Диссертация (Разработка метода расчета и исследование рабочих процессов регуляторов давления с учетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент), страница 5

Также его величина будетзависеть от формы регулирующего элемента.Исследованием коэффициентаподъемной силы ϕ занимались многиеученые. Среди них Т.Ф. Кондратьева, В.Г.Бугаенко, Б.С. Плюгин и др. В связи стем, что законы распределения давления в проходном сечении клапана плохоизучены, и расчет распределения давления по тарели клапана представляетопределенные трудности, для исследования действительной газовой силыиспользовались экспериментальные методы.

Их условно можно разделить надвебольшиегруппы:методы,направленныенаэкспериментальное32исследование параметров потока газа ψ , µ , ε р , и методы, направленные нанепосредственное исследование газовой силы и коэффициента подъемнойсилы.К настоящему моменту накоплена некоторая база экспериментальнополученных данных для различных конструкций.1.2.2. Экспериментальные исследования параметров потока газа впроточной части устройстваВ доступных литературных источниках были найдены следующиезависимости для определения коэффициентов, характеризующих параметрыпотока.Для сопла коэффициент расширения ε р определяется по формуле:εрсопk +11  2/kk⋅⋅ p − p k ,k − 1 1 − p =(1.24)где p - отношение давлений.При докритическом истечении для воздуха коэффициент расширенияможно вычислять по следующим эмпирическим зависимостям [8], [38]:ε рд = 0,66 + 0,34 ⋅ р - для диафрагмы;(1.25)ε р соп = 0,4 + 0,6 ⋅ р - для сопла;(1.26)ε р пк = 0,63 + 0,37 ⋅ р - для полноподъемного клапана.(1.27)Полагая, что для среднеподъемных клапанов значение ε р находитсявблизи ε р соп ,можнополучитьэмпирическоеуравнениекоэффициентарасширения газа для среднеподъемного клапана:ε р ск = 0,425 + 0,5757 ⋅ р .(1.28)Коэффициент расхода µ можно получить в результате интегрированияуравненияБернуллидляпроцессов,протекающихнесжимаемойвклапанах,жидкости.неОднако,позволяетсложностьопределитьвсекоэффициенты, входящие в выражение для µ .

Поэтому обычно принимаютµ=1ξ ,(1.29)33где ξ - коэффициент сопротивления, который учитывает потери давления инеравномерность распределения скоростей по сечению.Для определения коэффициента ξ для клапанов с профилированнымучастком седла при отношенииx> 0,05 ,dсрегулирующего элемента клапана;d с - диаметр седла клапана, предложенагдеx-высота подъемаследующая зависимость [8], [38]:S dξ = ξ1 + 0,4− ξ 2 ⋅ 4 + ξ 3  c dcdcγ x  S2 sin ⋅  2 dc dз0,11, 25 S'  x γ + 1 − c  ⋅  5,3 + 20⋅ ⋅ sin   ,dc 2  Sc  (1.30)где S c' = S c − S щ , γ - угол конусности уплотняющих кромок, а коэффициентыξ1 , ξ 2 , ξ 3определяютсязависимостиотконструктивныхпараметров(Рисунок1.3., Таблица 1.1.).Таблица 1.1.Значения коэффициентов ξ1 , ξ 2 , ξ 3d1 − d 3dcS2Scξ1ξ 2 ξ3< 1 < 4 1,85 0,45 1,5≥4Рисунок 1.3.Клапан с профилированным участком седла≥1 < 42,1 0,450≥ 4 0,1500 1,500В работе В.Г Бугаенко [8] предложена следующая зависимость дляопределения коэффициента сопротивления для приближенных расчетов припростейших формах клапанов:ξ = ξ1 + ξ 2 ⋅b − 0,1d cξ3+,dc(x / d c )2(1.31)34где b - перекрытие клапана; ξ1 , ξ 2 , ξ 3 постоянные коэффициенты, зависящие отконструктивногоисполненияклапана.Длятарельчатыхклапановξ1 = 2,5; ξ 2 = 19; ξ 3 = 0,166 .

Для шаровых клапанов ξ 1 = 0,96; ξ 2 = 0; ξ 3 = 0,0472 .В работах Баха [63], [84] получена эмпирическая формула длякоэффициента расхода:µ=dс24d кл ⋅ ξ,(1.32)где d с - диаметр седла клапана; d кл - диаметр тарели клапана, а ξ определяется2ddпо зависимости ξ = K 1 + K 2  с  , где K 1 = 2 t − 1,85 и K2 = 0,15...0,16 . Эта формулаdс x верна в диапазоне 0,1 ≤x≤ 0,25 .dсНа Рисунке 1.4. приведена кривая, построенная по данным Баха, а такженанесены экспериментальные точки по данным Есьмана И.Г. [29]. Опытныеданные говорят о том, что величина коэффициента расхода меняется приизменении величины подъема тарели клапана, а в области малых х dсзависимость µ = f Рисунок 1.4.x≈ 0,2dс имеет максимум.Изменение коэффициента расхода для дросселя взависимости от отношения высоты подъема тарели клапанак диаметру тарели по данным Баха и И.Г.

Есьмана35В работе Дейкуна В.К. [22]…[24] предложена следующая эмпирическаяформула:µ=3хdс(1.33)В работе Дмитриева В.Н., Чернышева В.И. [28] приведены значениякоэффициента расхода для дросселя типа «сопло-заслонка» для сопелдиаметрами от 0,2 до 3,0 мм в зависимости от расстояния между заслонкой исоплом, полученные экспериментально (Рисунок1.5.).Рисунок 1.5.Изменение коэффициента расхода для дросселя взависимости от расстояния между заслонкой и сопломпо данным В. Н. Дмитриева, В.

И. Чернышева [28]В работе Tsai D.H., Cassidy E.C. [75]приведены результатыэкспериментальных исследований коэффициента расхода тарельчатого клапанапри направлении потока на и под тарель (Рисунок1.6.).36Рисунок 1.6.ИзменИзменениекоэффициента расхода в зависимостизависотвысот подъема тарели клапана привысотыи направлениинапрпотокапод и на тарель по данным D.H.Tsai, E.C.C. Cassidy [75]Все вышеперечислречисленные исследования коэффициентациента расхода проведеныдляустановившихсяихсярежимовистечения.Резульезультатыисследованийнестационарных режимоврежим приведены в [63].

Они позволяозволяют сделать вывод отом, что коэффициентиент расхода для неустановившегосяся режимарежимеет меньшеезначение в сравненииении с установившимся режимом при той же геометрии и длятех же условиях передеред диафрагмой.Коэффициент ψ учитывает реактивное движениеие срсреды в направленииподъема тарели клапаклапана и распределение давленияия поп ее площади. Еговеличина зависитт от ккосинуса угла отклонения потокаотока, выходящего из-под37тарели клапана. Значение коэффициента ψ приближается к 2,0 при повороте на1800 [38].1.2.3. Экспериментальные исследования нагрузки на регулирующийэлемент регулятора давленияБольшинство исследований, посвященных определению действительнойгазовой силы, проводились для установившегося режима течения воздуха.Так, результаты исследований коэффициента подъемной силы дляразличных конструкций клапанов изложены в работе Кондратьевой Т.Ф.

[38].Автором проводились испытания в стационарном потоке воздуха, которыепозволили определить силу давления потока на тарель клапана. Испытательныйстенд представлял собой продувочную камеру с весами. Тарель клапанасоединялась с помощью рычага с подвижным шпинделем продувочной камеры,соединенным с одним из плеч весов. Поток воздуха давил на тарель и открывалклапан.ГрузустановленныйFтяж,,начашкедругогоплечавесов,уравновешивал действующую на тарель клапана силу. Положение тареликлапана, т.е. ее подъем, указывался индикатором, подсоединенным кдвижущемусявместестарельюклапанашпинделю.Воизбежаниеодностороннего усилия на шпиндель предусматривались две одинаковыесимметрично расположенные модели.

Элементы модели клапана – седло итарель – были выполнены съемными, что позволило исследовать моделиразличных конфигураций и размеров. Для устранения автоколебаний приработе весов внизу камеры был устроен масляный демпфер.Сила Fтяж, равная весу груза, при определенной высоте подъема тареликлапана определялась в момент равновесия. Коэффициент подъемной силыопределялся какFтяж + 2π ⋅ (d c ) ⋅ p24ϕ=,2π ⋅ (d )2 ⋅ pc142(1.34)где p1 - давление перед клапаном; p 2 – атмосферное давление.Проводилисьисследованияразныхконструкциймоделейпредохранительных клапанов с седлами одинакового проходного сечения38диаметромd c = 20 мм . Результаты исследования приведены на Рисунках 1.7-1.12.Рисунок 1.7.Зависимость коэффициента подъемной силы ϕ от угласкоса: 1 – от угла ϕ1 и 2 – от угла ϕ2Рисунок 1.8.х:Зависимость коэффициента подъемной силы ϕ отdc1 – диск с центральным конусом; 2 – диск без конуса39Рисунок 1.9.Рисунок 1.10.Зависимость коэффициента подъемной силы ϕ отd клхиdсdcЗависимость ϕ от ∆ d для клапана с конусным дискомc40Рисунок 1.11.Зависимость коэффициента подъемной силы ϕотРисунок 1.12.d клdcприх= 0,1...0,4 для клапана с конусным дискомdcНомограмма для определения коэффициентаподъемной силы предохранительного клапана41В.Ф.

Бугаенко в своей работе [8] также исследовал воздействие потокавоздуха на тарель малоподъемных клапанов с отношениемх≤ 0,1 .dcУсилие, действующее на тарель клапана, замерялось пружиннымдинамометром. Замеры температуры, давления и скорости движения газапроизводились перед тарелью клапана, имеющей резьбовые отверстия наравноудаленныхотцентрарасстояниях.Клапанпродувалсяпрификсированном ходе. В ходе эксперимента определялись величины давлениягаза в точках, равноудаленных от центра тарели, и сила воздействия струи натарель клапана. Эпюра давления газа вдоль радиуса позволила заключить, чтодавление на входе почти не отличается от давления в емкости и практически неменяется вдоль радиуса тарели клапана. Исходя из этого автором был сделанвывод о том, что для среднеподъемных клапанов можно приниматькоэффициентподъемнойсилыϕ =1.Дляполученияϕ >1нужнопредусматривать различные конструктивные особенности тарели клапана,такие как специальные козырьки и т.д.Исследования также показали, что значительное влияние на коэффициентподъемной силы клапана оказывает величина давления газа за тарелью клапана,поскольку при осесимметричном обтекании тарели клапана с высокимрасходом за тарелью клапана образуется зона пониженного давления.

Этоявление имеет важное значение для большерасходных предохранительных идренажных клапанов, обратных и перепускных клапанов, для которыхВописываемомэкспериментегеометрических параметров х ,проводилисьисследованиях≤ 0,1 .dcвлиянияd корп, d кл на давление за тарелью клапана p2 .dcДля этого к тарели клапана на одинаковых расстояниях от центраприсоединялись трубки с отверстиями для замера давления газа (Рисунок 1.13.).42Рисунок 1.13.Схема замера давления за тарелью клапанаС помощью резиновых шлангов трубки присоединялись к вакуумметрам.Тарельклапанафиксироваласьгайкойприразличныхзначенияхх.Полученные результаты показали, что давление p2 меньше атмосферного ивдоль радиуса тарели практически не меняется.