CC BY
23
Вестник Курганской ГСХА № 3, 2017 Технические науки 65
УДК 378.048.2
А. А. Ездина
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНФУЗОРА РЕГУЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КУРГАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ Т. С. МАЛЬЦЕВА», КУРГАН, РОССИЯ
А. А. Ezdina
HYDRAULIC CHARACTERISTICS OF THE CONFUSOR OF A REGULATING DEVICE
FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «KURGAN STATE AGRICULTURAL
ACADEMY BY T. S. MALTSEV», KURGAN, RUSSIA
Анна Анатольевна Ездина,
Anna Anatolevna Ezdina [email protected]
Аннотация. Для регулирования потоков проводимой среды в системах водоснабжения, транспортирования жидких кормов, навоза, удобрений и в других гидравлических системах используется трубопроводная арматура. Изложено описание конструкции и работы шлангового регулирующего устройства. Приведена схема 3D модели четвертой части проводимой среды конфузора, при полузакрытом регулирующем устройстве. Изложены результаты расчета гидравлических характеристик в конфузоре регулирующего устройства. Благодаря тому, что регулирующее устройство содержит корпус с входным и выходным патрубками, в магистральном канале которых размещён из эластичного материала шланг, взаимодействующий при закрытии с пережимными, равномерно расположенными по наружному диаметру шланга элементами, управляемыми ручным приводом (пережимные элементы установлены зеркально в полукорпусах и закреплены одним концом в перемещающихся в осевом направлении втулках, а другим - в червячном колесе привода) и решается поставленная задача повышения надёжности устройства. В полностью открытом положении, когда пережимные элементы параллельны оси полукорпусов, регулирующее устройство является полнопроходным и имеет минимальный коэффициент сопротивления. Проводимая среда соприкасается только со шлангом. Все детали проточной части защищены от проводимой среды шлангом из эластичного материала. Числа Рейнольдса изменяются по длине конфузора от 101900 до 282300, что соответствует режиму турбулентной автомодельности.
Введение. В сельском хозяйстве важную роль играют системы водоснабжения, раздачи жидких кормов, удаления жидкого навоза, внесения жидких удобрений и другие гидравлические системы, обеспечивающие максимальное сокращение затрат ручного труда и улучшающие условия работы обслуживающего персонала [1-3].
Например, кормораздающие механизмы должны отвечать следующим основным требованиям: обеспечивать равномерность и точность раздачи кормов, хорошо промываться и не допускать загрязнения корма. Своевременное удаление и использование навоза - важная народнохозяйственная проблема, значение которой еще более возрастает в связи с укрупнением животноводческих ферм, совершенствованием их технической оснащенности, повышением требований к санитарно-гигиеническим условиям содержания животных и к качеству производимых продуктов. Удаление навоза из животноводческих помещений - один из самых сложных процессов во всей технологической цепочке получения продукции [4; 5].
Для регулирования потоков проводимой среды (ПС) в
Коэффициент сопротивления конфузора, приведённый к скорости проводимой среды в нулевом сечении, составит 0,688. При расходе 0,002 м3/с скоростное давление увеличивается от 520 в нулевом сечении до 30610 Па в десятом сечении, а суммарные потери в конфузоре составляют 840 Па.
Ключевые слова: регулирующее устройство; шланг; проводимая среда; число Рейнольдса; полное давление; пьезометрическое давление; конфузор.
Abstract. Pipeline fittings are needed to regulate conducted medium flow in water supply systems, transportation of liquid fodder, manure, fertilizers in other hydraulic systems. There is description of structure and operation of the hose regulating device in article. We have given 3D model scheme of the fourth part of conducted medium in confuser with a semi-closed regulating device. We have presented calculation results about hydraulic characteristics in the confuser of regulating device.
The task we solved is increasing reliability. Regulating device comprises housing with inlet and outlet nozzles, in the main channel of which hose from elastomeric material is disposed. During closing the hose cooperates with clamping elements evenly spaced along the outside diameter of the hose by manually operated elements. Clamping elements are mounted mirror-like in the half-shells and fixed by one end in axially moving bushings, and the other in the worm wheel of the drive.
In the fully open position, when the clamping elements are parallel to the axis of the half-shells, the regulating device is full-bore and has a minimum coefficient of resistance. The liquid medium is in contact only with the hose. All parts of the flowing part are protected from the medium by a hose made of elastomeric material.
The Reynolds numbers vary along the confuser length from 101900 to 282300, which corresponds to the regime of turbulent self-similarity. The coefficient of confuser resistance, reduced to velocity of the medium in the zero cross section, is 0.688.
At a flow rate of 0.002 m3/s, the velocity pressure increases from 520 in the zero section to 30610 Pa in the tenth section, and the total losses in the confusor are 840 Pa.
Keywords: regulating device; hose; the conducted medium; Reynolds number; total pressure; piezometric pressure, confuser.
этих системах нужна трубопроводная арматура [6; 7]. Наиболее полно предъявляемым требованиям соответствуют шланговые регулирующие устройства (РУ).
Методика. Шланговое РУ содержит два одинаковых полукорпуса 1 (рисунок 1), между квадратными фланцами 2 которых подвижно-вращательно установлено зубчатое червячное колесо 3, управляемое маховиком 4 через червяк 5, установленный в опорах 6, размещённых в нишах
7 квадратных фланцев 2 [8]. Последние через проставки
8 соединены между собой шпильками 9. Внутри, с обеих сторон червячного колеса 3, равномерно по окружности закреплены пережимные элементы 10, например, металлические стержни, либо многожильные тросы, а другим концом пережимные элементы закреплены в подвижных в осевом направлении втулках 11, при этом внутри пережим-ных элементов 10 в обоих полукорпусах размещён гибкий шланг 12, герметично соединённый с подвижными втулками 11, наружная поверхность которых взаимодействует с уплотнительными элементами 13, размещёнными во внутреннем канале 14 полукорпусов 1.
а) продольный разрез РУ в открытом положении; б) разрез по А-А на рисунке а); в) продольный разрез РУ в начальной стадии открытия; г) то же в закрытом положении; д) разрез по Б-Б на рисунке в); е) разрез по В-В на рисунке г).
Рисунок 1 - Регулирующее устройство
Работа регулирующего устройства: Уменьшение расхода ПС и закрытие РУ. При вращении червячного колеса 3 концы пережимных элементов 10 перемещаются по окружности относительно оси полукорпусов, пережимные элементы наклоняются относительно оси в одном полукорпусе в одну сторону, в другом полукорпусе - в противоположную и уменьшают площадь проходного сечения шланга в обоих полукорпусах; образуются два конфузора и два диффузора. При этом поверхности конфу-зоров и диффузоров образованы наклонными к оси полукорпусов каналами, которые образуются при уменьшении расстояния между пережимными элементами и выгибании шланга в сторону внутренней поверхности полукорпусов. Часть потока ПС течёт по этим каналам, закручивая весь поток в одном полукорпусе в одну сторону, в другом полукорпусе - в противоположную сторону. При закручивании потока возникает дополнительный поперечный градиент давления (давление увеличивается по направлению от центра к периферии), нейтрализующий влияние отрицательного градиента давления, который возникает при за-
медленном движении в расширяющемся канале. В этом случае, реализуется безотрывное течение в диффузорах.
Уменьшение площади проходного сечения и расхода ПС происходит до соприкосновения пережимных элементов друг с другом в средней части, при этом втулки 11 перемещаются к червячному колесу 3.
Увеличение расхода ПС и открытие РУ происходит в обратной последовательности.
В полностью открытом положении, когда пережимные элементы параллельны оси полукорпусов, РУ является полнопроходным и имеет минимальный коэффициент сопротивления. ПС соприкасается только со шлангом. Все детали проточной части защищены от ПС шлангом из эластомерного материала.
Для РУ с четырьмя стержнями построим 30 модель четвертой части конфузора при полузакрытом РУ, где шланг выгнется к внутренней стороне полукорпуса и разделим на 10 участков сечениями, j=0-10 (расстояние между которыми равно 1_), находящимися на одинаковом расстоянии друг от друга (рисунок 2).
Вестник Курганской ГСХА № 3, 2017 Технические науки 67
Рисунок 2 - Площади сечений четвертой части потока проводимой среды Расчёт давлений в конфузоре РУ. Средняя скорость V. определяется по формуле:
(м/с) составит [9-12]:
V =Q/S,
i j
(1)
где ^ - расход ПС, м3/с; . площади сечений, м/с. Числа Рейнольдса определяются по формуле:
= 4 • д/(п • V • Бв^, (2)
где V - кинематическая вязкость жидкости, м2/с Dej - эквивалентные диаметры.
Эквивалентный диаметр в .-ом сечении определим по формуле:
De = 2 -J S,/ п,
(3)
Потери давления на каждом участке определим по формуле:
I
AP =-
1 8 - sin( а / 2 )
, ( Vy)2p
- [1 - l/(n ) ] -ijP 1 2
(4)
где ДР - потери давления, Па; Vkj - скорость ПС, м/с;
Л - коэффициент потерь на трение по длине; р - плотность ПС, кг/м3.
a tan( ■
De - De
j+i
2 - L
(5)
n. = De /De. ,
i i 1+1'
(6)
2
P = p - V2 / 2,
(7)
Коэффициент сопротивления каждого участка, приведённый к скорости ПС в выходном сечении участка, определяется по формуле:
с a
i
2 -AP _j_
p - (Vi)
(8)
Коэффициент сопротивления каждого участка приведём к скорости проводимой среды в нулевом сечении по формуле:
с h = с ai
(DeJ2
(De, )
пьезом
ях определяются по формулам:
(9)
Полное P2j и пьезометрическое P3j давления в сечени-
P
31
Pr - P ,
2J si
(10)
где а - угол между образующей конфузора и его осью определяется через отношение разности радиусов соседних участков к расстоянию между ними, радиан.
Ly- расстояние между участками, м.
Отношение эквивалентных диаметров на соседних участках определяется:
Суммарные потери на всех участках от нулевого до десятого сечений составляют 1995 Па. Скоростное давление
Р,. , = РТ-АР , (11)
Результаты. Принимаем расход ПС через РУ 0=0,002 м3/с, что соответствует скорости 1 м/с в патрубке РУ диаметром 50 мм. При этом числа Рейнольдса изменяются по длине конфузора от 101900 до 282300, что соответствует режиму турбулентной автомодельности. Коэффициент сопротивления конфузора, приведённый к скорости ПС в нулевом сечении, составит 0,688.
Результаты расчетов давлений представлены на рисунках 3 и 4.
При расходе 0,002 м3/с скоростное давление увеличивается от 520 в нулевом сечении до 30610 Па в десятом сечении, а суммарные потери в конфузоре составляют 840 Па.
Выводы. 1 В полностью открытом положении, когда пережимные элементы параллельны оси полукорпусов, РУ является полнопроходным и имеет минимальный коэффи-
2
а
циент сопротивления. ПС соприкасается только со шлангом. Все детали проточной части защищены от ПС шлангом из эластомерного материала.
Р, кПа
199,S
199,4
199,0
19S.&
19S.2
О ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,5 0,7 O.E. 0,9 hi
Рисунок 3 - Полное давление по длине конфузора
1 /
r "
О 0,1 0,2 СО 0,4 0,5 0,6 0,7 0,S 0,9 hj
1- полное давление; 2- пьезометрическое давление
Рисунок 4 - Полное и пьезометрическое избыточные давления по длине конфузора
2 Числа Рейнольдса изменяются по длине конфузора от 101900 до 282300, что соответствует режиму турбулентной автомодельности. Коэффициент сопротивления конфузора, приведённый к скорости ПС в нулевом сечении, составит 0,688.
3 При расходе 0,002 м3/с скоростное давление увеличивается от 520 в нулевом сечении до 30610 Па в десятом сечении, а суммарные потери в конфузоре составляют 840 Па.
Список литературы
1 Исаев А. П., Сергеев Б. И., Дидур В. А. Гидравлика и гидромеханизация сельскохозяйственных процессов. М. : Агропромиздат, 1990. 400 с.
2 Механизация трудоемких процессов в свиноводстве [Электронный ресурс]. URL: http://animalialib.ru/books/item/ f00/s00/z0000010/st085.shtml (дата обращения: 24.04.2017).
3 Механизация раздачи кормов. Сайт зооинженерного факультета МСХА. [Электронный ресурс]. URL: http://www. activestudy.info/mexanizaciya-razdachi-kormov/ (дата обращения: 20.04.2017).
4 Механизация уборки навоза. Статья сайта зооинженерного факультета МСХА. [Электронный ресурс]. URL: http://www.activestudy.info/mexanizaciya-uborki-navoza/ (дата обращения: 22.04.2017).
5 Фоминых А. В., Чиняев И. Р., Овчинников Д. Н. Гидравлическая система удаления навоза из животно-водче-ского помещения. Главный зоотехник. 2013. № 6. С. 27-30.
6 ГОСТ 9698-86. Задвижки. Основные параметры.
7 Чиняев И. Р., Фоминых А. В., Овчинников В. М. Определение гидравлических характеристик запорно-регулиру-ющих задвижек. Аграрный вестник Урала. Екатеринбург : Изд-во Уральской ГСХА, 2013. № 2. С. 23-26.
8 Патент166585, F16K7/02. Регулирующее устройство. А. А. Ездина, А. В. Фоминых, И. Р. Чиняев, А. Л. Ша-
наурин. № 2016121381/06; заявлено 30.05.2016, опубликовано 10.12.2016.
9 Т. М. Башта, С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов. Гидравлика гидромашины и гидроприводы. 2-е изд. М. : Машиностроение, 1982. 423 с.
10 Чиняев И. Р., Фоминых А. В., Сухов С. А. Повышение надёжности и эффективности работы шиберной запор-но-регулирующей задвижки. Экспозиция нефть газ. 2013. № 3 (28) с. 80-82.
11 Чиняев И. Р., Фоминых А. В., Овчинников В. М. Определение коэффициента сопротивления запорно-ре-гулирующих задвижек. Материалы LII международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству». под. ред. докт. техн. наук, проф. Н. С. Сергеева. Челябинск : ЧГАА, 2013. Ч. IV. С. 218-226.
12 Чиняев И. Р., Шанаурин А. Л., Фоминых А. В. Пример расчета прохождения среды через запорно-регулирующую задвижку. Зауральский научный вестник. Вып.2(2012). Курган : КГУ, 2012. С. 20-21.
References
1 Isaev A.P., Sergeev B.I., Didur V.A. Hydraulics and hydro mechanization of agricultural processes. Moscow. Agropromizdat, 1990, 400 p., (in Russ.).
2 (Mechanization of labor-intensive processes in pig production. Available at: http://animalialib.ru/books/item/f00/s00/ z0000010/st085.shtml (accessed 24 April 2017). (in Russ.).
3 Zoengineering faculty of the Moscow Agricultural Academy. Mechanization of feed distribution. Available at: http://www. activestudy.info/mexanizaciya-razdachi-kormov/ (accessed 20 April 2017). (in Russ.).
4 Zoengineering faculty of the Moscow Agricultural Academy. Mechanization of manure cleaning. Available at: http:// www.activestudy.info/mexanizaciya-uborki-navoza/ (accessed 22 April 2017). (in Russ.).
5 Fominykh A.V., Chinyaev I.R., Ovchinnikov D.N. Hydraulic system for manure removal from livestock premises. Glavnyy zootekhnik (Chief livestock expert). 2013, no.6, pp.2730. (in Russ.).
6 State standard 9698-86. Latches.Main settings. (in Russ.).
7 Chinyaev I.R., Fominykh A.V., Ovchinnikov V.M. Determination of hydraulic characteristics of shut-off valves. Agrar-nyy vestnik Urala (Agrarian herald of the Urals). 2013, no.2, pp.23-26. (in Russ.).
8 A.A. Ezdina, A.V. Fominykh, I.R. Chinyaev, A.L. Shanaurin. Patent 166585, F16K7/02. Regulating device. no. 2016121381/06; declared on May 30, 2016, published on December 10, 2016. (in Russ.).
9 Bashta T.M., Rudnev S.S., Nekrasov B.B. Hydraulics of hydraulic machines and hydraulic drives. Moscow: Mechanical engineering, 1982, 423 p., (in Russ.).
10 Chinyaev I.R., Fominykh A.V., Sukhov S.A. Increase of reliability and efficiency of the gate shut-off valve. Ekspozitsiya neft' gaz (Exposition of oil gas). 2013, no.3, pp.80-82. (in Russ.).
11 Chinyaev I.R., Fominykh A.V., Ovchinnikov V.M. The achievements of science - agro-industrial production. Materials of the LII International Scientific and Technical Conference. Chelyabinsk, 2013, 218-226. (in Russ.).
12 Chinyaev I.R., Shanaurin A.L., Fominykh A.V. Example of calculation of passage of medium through a shut-off valve. Zaural'skiy nauchnyy vestnik (The Zaural scientific bulletin). Issue 2. 2012, no.2, pp.20-21.(in Russ.).
