Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общее состояние вопроса исследования рабочих процессов в регуляторах давления 14
1.1. Общие сведения о регуляторах давления 14
1.1.1. Определение и классификация регуляторов давления 14
1.1.2. Основные характеристики и требования к регуляторам давления 17
1.1.3. Выводы об основных характеристиках и требованиях к регуляторам давления 27
1.2. Теоретические и экспериментальные исследования рабочих процессов в регуляторах давления 28
1.2.1. Усилия, действующие на регулирующий элемент регулятора давления. Коэффициент подъемной силы 28
1.2.2. Экспериментальные исследования параметров потока газа в проточной части устройства 32
1.2.3. Экспериментальные исследования нагрузки на регулирующий элемент регулятора давления 37
1.2.4. Численные методы исследования термодинамических параметров состояния газа 45
1.3. Выводы по Главе 1 52
1.4. Постановка задач 53
Глава 2. Разработка математической модели рабочих процессов в регуляторе давления с учетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент 56
2.1. Устройство и принцип работы регулятора давления
2.2. Разработка метода расчета и математической модели рабочих процессов в регуляторе давления 58
2.2.1. Алгоритм расчета рабочих процессов в регуляторе давления 58
2.2.2. Математическое моделирование рабочих процессов в приближении сосредоточенных термодинамических параметров
состояния газа 61
2.2.3. Математическое моделирование рабочих процессов в проточной части регулятора давления в приближении распределенных термодинамических параметров состояния газа 69
2.2.4. Определение коэффициента подъемной силы. Уточнение модели учетом аэродинамической составляющей нагрузки 77
2.3. Выводы по Главе 2 77
Глава 3. Расчетно-теоретические исследования рабочих процессов в регуляторе давления 78
3.1. Исходные данные, начальные и конечные условия 78
3.2. Порядок проведения исследования. Исследование коэффициента подъемной силы 81
3.3. Результаты исследований
3.3.1. Исследование влияния силы трения на рабочие процессы в регуляторе давления 90
3.3.2. Исследование влияния изменения расхода потребителя на рабочие процессы в регуляторе давления 93
3.3.3. Исследование влияния диаметра делительной дюзы на рабочие процессы в регуляторе давления 95
3.3.4. Исследование влияния объема объекта регулирования на рабочие процессы в регуляторе давления 96
3.4. Выводы по Главе 3 98 Стр.
Глава 4. Экспериментальное исследование динамических рабочих процессов в регуляторе давления 99
4.1. Экспериментальный стенд 99
4.2. Методика проведения эксперимента 102
4.3. Обработка результатов экспериментальных исследований. Оценка погрешности эксперимента 103
4.4. Сравнение результатов эксперимента с результатами расчетно-теоретических исследований 106
4.5. Выводы по Главе 4 108
Основные результаты и выводы 110
Литература 113
- Усилия, действующие на регулирующий элемент регулятора давления. Коэффициент подъемной силы
- Разработка метода расчета и математической модели рабочих процессов в регуляторе давления
- Порядок проведения исследования. Исследование коэффициента подъемной силы
- Сравнение результатов эксперимента с результатами расчетно-теоретических исследований
Введение к работе
Актуальность исследования
Регуляторы давления (РД) являются разновидностью трубопроводной арматуры (ТА) и представляют собой устройства, предназначенные для поддержания давления рабочей среды в объекте регулирования (ОР) в заданном диапазоне значений. Принцип работы РД основан на изменении расхода рабочей среды в дроссельном сечении, образуемом между седлом и регулирующим элементом РД. Регулирующий элемент часто выполняют в форме тарели клапана.
РД широко используются в различных пневмогидравлических системах (ПГС). Надежность ПГС во многом определяется надежностью установленной в ней ТА. Важным фактором, влияющим на надежность работы РД, является скорость посадки тарели клапана на седло. Высокие скорости приводят к большим ударным нагрузкам и, как следствие, к разрушению материала уплотнения и выходу из строя оборудования. Кроме того, РД вместе с ОР представляют собой замкнутую систему автоматического регулирования, и при изменении расхода рабочей среды из ОР (входной параметр) происходит изменение давления рабочей среды (выходной параметр). При этом система переходит в новое состояние, которое для нормального функционирования системы должно быть устойчивым. Переходный процесс может быть плавным, а может сопровождаться колебаниями. Все это приводит к повышенным вибрациям и шуму, что может явиться причиной поломки или даже разрушения оборудования и выходу из строя всей ПГС.
Для предупреждения возникновения подобных явлений при разработке новых РД всегда проводят предварительные расчеты, которые включают в себя силовые расчеты, позволяющие определить действующие на тарель клапана силы и подобрать силовые элементы конструкции (пружины, привод), и расчеты статических и динамических характеристик, позволяющие оценить точность и устойчивость работы устройства.
Тем не менее, известны случаи, когда успешно работающий в одних условиях РД под воздействием каких-либо факторов выходит на нерасчетный режим. Для выявления и устранения этих факторов проводятся экспериментальные исследования работы устройств в лабораторных условиях на моделях. Однако, не всегда удается получить нужный результат, поскольку проведение эксперимента всегда трудоемко и требует больших затрат времени и ресурсов. Для упрощения этого процесса и предварительной оценки степени влияния различных факторов на работу РД более простым решением может оказаться численное моделирование рабочих процессов РД, которое позволило бы в более короткие сроки и с меньшими затратами воспроизвести работу устройства и оценить влияние на нее различных факторов.
Разработка математических моделей рабочих процессов в РД и проведение предварительных расчетно-теоретических исследований являются важными этапами проектирования и наладки РД.
Однако сложность протекающих в РД процессов вызывает трудности при разработке таких математических моделей. Главным образом они заключаются
в определении газовых сил, действующих на регулирующий элемент (тарель клапана) РД со стороны рабочей среды. Дело в том, что давление по тарели клапана распределяется неравномерно, что обуславливается наличием аэродинамической составляющей газовой силы. Кроме того, картина распределения давлений в проточной части РД меняется по мере изменения высоты подъема клапана. В технической литературе отличие действительной газовой силы от газостатической учитывается коэффициентом подъемной силы ^, значение которого принимают по экспериментальным данным. Величина коэффициента зависит от большого числа факторов, в том числе от формы регулирующего элемента и величины действующего на него перепада давлений, и меняется в широком диапазоне значений, поэтому в случае разработки новых устройств накопленной базы данных бывает недостаточно, а проведение новых экспериментов связано с дополнительными затратами.
В настоящее время уровень развития компьютерной техники позволяет решить эту проблему путем математического моделирования рабочих процессов в проточной части РД и проведения расчетно-теоретических исследований, направленных на определение коэффициента подъемной силы. Кроме того, актуальной задачей является создание и обоснование методов расчета и математических моделей рабочих процессов во всем устройстве, учитывающих наличие аэродинамической составляющей нагрузки и связанного с ней распределения давления по тарели клапана, которые необходимы для проведения предварительных расчетов РД.
Объектом исследования является регулятор давления «после себя» с тарельчатым клапаном.
Предметом исследования являются рабочие процессы, протекающие в полостях РД и определяющие его технические и эксплуатационные характеристики.
Целью работы является:
Разработка метода расчета и математической модели рабочих процессов в РД с учетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент для проведения предварительных расчетов при разработке и усовершенствовании конструкций РД.
Задачи исследования:
-
Разработка метода расчета и математической модели рабочих процессов в РД с учетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент, позволяющих определить изменение распределения давлений и скоростей газа в полостях РД и скоростей подвижных элементов конструкции во времени.
-
Проведение расчетно-теоретических исследований рабочих процессов в РД.
-
Разработка методики и проведение экспериментальных исследований для проверки адекватности математической модели рабочих процессов в РД.
4. Внедрение результатов работы в практику проектирования и наладки
РД. Научная новизна
-
Впервые в приложении к РД созданы метод расчета и математическая модель рабочих процессов с учетом распределенной аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент.
-
При помощи созданных метода расчета и математической модели рабочих процессов в РД впервые получены результаты расчетно-теоретических исследований рабочих процессов в РД: распределение давления в проточной полости устройства; влияние силы трения, изменения расхода потребителя, диаметра делительной дюзы, объема ОР на рабочие процессы в РД.
-
Предложенный в работе метод расчета позволяет провести детальный анализ рабочих процессов в РД в переходном режиме, что практически невозможно осуществить при использовании экспериментальных методов исследования.
-
Разработана методика и проведены экспериментальные исследования рабочих процессов в РД, подтвердившие адекватность разработанной математической модели рабочих процессов в РД.
Практическая ценность
-
Создан метод расчета и математическая модель рабочих процессов в РД, позволяющие повысить эффективность проектирования подобных устройств, а также сократить сроки их разработки за счет возможности внесения изменений в конструктивную схему устройства на этапах разработки.
-
Результаты работы использованы при выполнении НИР «Создание научной базы разработки вакуумного и пневмоэлектромеханическо-го оборудования с применением методов быстрого прототипирова-ния» (Шифр ГБЗЗОІсп) в МГТУ им. Баумана, Москва.
-
Результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования и исследования рабочих процессов в РД в ЗАО НПО «Ар-кон», г. Москва, а также использованы при проведении исследовательских работ в ОАО «РКК «Энергия», г. Королев (договор №07/01-13), и внедрены в учебный процесс МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, что подтверждено актами о внедрении.
Достоверность полученных данных подтверждена совпадением полученных в работе результатов с приведенными в научно-технической литературе данными по результатам испытаний, направленных на исследование рабочих процессов в конкретных устройствах.
Положения, выносимые на защиту
Метод расчета и математическая модель рабочих процессов в РД. Результаты численно-теоретических и экспериментальных исследований рабочих процессов в РД.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях:
-
Четвертая Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011;
-
Вторая научно-техническая конференция аспирантов, магистрантов, студентов, творческой молодежи профильных предприятий и организаций, учащихся старших классов, посвященной 70-летию ОмГТУ. Омск, ОмГТУ, 2012;
-
Пятая Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012;
-
Международная конференция «Проблемы внедрения перспективных разработок и инноваций в арматуростроении», проводимая в рамках 13-й международной выставки PVCEXPO «Насосы. Компрессоры. Арматура. Приводы и двигатели». Москва, МВЦ «Крокус Экспо», 2014;
-
Арматуростроительный форум Valve Industry Foram&Expo. Москва, ВДНХ, 2015.
Личный вклад автора заключается в разработке метода расчета и математической модели рабочих процессов в РД с учетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент, проведении расчетно-теоретических исследований, а также разработке методики проведения эксперимента и проведении экспериментальных исследований.
Публикации
По результатам проведенных исследований опубликовано 7 научных работ, из них 3 работы в журналах, включенных в Перечень ВАК РФ, общим объемом 5 п. л.
Структура и объем диссертации
Усилия, действующие на регулирующий элемент регулятора давления. Коэффициент подъемной силы
Регулятор давления является разновидностью регулирующей арматуры. Это устройство, управляемое автоматическим воздействием рабочей среды на регулирующий или чувствительный элемент, и предназначенное для поддержания давления рабочей среды (жидкости или газа) в заданном диапазоне, либо его изменения по заданной программе в различных объектах регулирования (ОР) для осуществления технологических и производственных процессов [17].
Работа РД невозможна без ОР, который представляет собой емкость постоянной или переменной вместимости, связанную с РД. Любой РД имеет в своем составе следующие звенья [17], [31], [51], [83]: - измерительное устройство, состоящее из задающего устройства и чувствительного элемента; - исполнительный механизм, включающий в себя регулирующий элемент и привод. Кроме того в состав РД могут входить различные вспомогательные устройства, служащие для улучшения рабочих характеристик РД.
В качестве регулирующего элемента в РД применяют конструктивно выполненные в форме клапанов устройства различных конфигураций: плоские, конусные, шаровые, специального профиля [4], [53], [55], [80], [81]. Широкое распространение получили тарельчатые клапаны из-за своей простоты и надежности. Могут использоваться клапаны прямого хода (направление движения рабочей среды совпадает с направлением открытия клапана) и обратного хода. По степени разгрузки клапаны подразделяют на частично разгруженные, полностью разгруженные и неразгруженные. Конструктивно разгрузка в основном осуществляется с помощью сильфонов, поршней, мембран.
В качестве чувствительного элемента чаще всего используют сильфоны и мембраны. Сильфоны более просты в использовании, поскольку имеют линейную зависимость деформации от нагрузки и располагают большим ходом, а их эффективная площадь не зависит от давления. Иногда (при высоких значениях выходных давлений РД) в качестве чувствительных элементов применяют также поршневые устройства и трубки Бурдона.
Задающим устройством в большинстве конструкций служит пружина. Задающий элемент может быть регулируемым и нерегулируемым.
В качестве вспомогательных устройств для ограничения выходного давления в РД применяют предохранительные и перепускные клапаны. Для улучшения динамических характеристик РД применяют различные демпфирующие устройства.
В ряде случаев при наличии специальных требований в состав РД могут входить звенья, уменьшающие влияние изменения температуры газа или окружающей среды или уменьшающие влияние жесткости упругих элементов конструкции; элементы для защиты РД от скачкообразного увеличения давления на входе (автодроссели) и др.
Регулирование осуществляется следующим образом. При изменении входных параметров происходит изменение выходного параметра, сигнал об этом изменении поступает на чувствительный элемент, на который также подается сигнал с задающего устройства. На чувствительном элементе происходит сравнение поступающих сигналов, в результате чего вырабатывается новый сигнал, который посредством привода передается регулирующему элементу. Регулирующий элемент осуществляет работу по изменению входных параметров, что приводит к выравниванию выходного параметра.
В работе [36] авторы Б.В. Кармугин, В.Л. Кисель, А. Г. Лазебник предлагают классификацию РД по следующим признакам: 1. По месту расположения РД относительно ОР регуляторы делятся на РД «до себя» (устанавливаются на магистрали выхода из ОР и поддерживают в нем давление путем сброса части рабочей среды или дросселирования) и РД «после себя» (устанавливаются на магистрали подачи в ОР). В дальнейшем в работе будут рассматриваться РД «после себя».
2. По типу рабочей среды РД делятся на газовые и жидкостные. Отличие заключается, в основном, в процессе истечения через сечение дросселя регулятора. В дальнейшем в работе будут рассматриваться газовые РД, и все зависимости будут записаны в предположении, что рабочее тело - воздух.
3. РД могут быть прямого и непрямого действия. В РД прямого действия сигнал с чувствительно элемента поступает непосредственно на регулирующий элемент, а чувствительный элемент с задающим устройством выполняют функции как измерительного, так и приводного устройства. РД прямого действия относятся к классу статических, то есть величина выходного давления зависит от режима работы (изменения входного давления и расхода рабочей среды из объекта регулирования). РД непрямого действия имеют в своем составе вспомогательное устройство - импульсный механизм, осуществляющий перемещение регулирующего элемента в соответствии с управляющим сигналом, который поступает от внешнего источника энергии. РД непрямого действия имеют более высокую точность регулирования, а также с их помощью можно осуществлять программное регулирование.
4. Регулирование может осуществляться плавно (вручную или от электромагнитного привода) или ступенчато (с помощью электромагнитного, электромоторного или пневматического устройства).
5. По структурным схемам РД делятся на одноконтурные и двухконтурные. Одноконтурные имеют в своем составе два звена (измерительное и исполнительное), связанные через ОР в замкнутую систему. Двухконтурные РД представляют собой различные комбинации из двух одноконтурных регуляторов. Так, при последовательном соединении двух одноконтурных РД устройство носит название двухступенчатого регулятора и используется при высоком входном давлении, когда одноконтурный регулятор не может обеспечить достаточную точность регулирования. Параллельное соединение используется при больших расходах рабочей среды, и полученный таким образом двухконтурный РД называют регулятором с задатчиком. 6. Кроме двухконтурных систем регулирования одного параметра, существуют системы одновременного регулирования двух параметров. Такие системы делят на два типа: с детекторной связью контуров и со связью измерительных устройств (системы многосвязного регулирования). В детекторных системах один из контуров функционирует независимо от другого, а связь осуществляется путем использования в качестве задающего элемента для второго контура выходного давления из ОР первого. Характерным для регуляторов многосвязного регулирования, в отличии от систем с детекторной связью, является взаимовлияние функционирования контуров в обоих направлениях.
Разработка метода расчета и математической модели рабочих процессов в регуляторе давления
Разработка математической модели рабочих процессов ведется на примере РД АРТ-85-50/16, серийно выпускаемого НПО «Аркон». Конструкция РД полностью унифицирована, и он может использоваться как в качестве РД «до себя», так и в качестве РД «после себя»; в качестве рабочей среды может использоваться вода, теплоноситель тепловых сетей, воздух, инертные газы. Конструктивная схема РД приведена на Рисунке 2.1. Рабочей средой является воздух. Устройство представляет собой РД непрямого действия. По конструктивному исполнению это устройство с тарельчатым клапаном прямого хода, с чувствительным элементом - мембраной, с задающим элементом -пружиной. По конструкции проточной части регулятор прямоточный.
РД поддерживает постоянным давление в ОР. На это давление настраивается настроечная пружина (Позиция 21, Рисунок 2.1.). При уменьшении давления в ОР (увеличение расхода рабочей среды из ОР, в т.ч. подключение новых потребителей, утечки), клапан (Позиция 41, Рисунок 2.1.) открывается, его проходное сечение увеличивается, вследствие чего увеличивается расход рабочей среды в выходную полость П2, и давление рабочей среды в выходной полости П2 начинает возрастать. В случае увеличении давления на выходе клапан (Позиция 41, Рисунок 2.1.) прикрывается, его проходное сечение уменьшается, что сопровождается уменьшением расхода рабочей среды в выходную полость П2 и приводит к снижению давления в выходной полости П2.
Рассмотрим эти процессы подробнее. При снижении давления на выходе РД относительно настроечного значения усилие настроечной пружины (Позиция 21, Рисунок 2.1.) преодолевает усилие, действующее на эффективную площадь мембраны (Позиция 20, Рисунок 2.1.) со стороны выходного давления рабочей среды. Пружина (Позиция 21, Рисунок 2.1.) через толкатель (Позиция 4, 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 ПЗ в выходную полость П2 регулятора увеличивается, а давление в управляющей полости ПЗ уменьшается из-за сопротивления делительной дюзы (Позиция 14, Рисунок 2.1.). При этом основной клапан (Позиция 41, Рисунок 2.1.) регулятора открывается, и снижение давления на выходе РД прекращается. Давление стабилизируется.
При повышении давления на выходе регулятора относительного заданного значения усилие со стороны выходного давления на эффективную площадь мембраны (Позиция 20, Рисунок 2.1.) преодолевает усилие настроечной пружины (Позиция 21, Рисунок 2.1.), тарель клапана (Позиция 18, Рисунок 2.1.) прикрывает проходное сечение. Расход рабочей среды из управляющей полости ПЗ регулятора уменьшается, а давление в полости ПЗ растет. При этом основной клапан (Позиция 41, Рисунок 2.1.) прикрывается, и рост давления на выходе из регулятора прекращается.
Для устранения влияния трения в подвижных элементах регулятора на статические 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 принципу позиционера с силовой компенсацией.
В работе предлагается использовать комбинированный метод расчета рабочих процессов в пневматической системе, состоящей из РД и ОР, который предполагает разработку математической модели рабочих процессов во всей системе в приближении сосредоточенных термодинамических параметров состояния и разработку математической модели рабочих процессов в приближении распределенных термодинамических параметров состояния только в проточной части РД.
Разработка математической модели рабочих процессов ведется в три этапа.
На первом этапе рабочие процессы в пневматической системе, состоящей из РД и ОР, описываются в приближении сосредоточенных термодинамических параметров состояния газа. На начальном этапе моделирования, когда коэффициент подъемной силы неизвестен, считается, что действительная газовая сила равна газостатической. На этом этапе проводится отладка программы, а также определение начальных условий, необходимых для решения системы ДУ, описывающих параметры газа в проточной части устройства в приближении распределенных термодинамических параметров состояния газа (второй этап).
На втором этапе моделирования определяется коэффициент подъемной силы р. Для этого рабочие процессы в проточной части устройства (полости ПІ, П2, Рисунок 2.1.) описываются в приближении распределенных термодинамических параметров состояния газа. Только таким способом можно получить картину распределения давлений и определить коэффициент подъемной силы (р, действующий на регулирующий элемент РД.
На третьем этапе создания проводится интеграция: рассчитанное значение коэффициента подъемной силы вводится в систему уравнений, описывающую рабочие процессы в пневматической системе, состоящей из РД и ОР.
Далее второй и третий этапы повторяются до тех пор, пока отклонение значений коэффициента подъемной силы для всех положений клапана не будет превышать 5% По окончании проводятся численно-теоретические исследования рабочих процессов.
Алгоритм расчета рабочих процессов приведен на Рисунке 2.2. Запись системы ОЕЧ.описыващих рабочие процессы 6 пневматической системе 6 приближении сосредаточеных термодинамических параметров состояния газа дез учета коэффициента подъемной силы. этап
Расчетная схема пневматической системы, состоящей из РД и ОР, представлена на Рисунке 2.3. Она представляет собой набор газовых полостей постоянного и переменного объема, соединенных каналами постоянного и переменного сечения. В каждой газовой полости происходят одинаковые по всему объему физические процессы и явления, и параметры рабочей среды считаются независимыми от координаты точки внутри рассматриваемого объема. Подвижные элементы конструкции нагружены газовыми силами, силами упругости и силами трения. Процессы течения рабочей среды во внутренних каналах заменены процессами истечения рабочей среды через условные дроссели.
Порядок проведения исследования. Исследование коэффициента подъемной силы
Расчет проводится в соответствии с разработанными методом и алгоритмом расчета, приведенными в Главе 2, на примере РД АРТ-85-50/16 с делительной дюзой dj3=l,2 мм, конструктивная схема которого приведена на Рисунке 2.1.
На начальном этапе математическая модель рабочих процессов строится в приближении сосредоточенных термодинамических параметров состояния без учета коэффициента подъемной силы. Расчетная схема приведена на Рисунке 3.1. Для построения математической модели рабочих процессов записывается система ОДУ, определяющая изменение давлений (2.2) и температур (2.3) в полостях РД в зависимости от времени, а также скоростей и перемещений основного (Позиция 18, Рисунок 2.1.) и импульсного (Позиция 41, Рисунок 2.1.) клапанов (2.4). Для определения всех входящих в уравнения (2.2)...(2.4) величин записываются уравнения изменения дроссельных сечений каналов пневматической системы, расходов через условные дроссели (2.5) объемов полостей (2.6). Уравнения движения клапанов дополняются уравнениями, определяющими силы трения (2.7)...(2.9) и силы упругости пружин (2.10).
Составленная таким образом система уравнений дополняется начальными условиями и условиями окончания счета и решается методам Эйлера, алгоритм которого также изложен в Главе 2 (2.11).
Начальные условия записываются следующим образом. В начальный момент времени при t = 0 основной клапан (Позиция 18, Рисунок 2.1.) закрыт хосн = 0, а импульсный (Позиция 41, Рисунок 2.1.) полностью открыт химп = х" с, т.к. жесткость настроечной пружины (Позиция 21, Рисунок 2.1.) много больше жесткости демпфирующей пружины (Позиция 28, Рисунок 2.1). В этом положении начальное сжатие демпфирующей пружины составляет 29,4 мм. Сжатие настроечной пружины определяет величину рабочего давления РД в полости П2.
Начальные объемы полостей системы V10..y60 назначаются в соответствии с Рисунком З.1., их значения приведены в Таблице 3.1. Давление во всех емкостях, кроме входной, равно атмосферному Рі_о=Р2_о=Рз_о=Р4_о=Р5_о=Рб_о=Ратм = ШПа- Давление во входной полости рвх = 0,4МПа . Температуры во всех емкостях одинаковы и равны температуре окружающей среды Г„ =Г10 =Г20 =Г30 =Г40 =Г50 =Г60 =300ЛГ. Условием окончания счета является время tK = 60с. Время определено опытным путем из условия гарантированного наступления установившегося режима.
На первом этапе осуществляется расчет при помощи модели рабочих процессов в РД без учета коэффициента подъемной силы р, поскольку его величина неизвестна. Результаты первого этапа расчета представлены на Рисунке 3.2. в виде графиков изменения давлений в проточной части (ПІ, 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 момент времени, и какой высоте подъема основного клапана они соответствуют. 5x10
Далее необходимо определить значение коэффициента подъемной силы (р. Для этой цели динамические рабочие процессы в проточной части РД моделируются в приближении распределенных термодинамических параметров состояния. Расчетная область в общем виде приведена на Рисунке 2.6. Рабочие процессы в проточной части РД описываются системой уравнений (2.13) -(2.16). Процессы на границе твердого тела (клапана, корпуса РД) и газа описываются уравнением (2.18). В качестве начальных условий задаются распределения давлений в плоскостях Snoel, Snoel (Рисунок 2.6.) на входе и выходе из РД соответственно. При этом считается, что давление рх распределено по плоскости Snoel равномерно, и давление р2 распределено по плоскости Snoe2 равномерно, то есть величина давления не зависит от координаты точки на плоскости. Задача решается методом контрольных объемов, подробное описание которого приведено в Главе 2. Остановка расчета осуществляется по прохождении 800 итераций. Количество итераций определено опытным путем из условия неизменности качественной картины распределения давлений по тарели клапана, а также их количественных значений.
Как известно из [8], [38], [63] и др. величина коэффициента подъемной силы Ф зависит от большого количества факторов и изменяется по мере изменения высоты подъема клапана. Чтобы учесть эти изменения, расчеты рабочих процессов на данном этапе проводятся для различных значений высот подъема основного клапана. Начальные условия для решения этой задачи определяются в соответствии с расчетом, проведенном на начальном этапе без учета коэффициента подъемной силы Ф. Расчет рабочих процессов в приближении распределенных термодинамических параметров состояния не проводится для начального периода мгновенного открытия клапана, поскольку допущение о квазистатичности процесса в этом случае недопустимо.
Для РД АРТ-85-50/16 с дюзой 1,2 мм расчеты рабочих процессов в проточной части РД проводятся в диапазоне высот подъема основного клапана хосн=3...5 мм с шагом 0,5 мм. Для каждой рассматриваемой точки строится 3-D модель проточной части РД и расчетная сетка, а также задаются начальные условия. Начальные условия для расчета рабочих процессов в проточной части РД в приближении распределенных термодинамических параметров состояния для каждой точки определяются по графикам, приведенным на Рисунке 3.2. В качестве примера на Рисунке 3.2. отмечены точки, соответствующие хосн=5 мм. В этом случае давление в полости Ш РД составит р1 = 3,87 х 105 Яа, а в полости П2РД- 2 =1,97хЮ5Яа.
Сравнение результатов эксперимента с результатами расчетно-теоретических исследований
Визуально по шкале мановакуумметра МВ2 и по графику изменения давления в полости регулятора П2 (Рисунок 4.1.), полученного с датчика давления ДД2 (Рисунок 4.1.) и выведенного на монитор ПК, отслеживают динамический процесс изменения давления в выходной полости регулятора П2 (Рисунок 4.1.). Далее по полученному графику р2 =p2(t) определяют длительность переходного процесса. Длительностью переходного процесса считается время с момента оказания на систему внешнего возмущающего воздействия (открытие дросселя) до достижения установившегося значения давления в полости П2 (Рисунок 4.1.) во временной области.
После проведения эксперимента вентили перекрывают, все приборы обесточивают. При необходимости эксперимент повторяют в такой же последовательности. 4.3. Обработка результатов экспериментальных исследований. Оценка погрешности эксперимента Результаты экспериментальных исследований всегда заключают в себе неточность, вызываемую ошибками и допущениями, которые имеют место при проведении эксперимента.
Случайная погрешность представляет собой составляющую погрешности измерения, которая изменяется случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Для уменьшения влияния этой погрешности измерения выполняют многократно с последующей статистической обработкой полученных результатов.
Общепринятой универсальной мерой погрешности измеренной величины х является среднеквадратическая погрешность G , которая обладает следующими свойствами: уменьшением ошибки среднего значения результатов при увеличении числа измерений и возможностью сложения ошибок, обусловленных различными причинами [18], [49], [57], [67].
В нашем случае результатом косвенного измерения является длительность переходных процессов, определяемая замеренным по графику Pi-Pi\t) с помощью линейки расстоянием Xi, с учетом масштабного коэффициента м по формуле: ti=kM-xt. (4.4) Погрешность среднего, определяемая из малого числа измерений (п « 2 ... 10), определяется по нижеприведенной методике.
Средневадратическая погрешность результата косвенного измерения длительности переходных процессов, усредненная по серии из п испытаний определяется по формуле: г=-Т- (4.5) В настоящей работе значение вероятности попадания истинного значения измеренной величины в доверительный интервал (доверительная вероятность) выбирается равной 0,95. При определении длительности переходных процессов проводилась серия из пяти однотипных испытаний. Число степеней свободы, значение которого на единицу меньше числа проведенных измерений, равно четырем. В данном случае коэффициент Стьюдента, зависящий от величины t =2 571 доверительной вероятности и числа степеней свободы, будет равен 955 [49], [57]. Тогда случайная погрешность измерений будет выражаться произведением величины среднеквадратического отклонения и безразмерного коэффициента Стьюдента:
Экспериментальный стенд и методика проведения эксперимента полностью соответствуют описанным выше. Условия проведения эксперимента полностью соответствуют расчетной модели.
Экспериментальные исследования проводятся последовательно для РД АРТ-85-50/16 с разными делительными дюзами. Ряд значений диаметров делительных дюз составляет: 1,2 мм; 1,5 мм; 1,7 мм. В каждом случае значения давлений в выходной полости П2 (Рисунок 4.1.), на которые настраивают РД, последовательно принимаются 0,2МПа; 0,ЗМПа; 0,35МПа. Давление воздуха в ресивере (Рисунок 4.1.) во всех случаях составляет 0,4МПа.
Оценка полученных в диссертационной работе результатов проводится путем сравнения длительности переходных процессов, возникающих в выходной полости П2 (Рисунок4.1.) РД под влиянием внешних факторов, определенной расчетным и экспериментальным способами.
Результаты экспериментальных исследований и обработка полученных данных приведены в Приложении.
Из Рисунка 4.3. видно, что на участке, соответствующем перепаду давлений на тарели клапана от 0,05 МПа до 0,08 МПа, все экспериментальные кривые имеют максимум, до которого длительность переходных процессов в выходной полости П2 (Рисунок4.1.) увеличивается с ростом перепада давлений на тарели клапана, после которого - убывает. Кривые, полученные расчетным способом на моделях, носят убывающий характер во всем диапазоне значений перепада давлений на тарели клапана. Таким образом, качественное сходство характеров рассматриваемых процессов наблюдается только в области перепада давлений на тарели клапана от 0,08 МПа и выше. При этом результаты, полученные расчетным способом с учетом коэффициента подъемной силы р, гораздо ближе к экспериментальным точкам, чем рассчитанные без учета коэффициента подъемной силы. Их отклонения от экспериментальных значений не превышают 5,5% для дюзы 1,2 мм; 24,5% для дюзы 1,5 мм и 31,7% для дюзы 1,7 мм.
В диапазоне, соответствующем перепаду давлений на клапане 0,08 МПа и ниже, наблюдается расхождение экспериментальных и расчетных данных. Это можно объяснить тем, что полученные точки лежат в зоне, близкой к границе потери работоспособности регулятора. Согласно технической документации [66], минимальный перепад давлений на тарели клапана, необходимый для его работоспособности, составляет 0,06МПа. При перепаде давлений меньше этого значения усилия, действующие со стороны механических частей РД, превышают усилия со стороны газовых сил, что препятствует открытию клапана и осуществлению процесса регулирования. Расчетная модель разработана с рядом допущений и учитывает не все явления, протекающие в действительности при работе РД и влияющие на динамические рабочие процессы, поэтому результаты расчетов могут нести в себе некоторую неточность. Для учета подобных факторов необходимо проводить дополнительные исследования.
Полученные экспериментально результаты также позволяют подтвердить сделанный на основании расчетов вывод о том, что изменение диаметра делительной дюзы неоднозначно влияет на длительность переходных процессов. Существует критическое значение диаметра делительной дюзы, до которого при постоянном перепаде давлений на тарели клапана длительность переходных процессов убывает, после которого - возрастает. В данном случае это значение лежит в диапазоне 1,5-1,7 мм.