Диссертация (Разработка метода расчета и исследование рабочих процессов регуляторов давления с учетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент), страница 8

По конструкции проточной части регулятор прямоточный.РД поддерживает постоянным давление в ОР. На это давлениенастраивается настроечная пружина (Позиция 21, Рисунок 2.1.). Приуменьшении давления в ОР (увеличение расхода рабочей среды из ОР, в т.ч.подключение новых потребителей, утечки), клапан (Позиция 41, Рисунок 2.1.)открывается,егопроходноесечениеувеличивается,вследствиечегоувеличивается расход рабочей среды в выходную полость П2, и давлениерабочей среды в выходной полости П2 начинает возрастать.

В случаеувеличении давления на выходе клапан (Позиция 41, Рисунок 2.1.)прикрывается, его проходное сечение уменьшается, что сопровождаетсяуменьшением расхода рабочей среды в выходную полость П2 и приводит кснижению давления в выходной полости П2.57Рисунок 2.1. Конструнструктивная схема РД АРТ-85-50/161 – корпус;корп2 – опора; 3 – фильтр; 4 – толкатель;толк5,30 – трубкаимпульспульсная; 14 – дюза; 8 – прокларокладка; 10 – кольцоуплотнилотнительное; 11 – манжета; 12 – гильза;гильз 13,31 – шпилька;15,32 – гайка; 16 – опора; 17,39 – гайка накидная; 18,41 –клапанапан; 20 – мембрана; 21,28 – пружина;а 22 – гайка ходовая;23 – винтвин регулировочный; 24 – стакан; 255 –болт; 33,45 – шайба;34 – направляющая;нап35 – поршень; 36,– кольцоколь резиновое;37 – уплотнитель;упл43 – кольцо врезающеесяеесяРассмотрим эти процессыпподробнее. При снижениижении давления на выходеРД относительноо нанастроечного значения усилиее настроечнойнапружины(Позиция 21, Рисунокунок 2.1.) преодолевает усилие, действуюствующее на эффективнуюплощадь мембраныы (Позиция(По20, Рисунок 2.1.) со стороныороны выходного давления58рабочей среды.

Пружина (Позиция 21, Рисунок 2.1.) через толкатель (Позиция4, Рисунок 2.1.) жесткого центра мембраны (Позиция 20, Рисунок 2.1.)отжимает регулирующий элемент клапана (Позиция 18, Рисунок 2.1.) от седла.Расход рабочей среды из управляющей полости П3 в выходную полость П2регулятора увеличивается, а давление в управляющей полости П3 уменьшаетсяиз-за сопротивления делительной дюзы (Позиция 14, Рисунок 2.1.). При этомосновной клапан (Позиция 41, Рисунок 2.1.) регулятора открывается, иснижение давления на выходе РД прекращается.

Давление стабилизируется.При повышении давления на выходе регулятора относительногозаданного значения усилие со стороны выходного давления на эффективнуюплощадь мембраны(Позиция 20, Рисунок 2.1.) преодолевает усилиенастроечной пружины (Позиция 21, Рисунок 2.1.), тарель клапана (Позиция 18,Рисунок 2.1.) прикрывает проходное сечение. Расход рабочей среды изуправляющей полости П3 регулятора уменьшается, а давление в полости П3растет. При этом основной клапан (Позиция 41, Рисунок 2.1.) прикрывается, ирост давления на выходе из регулятора прекращается.Для устранения влияния трения в подвижных элементах регулятора настатические и динамические характеристики регулятора и неразгрузки системы«поршень – клапан» введена местная обратная связь по положению поршня(Позиция 21, Рисунок 2.1.). Местная обратная связь действует по принципупозиционера с силовой компенсацией.2.2.Разработка метода расчета и математической модели рабочихпроцессов в регуляторе давления2.2.1.

Алгоритм расчета рабочих процессов в регуляторе давленияВ работе предлагается использовать комбинированный метод расчетарабочих процессов в пневматической системе, состоящей из РД и ОР, которыйпредполагает разработку математической модели рабочих процессов во всейсистеме в приближении сосредоточенных термодинамических параметровсостояния и разработку математической модели рабочих процессов в59приближении распределенных термодинамических параметров состояниятолько в проточной части РД.Разработка математической модели рабочих процессов ведется в триэтапа.На первом этапе рабочие процессы в пневматической системе, состоящейиз РД и ОР, описываются в приближении сосредоточенных термодинамическихпараметров состояния газа.

На начальном этапе моделирования, когдакоэффициент подъемной силы неизвестен, считается, что действительнаягазовая сила равна газостатической. На этом этапе проводится отладкапрограммы, а также определение начальных условий, необходимых длярешения системы ДУ, описывающих параметры газа в проточной частиустройства в приближении распределенных термодинамических параметровсостояния газа (второй этап).На втором этапе моделирования определяется коэффициент подъемнойсилы ϕ . Для этого рабочие процессы в проточной части устройства (полостиП1,П2,Рисунок2.1.)описываютсявприближениираспределенныхтермодинамических параметров состояния газа. Только таким способом можнополучить картину распределения давлений и определить коэффициентподъемной силы ϕ , действующий на регулирующий элемент РД.На третьем этапе создания проводится интеграция: рассчитанноезначение коэффициента подъемной силы вводится в систему уравнений,описывающую рабочие процессы в пневматической системе, состоящей из РД иОР.Далее второй и третий этапы повторяются до тех пор, пока отклонениезначений коэффициента подъемной силы для всех положений клапана не будетпревышать5%.Поокончаниипроводятсячисленно-теоретическиеисследования рабочих процессов.Алгоритм расчета рабочих процессов приведен на Рисунке 2.2.60Рисунок 2.2.Алгоритм расчета рабочих процессов в РД с учетомаэродинамической составляющей нагрузки612.2.2.

Математическое моделирование рабочих процессов в приближениисосредоточенных термодинамических параметров состояния газаРасчетная областьРасчетная схема пневматической системы, состоящей из РД и ОР,представлена на Рисунке 2.3. Она представляет собой набор газовых полостейпостоянного и переменного объема, соединенных каналами постоянного ипеременного сечения.

В каждой газовой полости происходят одинаковые повсему объему физические процессы и явления, и параметры рабочей средысчитаются независимыми от координаты точки внутри рассматриваемогообъема. Подвижные элементы конструкции нагружены газовыми силами,силами упругости и силами трения. Процессы течения рабочей среды вовнутренних каналах заменены процессами истечения рабочей среды черезусловные дроссели.Рисунок 2.3.Расчетная схема регулятора давления «после себя» с учетомприсоединенных элементов пневматической системы62Основные допущенияМатематическая модель строится в предположении, что протекающие вустройстве рабочие процессы имеют квазистатический характер [30], [48], [63],[72], [76]. В реальности квазистатическое изменение состояния неосуществимо,поскольку изменение состояния системы происходит тогда, когда нарушаетсятермодинамическое равновесие. Приведенные в работе[63] результатыисследований показывают, что уже при скорости движения подвижных частейклапана0,1м/снеобходимоучитыватьнестационарностьпроцессов.Достижение скоростей >0,1 м/с возможно в процессах открытия и закрытияклапанов, т.е.

только в начальный и конечный момент времени работы РД. Всеостальное время клапан работает в режиме регулирования, и его скоростьменьше указанного предела, поэтому допущение о квазистатичности процессасчитаем допустимым и обоснованным.Следующим допущением является применение для расчетов моделиидеального газа, параметры состояния которого связаны между собойуравнением состояния идеального газа (1.9). Отличие свойств реального газа отидеального заключается главным образом в степени влияниясжимаемостигаза.

В работе [79] приведено условие, при котором коэффициент сжимаемостиможно считать равным единице:21 υ 1≈   = М 2 << 1 ,ρ0 2  с  2∆ρгде(2.1)∆ρ – изменение плотности газа под действием сил внешнего давления;ρ 0 – плотность газа при отсутствии действия сил внешнего давления; υ –скорость течения газа; c – скорость звука в газе; M – число Маха.Скорость потока воздуха в каналах расчетной системы меняется вшироких пределах, и максимальных значений достигает в проходном сеченииклапана.

В предельные моменты открытия и закрытия клапана, когда площадьпроходного сечения мала, ее величина кратковременно может достигатьскорости звука. Все остальное время, когда клапан работает в режимерегулирования, скорости газа в каналах не превышают υ = 100...150м / с .63Относительное изменение плотности не превышает значения ∆ρ / ρ 0 = 0,045...0,1 .Условие (2.1) выполняется и, следовательно, можно использовать модельидеального газа.Течение рабочей среды во внутренних полостях регулятора принимаетсяадиабатическим, одномерным, без трения. Исследования процесса истечениясжатого воздуха [85] показали, что для быстротечных процессов такоедопущение приводит к погрешности менее 5%.Также при разработке модели учитывался только внутренний теплообменмежду рабочим телом и ограничивающими стенками емкостей, причемтемператураконструкциирегуляторасчиталасьнеизменнойиравнойтемпературе окружающей среды в течение всего процесса.Система уравнений и условия однозначностиДля расчетной схемы, приведенной на Рисунке 2.3.

и состоящей из 6-игазовыхемкостейдросселями,(полостей),изменениесоединенныхпараметровмеждусостояниясобойгазаусловнымиописываетсянижеприведенными уравнениями.Изменение давления в полостях пневматической системы с учетомпринятых допущений:dp1 k dV = ⋅  R(TвхGвх − T1G12 − T1G13 ) − p1 1  ;dt V1 dt dp2k=dt V2dV ⋅  R(T1G12 + T4G42 + T5G52 − T2G26 − T2G24 ) − p2 2  ;dt dp3 k dV = ⋅  R(T1G13 − T3G35 ) − p3 3  ;dt V3 dt dp4 k dV = ⋅  R(T2G24 − T4G42 ) − p4 4  ;dt V4 dt dp5 k dV = ⋅  R (T3G35 − T5G52 ) − p5 5  ;dt V5 dt dp6 k dV = ⋅  R(T2G26 − T6Gвых ) − p6 6  .dt V6 dt (2.2)64Изменение температуры в полостях пневматической системы с учетомпринятых допущений:dT1T  dpdV= 1 ⋅ V1 1 + p1 1 − R(TвхGвх − T1G12 − T1G13 ) ;dtp1V1  dtdtdT2T= 2dtp2V2dV dp2+ p2 2 −V2⋅  dtdt; − R(T G + T G + T G − T G − T G )1 124 425 522 262 24 dT3T  dpdV= 3 ⋅ V3 3 + p3 3 − R(T1G13 − T3G35 ) ;dtp3V3  dtdt(2.3)dT4T  dpdV= 4 ⋅ V4 4 + p4 4 − R(T2G24 − T4G42 ) ;dtp4V4  dtdtdT5T  dpdV= 5 ⋅ V5 5 + p5 5 − R(T3G35 − T5G52 ) ;dtp5V5  dtdtdT6T= 6dtp6V6dV dp⋅ V6 6 + p6 6 − R (T2G26 − T6Gвых ) .dt dtУравнения движения подвижных частей РД:mоснdυ п.ч.