисунке 2.1.На начальном этапе математическая модель рабочих процессов строитсяв приближении сосредоточенных термодинамических параметров состояниябез учета коэффициента подъемной силы. Расчетная схема приведена наРисунке 3.1. Для построения математической модели рабочих процессовзаписывается система ОДУ, определяющая изменение давлений (2.2) итемператур (2.3) в полостях РД в зависимости от времени, а также скоростей иперемещений основного (Позиция18, Рисунок 2.1.) и импульсного (Позиция41, Рисунок 2.1.) клапанов (2.4).

Для определения всех входящих в уравнения(2.2)…(2.4) величин записываются уравнения изменения дроссельных сеченийканалов пневматической системы, расходов через условные дроссели (2.5)объемовполостей(2.6).Уравнениядвиженияклапановдополняютсяуравнениями, определяющими силы трения (2.7)…(2.9) и силы упругостипружин (2.10).Составленная таким образом система уравнений дополняется начальнымиусловиями и условиями окончания счета и решается методам Эйлера, алгоритмкоторого также изложен в Главе 2 (2.11).Начальные условия записываются следующим образом.

В начальныймомент времени приt=0основной клапан (Позиция 18, Рисунок 2.1.) закрытмаксхосн = 0 , а импульсный (Позиция 41, Рисунок 2.1.) полностью открыт химп = химп,т.к. жесткость настроечной пружины (Позиция 21, Рисунок 2.1.) много большежесткости демпфирующей пружины (Позиция 28, Рисунок 2.1).82Вэтомположенииначальноесжатиесоставляет 29,4 мм. Сжатие настроечнойдемпфирующейпружиныпружины определяет величинурабочего давления РД в полости П2.НачальныеобъемыполостейсистемыV1 _ 0...V6 _ 0назначаютсявсоответствии с Рисунком 3.1., их значения приведены в Таблице 3.1.Давление во всех емкостях, кроме входной, равно атмосферномур1 _ 0 = р2 _ 0 = р3 _ 0 = р4 _ 0 = р5 _ 0 = р6 _ 0 = ратм = 0,1МПа.

Давление во входной полостирвх = 0,4 МПа .Температуры во всех емкостях одинаковы и равны температуреокружающей среды Твх = Т1 _ 0 = Т 2 _ 0 = Т3 _ 0 = Т4 _ 0 = Т5 _ 0 = Т6 _ 0 = 300К .Условием окончания счета является время t к = 60с . Время определеноопытным путем из условия гарантированного наступления установившегосярежима.На первом этапе осуществляется расчет при помощи модели рабочихпроцессов в РД без учета коэффициента подъемной силы ϕ , поскольку еговеличина неизвестна. Результаты первого этапа расчета представлены наРисунке 3.2.

в виде графиков изменения давлений в проточной части (П1, П2 см. расчетную схему Рисунок 2.3.) РД и перемещения основного клапана РД(Позиция18, Рисунок 2.1.).Графики на Рисунке 3.2. позволяют в первом приближении определить,какие давления устанавливаются в проточной части РД в каждый моментвремени, и какой высоте подъема основного клапана они соответствуют.83Рисунок 3.2.Графики изменения перемещения основного клапана идавления в проточной части в первом приближении безучета коэффициента подъемной силыДалее необходимо определить значение коэффициента подъемной силыϕ . Для этой цели динамические рабочие процессы в проточной части РДмоделируются в приближении распределенных термодинамических параметровсостояния.

Расчетная область в общем виде приведена на Рисунке 2.6. Рабочиепроцессы в проточной части РД описываются системой уравнений (2.13) –(2.16). Процессы на границе твердого тела (клапана, корпуса РД) и газаописываются уравнением (2.18). В качестве начальных условий задаютсяраспределения давлений в плоскостях Sпов.1 , Sпов.2 (Рисунок 2.6.) на входе ивыходе из РД соответственно. При этом считается, что давлениеp184распределено по плоскости Sпов.1 равномерно, и давление p 2 распределено поплоскости S пов.2 равномерно, то есть величина давления не зависит откоординаты точки на плоскости. Задача решается методом контрольныхобъемов, подробное описание которого приведено в Главе 2. Остановка расчетаосуществляется по прохождении800 итераций.Количество итерацийопределено опытным путем из условия неизменности качественной картиныраспределения давлений по тарели клапана, а также их количественныхзначений.Как известно из [8], [38], [63] и др.

величина коэффициента подъемнойсилы ϕ зависит от большого количества факторов и изменяется по мереизменения высоты подъема клапана. Чтобы учесть эти изменения, расчетырабочих процессов на данном этапе проводятся для различных значений высотподъема основного клапана. Начальные условия для решения этой задачиопределяются в соответствии с расчетом, проведенном на начальном этапе безучета коэффициента подъемной силы ϕ .

Расчет рабочих процессов вприближении распределенных термодинамических параметров состояния непроводится для начального периода мгновенного открытия клапана, посколькудопущение о квазистатичности процесса в этом случае недопустимо.ДляРД АРТ-85-50/16 с дюзой 1,2 мм расчеты рабочих процессов впроточной части РД проводятся в диапазоне высот подъема основного клапанах осн =3…5 мм с шагом 0,5 мм. Для каждой рассматриваемой точки строится 3-Dмодель проточной части РД и расчетная сетка, а также задаются начальныеусловия.

Начальные условия для расчета рабочих процессов в проточной частиРД в приближении распределенных термодинамических параметров состояниядля каждой точки определяются по графикам, приведенным на Рисунке 3.2. Вкачестве примера на Рисунке 3.2. отмечены точки, соответствующие х осн =5 мм.В этом случае давление в полости П1 РД составит p1 = 3,87 × 105 Па , а в полостиП2 РД - p 2 = 1,97 × 10 5 Па .85Начальные условияуслов записываются следующим образомобразо :()р (r ) = 1,97 х10 Па , где r ∈ Sр1 r = 3,87 х10 5 Па , где r ∈ S пов .1(3.1)52пов .2Аналогичнымм образомобопределяют начальныеые условияудля расчетарабочих процессовов в проточной части РД для остальнытальных значенийх осн ввыбранном диапазонезоне ззначений.Результаты расчетарасче в виде векторного поля скоростейростей потока в проточнойчасти устройства для случая высоты подъема основногоовного клапана х осн =5 ммпредставлены на РисункеРисун 3.3.Рисунок 3.3.Векторнекторное поле скоростей потока в проточнроточной части РД привысотесоте подъема основного клапана х осн =55 мммРезультаты расчетарасче в виде распределения давленийний в проточной части РДдля граничных значенначений выбранного диапазона рабочихбочих положений клапанаприведены на Рисункеунке 3.4.86Рисунок 3.4.РасРаспределениедавлений в проточнойчной ччасти РД87Полученные результаты подтверждают,что давление по поверхноститарели клапана распределено неравномерно, а зона пониженного давления подтарелью увеличивается с увеличением высоты подъема тарели над седлом.