В последнее время возрос интерес к запорно-регулирующим устройствам типа поворотная заслонка. Данный регулирующий орган в общем случае представляет собой диск, устанавливаемый в проточной части гидро- или пневмосистемы, имеющий возможность поворота вокруг оси, перпендикулярной оси трубопровода (рисунок 1, рисунок 2).
Рисунок 1 – Центрическая поворотная заслонка
Рисунок 2 – Эксцентрическая поворотная заслонка
e1 – первый эксцентриситет
e2 – второй эксцентриситет
e3 – третий эксцентриситет
Поворотная заслонка имеет широкую область применения благодаря ряду преимуществ:
- малые габариты и вес;
- возможность сочетания функций дроссельной и запорной арматуры;
- возможность применения для больших диаметров трубопроводов;
- простота конструкции, небольшое количество деталей;
- при работе в загрязненной РС отсутствие тенденции к накоплению грязи;
- возможность длительной работы без обслуживания;
- простота эксплуатации;
- простой монтаж и ремонт.
Современные технологии позволяют изготавливать поворотные заслонки с герметичными уплотнениями. Широкое применение находят эксцентриковые заслонки, в которых реализуется бесклиновая контактная посадка диска на уплотнение с обеспечением высокой степени герметичности. Течение среды в области поворотной заслонки имеет сложный нелинейный характер. Экспериментальные исследования обнаруживают существенную нелинейность расходной и моментной характеристики [1], что вызвано несимметричностью обтекания заслонки, переменным режимом течения на различных углах поворота заслонки, возникающими пульсациями давления.
При проектировании гидро- и пневмосистем с использованием поворотных заслонок, а также самих поворотных заслонок необходимо иметь методику расчета расходных и силовых характеристик. Имеющиеся в литературе методики ([2], [3], [4]) расчета основаны главным образом на экспериментальных исследованиях. Сравнение расчетных результатов с
данными экспериментов для заслонок различной формы показывает, что расчетная погрешность может достигать 25%. Следовательно, расчет с помощью таких методик ограничен определенными формами и конструкциями заслонок и может приниматься только в качестве первого приближения. На сегодняшний день регулирующие устройства на основе поворотных заслонок различных конструкций и с различными формами поворотных дисков представляют широкий класс трубопроводной арматуры. Поэтому для расчета таких устройств необходима более универсальная методика.
Развитие современных методов вычислительной гидрогазодинамики открывает широкие возможности для исследования течения рабочих сред в различных гидро- и пневмоустройствах. Цель данной работы: анализ течения рабочей среды в полости поворотной заслонки с использованием численных методов и сравнение полученных результатов с результатами расчетов по методике [3].
Описание математической модели.
Для исследования процессов решается задача трехмерного моделирования течения рабочей среды в пакете через проточную полость поворотной заслонки. При решении приняты следующие допущения:
1. Режим течения рабочей среды – турбулентный.
2. Течение стационарное установившееся.
3. Обмена тепловой энергией газа со стенками нет, и газ не совершает механическую работу – процесс течения адиабатический.
4. Рабочая среда – идеальный газ.
5. Рабочую среду можно рассматривать как ньютоновскую жидкость.
Рисунок 3 – Расчетная область
Расчетная область представляет собой область течения РС в трубопроводе, в котором установлена поворотная заслонка. Для получения профиля скоростей, соответствующего течению в трубе, задавалась длина начального участка трубопровода l1 = 3d. При течении РС через полость с поворотной заслонкой имеет место срыв потока с кромок заслонки с образованием обширной вихревой области за заслонкой. Для полноценного учета влияния вихреобразования на параметры течения длина трубопровода за заслонкой выбрана равной l2 = 5d. Расчеты проводились для течений газа через заслонку с углами поворота φ от 20° до 90° с шагом в 10° (угол φ = 0 соответствует закрытому положению).
В качестве расчетного комплекса выбран пакет Star CCM+. Для решения поставленной задачи с учетом вышеописанных допущений применяются следующие зависимости:
Уравнение неразрывности потока РС:
,
где U – вектор абсолютной скорости движения газа в данной точке.
Уравнение состояния идеального газа:
,
где объемная плотность газа,
R – газовая постоянная,
T – температура газа.
.
Для замыкания математической модели течения газа используется SST-модель турбулентности Ментера. При построении сетки учитывается характер течения вблизи заслонки и за ней. Для углов поворота заслонки от 0° до 20° создается сетка с одинаковым размером ячейки по всей расчетной области. Для углов поворота > 20° имеет место существенное возрастание скорости потока вблизи заслонки и интенсивное вихреобразование. Поэтому для таких углов поворота строится специальная сетка с уменьшенным размером ячейки в области, показанной на рисунке 2.
Рисунок 4 – Расчетная сетка при φ = 500
А – область с размером ячейки 3 мм
В – область с размером ячейки 1,5 мм
Принимаемые при расчете граничные условия описаны ниже:
На данном этапе исследований применяется заслонка плоской формы. В дальнейшем при подтверждении правомочности использования описанной математической модели будут проведены расчеты для профилированных заслонок. В результате расчетов были получены поля распределений скоростей и давлений в области течения рабочей среды, коэффициенты гидравлического сопротивления. Графики зависимости коэффициента сопротивления от угла поворота заслонки приведены на рисунке 3 и рисунке 4, где кривая 1 – расчетные значения, а кривая 2 – значения, полученные из справочника гидравлических сопротивлений [1].
Рисунок 5 – Коэффициент гидравлического сопротивления
1 – расчетный
2 – справочный
Рисунок 6 – Коэффициент гидравлического сопротивления
1 – расчетный
2 – справочный
На рисунке 5 показан график относительного отклонения полученных значений от справочных данных. Величина относительного отклонения θ определялась как .
Рисунок 7
Анализируя полученные результаты можно сделать следующие выводы:
Разработана математическая модель течения рабочей среды – газа – в полости поворотной заслонки запорно-регулирующего устройства. Получены значения коэффициентов гидравлического сопротивления заслонки ζ, а также распределения скоростей и давлений. Значения ζ удовлетворительно согласуются со значениями, рассчитанными по [3], в диапазоне углов поворота заслонки 300...500. Вне данного диапазона получено расхождение более существенное, что может быть вызвано применением упрощенной конструкции исследуемого объекта.
Для получения более достоверных результатов, по которым можно судить о применимости разработанной математической модели, необходимо провести совместное расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование поворотной заслонки на различных режимах работы с последующей обработкой и сравнением полученных результатов.
Список литературы:
1. Зарянкин А. Е., Парамонов А. Н., Кондрашев А. В. Результаты модельных исследований блока поворотных заслонок низкого давления паровых турбин атомных электростанций. М.: Машиностроение, 2014.
2. Гуревич Д. Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры. М.: ЛКИ, 2008.
3. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1992.
4 Прудников С. Н., Чернышев Ю. В. Исполнительные устройства систем автоматического регулирования компрессорных и вакуумных машин // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2015.
5. Гришин Ю. А., Буданов Р. Е. Численное исследование течения через дроссельные заслонки поршневых двигателей. // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2015.
Москва, июнь 2017 года