CC BY
30
УДК 621.746.628.4
В.И. Васенин, А.В. Богомягков, К.В. Шаров V.I. Vasenin, A.V. Bogomiagkov, K.V. Sharov
Пермский национальный исследовательский политехнический университет Perm National Research Polytechnic University
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ МЕСТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ЛИТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ
INVESTIGATION INTO A INTERFERENCE OF THE LOCAL RESISTANCES OF THE GATING SYSTEM
Исследовано взаимное влияние (интерференция) местных сопротивлений литниковой системы. Установлено, что при интерференции коэффициент сопротивления системы уменьшается, а расход жидкости в ней увеличивается.
Ключевые слова: литниковая система, стояк, коллектор, гидравлическое сопротивление, интерференция, скорость потока, расход жидкости.
The results of research of a interference local resistances of the gating system are presented. It is established that the hydraulic resistance of the gating system decreases, liquid flow rate rises.
Keywords: gating system, sprue, collector, hydraulic resistance, interference, flow speed, liquid flow rate.
Приводимые в справочниках экспериментальные данные о коэффициентах местных сопротивлений относятся к движению жидкости с нормальным (выровненным) полем скоростей. В практике местные сопротивления размещены иногда настолько близко одно к другому, что поток ме^ду ними не успевает выравниваться, поскольку вихреобразования, возникающие при проходе через местное сопротивление, сказываются на значительном протяжении вниз по течению. То расстояние после местного сопротивления, в пределах которого устанавливается нормальная (выровненная) эпюра скоростей и прекращается влияние местного сопротивления на поток, называется длиной влияния местного сопротивления /вл. Суммарный коэффициент местного сопротивления нескольких близко расположенных сопротивлений может быть как больше, так и меньше суммы соответствующих коэффициентов единичных сопротивлений в зависимости от длины прямого участка между ними.
В первом приближении для оценки длины влияния пользуются соотношением /вл >(30...40)d, где d - гидравлический диаметр трубы. В случаях,
когда расстояние между отдельными сопротивлениями меньше длины влияния, возмущающее влияние одного местного сопротивления сказывается на другом. Так, коэффициент сопротивления двух близко расположенных диафрагм составляет всего 40 % от суммы их сопротивлений. Уменьшение суммарного коэффициента при малых отношениях 1 / Л можно объяснить тем, что поток после первого сопротивления не успевает выровняться, и потеря напора, которая израсходовалась бы на это выравнивание (при больших
1 / Л ), экономится [1, с. 219-222; 2, с. 172-175].
В подобных случаях говорят об интерференции, т.е. взаимном влиянии местных сопротивлений. Явление интерференции до сих пор исследовано слабо.
В литниковых системах (ЛС) расстояние ме^ду местными сопротивлениями обычно значительно меньше 30Л, а местным сопротивлением является поворот потока на 90°. Исследований интерференции местных сопротивлений ЛС не проводилось. Данная работа является попыткой изучения этого явления.
Экспериментальная ЛС (рис. 1) состоит из литниковой чаши, стояка, коллектора и интерферометра - приспособления для получения различного количества поворотов потока жидкости (от одного до четырех). Фотографии установки приведены на рис. 2 и 3. Для измерения напора жидкости перед интерферометром в сечении 6-6 коллектора установлен пьезометр - стеклянная трубочка внутренним диаметром 4,5 и длиной 370 мм. Внутренний диаметр чаши 272 мм, высота воды в чаше 103,5 мм. Продольные оси коллектора и интерферометра находятся в одной плоскости. Уровень жидкости Н - расстояние по вертикали от сечения 1-1 в чаше до продольных осей коллектора и интерферометра - поддерживался постоянным путем непрерывного доливания воды в чашу и слива ее излишков через специальную щель в чаше: Н - 0,363 м. Расстояние между поворотами на 90° составляет 35 мм, диаметр всех отверстий в интерферометре 16,03 мм. Тогда относительное расстояние между поворотами на 90° 1* - 35 /16,03 = 2,18, значительно меньше 30.
Составим уравнение Бернулли (УБ) для сечений 6-6 и 7-7:
2 2 ^ = Р7 + а ^
у ^ у 2g
,2
где р6 и р7 - давления в сечениях 6-6 и 7-7, Н/м , р7 равно атмосферному давлению: р7 - ра ; у - удельный вес жидкого металла, Н/м3; а - коэффициент неравномерности распределения скорости по сечению потока (коэффициент Ко-риолиса), принимаем а = 1,1 [3]; у6 и \7 - скорости жидкости в сечениях 6-6 и 7-7, м/с; у5 = у6 - у7; g - ускорение свободного падения, g - 9,81 м/с2; к6_7 -потери напора при движении жидкости от сечения 6-6 до сечения 7-7, м. Эти
1 / потери напора п1_1 = а—^
2 г
X ^ + N С
V ^1 ,
, где X - коэффициент потерь на трение;
16_7 - расстояние между сечениями 6-6 и 7-7, м; Л7 - гидравлический диаметр сечения 7-7, м; N - число поворотов на 90°; ^ - коэффициент местного сопротивления поворота на 90°.
Введем следующее обозначение: Н6 =( р6 - ра) / у . Теперь (1) запишется
в следующем виде: Н6 - а—
2 г
. Найдем
N С = -^—.
■2 Л
ау7
(2)
Рис. 1. Установка для исследования интерференции местных сопротивлений
В данной ЛС диаметр стояка Лст - 0,02408 м, длина (высота) стояка 1СТ = 0,2675 м, Л5 - Л6 - Л7 - 0,01603 м. Расстояние 16_7 между сечениями 6-6 и 7-7 равно 0,229 м при одном или двух поворотах на 90° и 0,264 м - при трех
2
или четырех поворотах. Коэффициент X- 0,03 [4]. Напор Н6 в сечении 6-6 измеряли металлической линейкой (см. рис. 2, 3). Экспериментальные данные о Н6 и \7 и результаты расчетов N^ по выражению (2) приведены в таблице.
Рис. 2. Установка при нулевом расходе Рис. 3. Истечение воды из интерферо-
жидкости метра при одном повороте на 90°
Характеристики системы
N Н6, м у7, м/с N С С
і 0,169 1,30 1,35 1,35
2 0,216 1,11 2,71 1,36
3 0,232 1,05 3,25 1,08
4 0,253 0,95 4,47 1,12
Как видно из таблицы, при переходе от одного поворота к четырем коэффициент местного сопротивления поворота на 90° уменьшился с 1,35 до 1,12. Понятно, что достоверно N С,, а не ^. Это среднее значение. Неизвестно, какой коэффициент сопротивления в данном повороте на самом деле. Если бы не было интерференции, то N^ = 4 -1,35 = 5,40. А при интерференции N^ = 4,47, на 21 % меньше. Подсчитаем, как скажется интерференция местных сопротивлений на расходе жидкости в системе. Коэффициент сопротивления ЛС ^1-7(7) от сечения 1-1 до сечения 7-7, приведенный к скорости \7,
Сі-7(7) _
\ Ґ \2 л/57 л
9
V ст у
I 7
+ Ск + Н С
а7
где <^ст, ^к - коэффициенты местных сопротивлений входа металла из чаши в стояк, поворота из стояка в коллектор; S7 и SCT - площадь сечения 7-7 и стояка, м2; /ст_7 - расстояние от стояка до сечения 7-7, м. /ст_7 равно 0,5695 м при одном или двух поворотах на 90° и 0,6045 м - при трех или четырех поворотах. Коэффициент расхода системы от сечения 1-1 до сечения 7-7,
I \-1/2
приведенный К скорости v7, М'1-7(7) =(1 + С1-7(7) ) . Скорость
v7 = ^1_7(7)^2gH / а, расход в системе Q - v7S7. Значения коэффициентов: <^ст = 0,12 [5], <^к = 0,396 [6]. Результаты расчетов для ЛС с четырьмя поворотами без учета интерференции и при ее учете таковы: ^1_7(7) = 6,62 и 5,69, Mi-7(7) = 0,36 и 0,39, v7 = 0,92 и 0,98 м/с, Q -186,03 и 198,54 см3/с. Как
видно, при интерференции расход на 6,7 % больше по сравнению со случаем, когда интерференция местных сопротивлений не учитывается.
Таким образом, интерференция местных сопротивлений в литниковых системах происходит. Интерференция сопротивлений может увеличить расход в системе на 5-10 %. Учесть интерференцию сопротивлений при расчетах ЛС пока не представляется возможным ввиду ограниченности экспериментальных данных. Это будет некоторый запас в сторону увеличения расчетного расхода в системе.
Список литературы
1. Альтшуль А.Д., Животовский Л.С., Иванов Л.П. Гидравлика и аэродинамика. - М.: Стройиздат, 1987. - 414 с.
2. Рабинович Е.З. Гидравлика. - М.: Недра, 1974. - 296 с.
3. Чугаев P.P. Гидравлика. - М.: Бастет, 2008. - 672 с.
4. Токарев Ж.В. К вопросу о гидравлическом сопротивлении отдельных элементов незамкнутых литниковых систем // Улучшение технологии изготовления отливок. - Свердловск: Изд-во УПИ, 1966. - С. 32-40.
5. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.
6. Исследование местных сопротивлений литниковой системы / В.И. Васенин, Д.В. Васенин, A.B. Богомягков, К.В. Шаров // Вестник Перм. нац. ис-след. политехи. ун-та. Машиностроение, материаловедение. - 2012. - Т. 14, № 2. - С. 46-53.
Получено 15.02.2013
Васенин Валерий Иванович - кандидат технических наук, доцент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: vaseninvaleriy@mail.ru).
Богомягков Алексей Васильевич - аспирант, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: lp@pstu.ru).
Шаров Константин Владимирович - аспирант, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: lp@pstu.ru).
Vasenin Valery Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, Komso-molsky av., 29, e-mail: vaseninvaleriy@mail.ru).
Bogomiagkov Aleksey Vasilievich - Graduate Student, Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, Komsomolsky av., 29, e-mail: lp@pstu.ru).
Sharov Konstantin Vladimirovich - Graduate Student, Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, Komsomolsky av., 29, e-mail: lp@pstu.ru).
