Диссертация (Разработка метода расчета и исследование рабочих процессов регуляторов давления с учетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент), страница 12

Этообъясняется тем, что при низких высотах подъема рабочая среда движетсяпараллельноплоскостиуплотнения,идавлениепотареликлапанараспределяется практически равномерно. По мере увеличения высоты подъематарели над седлом поток газа отклоняется от плоскости, параллельнойуплотнению, к оси клапана, и в подклапанной области образуется провалдавления. Подобные явления, полученные экспериментально, описаны в [38].На основе полученных распределений давлений по тарели клапана вкаждой точке рассматриваемого диапазона значенийх оснпо формулам(2.33)…(2.34) определяются значения коэффициента подъемной силы истроится график зависимости коэффициента ϕ от высоты подъема клапана х осн(Рисунок 3.5а.).Рисунок 3.5(а).Изменение коэффициента подъемной силы повысоте подъема клапана в первом приближенииКоэффициент подъемной силы возрастает по мере подъема клапана,несмотря на растущую зону пониженного давления в подклапанной области.Это явление можно объяснить тем, что одновременно с увеличением высоты88подъема клапана растет коэффициент расхода [8], [36].

Кроме того, важнуюроль играет конструкцияклапанного узла: тарель клапана имеет большийдиаметр, чем седло клапана, и является препятствием на пути отклоняющегосяк оси клапана потока, воспринимая таким образом часть нагрузки [38].После определения коэффициента подъемной силы для всех положенийклапана осуществляется корректировка математической модели: расчетрабочих процессов в РД в приближении сосредоточенных термодинамическихпараметров состояния уточняется учетом значения коэффициента подъемнойсилы ϕ . Для этого в уже известную систему ОДУ (2.2)…(2.4), дополненнуюуравнениями (2.5.)…(2.10) вводится определенное по формуле (2.34) значениеϕ , график изменения которого также показан на Рисунке 3.5(а). Проводитсяуточненный расчет рабочих процессов в РД с учетом аэродинамическойсоставляющей нагрузки на регулирующий элемент.Для повышения точности все вышеизложенные этапы повторяются до техпор, пока отклонение значений коэффициента подъемной силы для всехположений клапана не будет превышать 5%.

В данном случае было проведенотри итерации. Окончательные значения коэффициента подъемной силыприведены на Рисунке 3.5(б).Рисунок 3.5(б).Изменение коэффициента подъемной силы по высотеподъема клапана в последнем приближении89Картины распределения давлений в проточной полости РД качественноне меняются, меняются только значения давлений.Результаты уточненного расчета в виде графиков изменения давлений впроточной части (полости П1, П2, Рисунок 3.1.) РД и перемещения основногоклапана РД (Позиция18, Рисунок 2.1.) представлены на Рисунке 3.6.Рисунок 3.6.Графики изменения перемещения основного клапанаи давления в проточной части с учетомкоэффициента подъемной силыДля оценки степени влияния коэффициента подъемной силы на рабочиепроцессы в РД на графики (Рисунок 3.6.) нанесены точки, соответствующие90величине подъема основного клапана х осн =5 мм.

Аналогичные точки былинанесены и на графики, полученные без учета коэффициента подъемной силыϕ (Рисунок 3.2.). При сравнении результатов видно, что учет коэффициентаподъемной силыуменьшает время, за которое клапан приходит в указаннуюточку, с 1,4 до 1,3 с. Кроме того, заметно уменьшается время выхода РД нарежим t р . Также в рассматриваемой точке, определенной расчетом с учетомкоэффициента подъемной силы ϕ , наблюдается понижение давления в полостиП1 РД, а величина давления в полости П2 РД практически не изменяется.

Этоподтверждает предположение, что на коэффициент подъемной силы главнымобразом влияет распределение давления в подклапанной области, в то времякак давление в надклапанной области распределено практически равномерно ине оказывает существенного влияния на ϕ [8], [38].Аналогичные результаты получены для РД с делительными дюзами1,5мм; 1,7мм.ДалеепроцессовпроводятсявРД.расчетно-теоретическиеРазработаннаямодельисследованияможетрабочихиспользоватьсядлямоделирования различных режимов работы РД в разных условиях и подвоздействием различных внешнихфакторов. Ниже в качестве примераприведены результаты численных исследований влияния силы трения, расходапотребителя и конструктивных особенностей на рабочие процессы в РД,проведенных при помощи предложенных в работе метода расчета иматематической модели рабочих процессов в РД с учетом аэродинамическойсоставляющей нагрузки на регулирующий элемент.3.3.Результаты исследований3.3.1.

Исследование влияния силы трения на рабочие процессы врегуляторе давленияСилы трения, как известно, уменьшают влияние жесткости упругихэлементов конструкции и улучшают динамические характеристики системы[36]. Но, в то же время, силы трения создают дополнительное сопротивление91движению подвижных элементов конструкции и вносят дополнительнуюпогрешность в статические характеристики РД. Это объясняется тем, что силатрения всегда имеет направление, противоположное направлению движенияэлементов конструкции.В рассматриваемой конструкции сила трения возникает в зоне контактауплотнения разгрузочного поршня (Позиция 10, Рисунок 2.1.) и гильзы РД(Позиция 12, Рисунок 2.1.). Основным назначением уплотнения являетсяобеспечение герметичности полостей РД над и под разгрузочным поршнем;трение является побочным эффектом. Упругим элементом является пружина(Позиция 28, Рисунок 2.1.).При возникновении колебательного процесса, создаваемого упругойпружиной, сила трения старается «погасить» колебания, делая процессрегулирования более плавным.

В то же время, сила трения создаетдополнительное сопротивление при движении регулирующего элемента, чтоприводит к уменьшению точности регулятора в статическом режиме.Чаще всего в агрегатах ПГС в качестве уплотнений используютрезиновые кольца круглого сечения. Если уплотнение работает под высокимдавлением, то резиновые кольца защищают защитными шайбами для того,чтобы избежать выдавливания резины в щелевой зазор. Шайбы чаще всегоизготавливаютизфторопласта-4.Изготовлениерезиновыхколецрегламентируется ГОСТ 18829-73 и ГОСТ 9833-73.В данной работе проведены расчетно-теоретические исследованиявлияния силы трения в уплотнении на рабочие процессы в РД. Результатыисследования в виде зависимости давления р2 на выходе из РД (обозначения см.Рисунок 3.1.) от времени приведены на Рисунке 3.7.В качестве материалов уплотнений разгрузочного поршня былирассмотрены резина ИРП-1345 и фторопласт-4.Коэффициент трения резинового кольца по металлу β = 0,1 .Коэффициент трения фторопластового кольца по металлу β = 0,08 .92Рисунок 3.7.Влияние силы трения в уплотнении на динамику работы РД93Результаты проведенного исследования показали, что сила трения вуплотнении уменьшает длительность колебательных процессов и время выходасистемы на режим, улучшая тем самым динамику работы РД.

При этомдлительность колебательных процессов в системе с использованием резиновогоуплотнения меньше, чем в системе при использовании фторопластового кольца,а время выхода на режим больше. Это происходит из-за того, что сила трения,создаваемая резиновым уплотнением, имеет большую величину, чем силатрения, создаваемая фторопластовым кольцом. С точки зрения динамическиххарактеристик РД лучше использовать резиновые уплотнения.

Однако,точность РД в статическом режиме у системы с резиновым уплотнением ниже,чем в случае использования в качестве уплотнения фторопластовых колец.3.3.2. Исследование влияния изменения расхода потребителя на рабочиепроцессы в регуляторе давленияРД должен поддерживать давление в объекте регулирования в пределахдопустимой точности при изменении расхода потребителя.Для оценки динамики работы РД в условиях переменного расходапотребителя проведены расчетно-теоретические исследования.В процессе исследования задавалось ступенчатое изменение расходапотребителя:−В период времени t = 0 ...

10 сек расход принимался равным Gвых = 0.25кг / с ;−В период времени t = 10 ... 25 сек расход принимался равным Gвых = 0.65кг / с ;−В период времени t = 25 ... 40 сек расход принимался равным Gвых = 0.45кг / с .По графикам, приведенным на Рисунке 3.8., можно отследить процессрегулирования.В период времени t = 5 ... 10 сек расход имеет установившееся значениеGвых = 0.25кг / с .

При увеличении расхода потребителя до Gвых = 0.65кг / с давление вОР и выходной полости П2 (Рисунок 3.1.) РД падает, и основной клапаноткрывается, обеспечивая больший расход газа из полости П1 (Рисунок 3.1.) в94полость П2 регулятора, давление в ОР и выходной полости П2 регуляторавыравнивается.Рисунок 3.8.Влияние диаметра изменения расхода потребителя надинамику работы РДПри уменьшении расхода до Gвых = 0.45кг / с происходит обратный процесс.Давление в ОР и выходной полости П2 регулятора возрастает, и основнойклапан прикрывается, уменьшая таким образом расход газа из полости П1 в95полость П2 регулятора, давление в выходной полости П2 регулятора и, какследствие, в ОР, выравнивается.При каждом ступенчатом изменении расхода в системе возникаютпереходные процессы. Также имеет место статическая ошибка регулирования.Ее величина не превышает 1,5%.3.3.3.

Исследование влияния диаметра делительной дюзы на рабочиепроцессы в регуляторе давленияДелительная дюза (Позиция 14, Рисунок 2.1.) используется длянастройки РД: при правильном подборе диаметра делительной дюзы в системеуменьшаются автоколебания и длительность переходных процессов. Напрактике диаметр делительной дюзы обычно подбирают методом перебора.Разработанная математическая модель позволяет упростить этот процесс.В работе проведены расчетно-теоретические исследования влияния диаметраделительной дюзы на время выхода РД на режим.

Результаты приведены наРисунке 3.9.Рисунок 3.9.Влияние выбора диаметра делительной дюзы dдна время выхода РД на режим96Из графика видно, что до давления на выходе из РД р2=2,4х105 Па сувеличением диаметра делительной дюзы время выхода РД на режимвозрастает, а после - убывает. При увеличении давления на выходе из РД дозначений 3,4х105…3,5х105 Па время выхода РД на режим значительновозрастает во всех случаях.