Методология создания оборудования для отработки гидроагрегатов пульсирующим давлением жидкости Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.868 (088.8)

МЕТОДОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОТРАБОТКИ ГИДРОАГРЕГАТОВ ПУЛЬСИРУЮЩИМ ДАВЛЕНИЕМ ЖИДКОСТИ

© 1999 В.И. Санчугов, В.П. Шорин

Институт акустики машин, г. Самара

Рассмотрены особенности и принципиальные основы создания технологических стендов для испытаний и очистки гидрооборудования пульсирующим потоком жидкости.

До настоящего времени в промышленности используются методы расчета и проектирования стендового оборудования, основанные на законах гидравлики установившихся течений.

Однако использование высокоамплитудных пульсирующих потоков, обеспечивающих сокращение длительности и энергоемкости процессов ускоренных эквивалентных испытаний и очистки агрегатов и гидросистем, предъявляет ряд дополнительных требований к работе стендового оборудования.

Основными среди них являются:

- защита систем подачи, кондиционирования жидкости, контроля параметров и управления работой стендов от воздействия высокоамплитудных колебаний давления;

- минимальные затраты мощности на возбуждение колебаний;

- простота и удобство управления работой стендов;

- стабильность статических и динамических параметров работы стендов.

С целью обеспечения указанных требований разработана концепция построения схемных решений технологического оборудования, заключающаяся, в основном, в следующем.

1. Наряду с традиционными устройствами, обеспечивающими требуемые гидравлические характеристики, схемы стендов должны включать в себя специальные блоки акустической развязки, коррекции и граничных условий на линиях высокого и низкого давления.

2. Взаимное расположение агрегатов, протяженность и конфигурация соединительных магистралей должны выполняться из

условий обеспечения требуемых параметров пульсирующего течения жидкости.

3. Конструктивное исполнение стендов должно предусматривать специальные мероприятия по предотвращению повышенной вибрации агрегатов и снижению шума, генерируемого гидрооборудованием.

На рис. 1 представлена функциональная схема технологического стенда, гидравлическая схема которого содержит рабочий участок пульсирующего течения жидкости.

Стенд включает в себя следующие основные узлы:

- блок подготовки рабочей жидкости, предназначенный для обеспечения требуемых статических параметров потока рабочей жидкости и представляющий собой насосную станцию с устройствами нагнетания, очистки, охлаждения жидкости, распределительной и запорной арматурой;

- блок акустической развязки стендовой системы по линии высокого давления для оптимизации процессов на рабочем участке и исключения влияния колебаний жидкости на работу агрегатов насосной станции;

- рабочий участок, на котором реализуется заданный режим испытаний и включающий в себя объект испытаний, генератор колебаний и соединительные магистрали;

- блок акустической развязки стендовой системы по линии низкого давления, предназначенный для оптимизации граничных условий на выходе рабочего участка и исключающий воздействие колебаний на агрегаты насосной станции по линии низкого давления;

- электрическую систему управления стендом и системы контроля параметров работы

Рис. 1. Функциональная схема построения технологических стендов

стенда.

Требования к характеристикам, схеме, методам расчета и конструкции блоков акустической развязки и коррекции определяются свойствами объектов испытаний, схемами подключения и типом генератора колебаний.

Проанализированы принципиальные схемы испытательных стендов для частотных испытаний, испытаний агрегатов, трубопроводов и гидромашин на усталостную прочность и ресурс и для очистки внутренней поверхности гидрооборудования широкого класса.

Так, например, для частотных испытаний с дроссельными генераторами колебаний предложены четыре схемы построения стендов, отличающиеся расположение генератора и объекта испытаний в стендовой системе. Такие схемы представлены на рис. 2. В схемах а) и в) генераторы колебаний располагаются на входе и выходе объекта испытаний параллельно основному потоку жидкости. В схемах б) и г) генераторы колебаний и объект расположены последовательно.

Блоки БАР и БГУ предназначены, с одной стороны, для защиты оборудования блока подготовки жидкости от воздействия пуль-

сации потока, исключения влияния колебаний потока, возникающих при работе насосной станции, на параметры потока жидкости перед объектом испытаний, и с другой - обеспечивают заданные входные импедансы стендовой системы на входе или выходе объекта испытаний.

Рассмотрим особенности и схемы расчета рабочих параметров представленных стендовых систем.

Стенд, выполненный по схеме рис. 2 а), работает следующим образом. Жидкость под давлением Р н от блока подготовки жидкости поступает через блок акустической развязки БАР1 и разделяется на два потока: через объект испытаний, блок граничных условий и через генератор колебаний. Генератор, изменяя проходное сечение потока, возбуждает колебания жидкости, которые распространяются по стендовой системе.

Если каждый функциональный элемент стенда представить акустическим четырехполюсником (активным или пассивным), то его эквивалентная схема примет вид согласно рис. 3 а) [1].

Поскольку основным назначением блоков акустической развязки БАР1 и БАР2 является защита от пульсаций всех стендовых

Рис. 2. Структурное построение стендов: БПЖ - блок подготовки жидкости; БАР - блок акустической развязки; ОИ - объект испытаний; ГКЖ - генератор колебаний жидкости с приводом; БГУ - блок граничных условий; БАРГУ - блок акустической развязки и граничныгх условий

магистралей и устройств, кроме рабочего участка с объектом испытаний, их коэффициенты передачи по отношению к переменной составляющей потока должны быть близки к нулю. Входное сопротивление БАР1 со стороны рабочего участка должно быть максимальным, а блока БАР2 - стремиться к нулю. Блок граничных условий должен иметь также максимальное входное сопротивление. Поэтому для переменной составляющей потока расчетная схема может быть сведена к схеме, изображенной на рис. 3. На рис. 3. в) обозначено: 2БАР1, ZБАР2, 7БГу - характеристические сопротивления, соответствующие БАР1, БАР2 и БГУ.

Схемные решения блоков акустической развязки и граничных условий могут быть выполнены на основе оценки характеристик объектов испытаний и расчета режимов работы стенда [2].

Объемы полостей генераторов колебаний дроссельного типа, как правило, выбираются минимальными. Поэтому при достаточно большом перепаде давления на дросселирующем элементе (что в рассматриваемой схеме реализуется) генератор можно рассматривать как идеальный источник расхода с производительностью Адгкж [3].

Максимальная амплитуда колебаний на рабочем участке при применении такого генератора реализуется, при прочих равных условиях, если сопротивление на его выходе ^БАР2 близко к нулю (что можно обеспечить соответствующими схемными решениями), а длины и объемы соединительных магистралей между генератором и объектом испытаний минимальны. При оценочных расчетах влияния указанных магистралей необходимо учитывать не только длины соединительных трубопроводов, но и длины стыковочных штуцеров и внутренних каналов агрегатов.

С учётом сделанных замечаний эквивалентную схему можно привести к виду на рис. 3. в), где четырехполюсник с коэффициентами матрицы передачи А, В, С, Б отражает свойства объекта испытаний.

Выражения, связывающие колебания давления и расхода жидкости на входе в объект испытаний с колебаниями, генерируемым источником Ргкж, имеют вид:

РГКЖ РОИ(2БАР1+гои)/2БАР1гои;

Рои - АРбгу+ВР Рои=срБГу+од

бгу

Р™, =

бгу

бгу ^бгу бгу^бгу’

(1)

(2)

(3)

где РОИ - колебания давления на входе в

ОИ

объект испытаний;

РБГУ, QБГу - колебания давления и расхода жидкости на входе в блок граничных условий.

Разработка схемных решений, расчет геометрических параметров блоков акустической развязки БАР1, БАР2 и граничных условий БГУ производятся при решении конкретных задач испытаний или отработки гидросистем либо агрегатов. Анализ статических параметров работы стендовой системы производится по известным формулам стационарной гидравлики с помощью расчетной схемы, представленной на рис. 3. г).

Этот анализ показывает, что при использовании данной схемы стенда объект испы-

таний может испытываться в широком диапазоне давлений и расходов

Р -Р - Я

ООИ 0 НС БАР1

0 НС

Р0ОИ Р0 нс - Р0ОИ

/(Я

+ Я

ОГКЖ БАР2

).

Регулирование статических (Роои, Роои) и динамических (Р Р ) параметров потока и частоты колебаний - независимое.

При использовании схемы стенда, представленной на рис. 2. в) колебания потока возбуждаются на выходе жидкости из объекта испытаний. опуская промежуточные преобразования эквивалентных схем, основанные на принятых допущениях, можно показать, что на данном стенде невозможно осу-

Рис. 3. Схемы технологического стенда а), б) - эквивалентные схемы для расчета переменных составляющих потока жидкости; в) - модель для расчета переменных составляющих потока жидкости; г) - модель для расчета постоянных составляющих потока

ществлять испытания объектов в непроточном режиме, поскольку уровень статического расхода жидкости через объект испытаний зависит от амплитуды генерируемых колебаний и гидросопротивления блока БАР2.

В схемах 2. б) и 2. г) генераторы располагаются последовательно в расходной магистрали стенда. Поскольку на генераторе срабатывается значительный перепад давления, то схема по рис. 2. б) может использоваться для испытаний при малом давлении в объекте, а схема 2. г) при высоком рабочем давлении. Общим недостатком данных схем является то, что они не позволяют осуществлять независимое регулирование статических и динамических параметров рабочего процесса, так как акустическая производительность генератора колебаний по расходу жидкости определяется перепадом статической состав-

ляющей давления. При этом изменение перепада приводит к перераспределению расходов и давлений на всех участках системы.

Представленные на рис. 2. схемы технологических стендов содержат в своей структуре дроссельные генераторы колебаний. Однако, как в научных исследованиях, так и в производстве достаточно широкое распространение нашли объемные генераторы колебаний. Применение их в технологических стендах обеспечивает достаточно высокую степень приближения закона колебаний жидкости к гармоническому и в ряде случаев (например, при испытаниях объектов на непроточных режимах) стенды с плунжерными генераторами оказываются менее энергоёмкими по сравнению со стендами с дроссельными генераторами.

Структурные схемы стендов с плунжер-

Рис. 4. Схемы стенда с использованием двухканального распределителя а) - структурная схема; б) - расчетная схема

ными генераторами близки к схемам, представленным на рис. 2. а) и 2. б), в которых блоки БАР2 выполняют роль разгрузочных устройств механизма привода генератора от постоянной составляющей давления. Стенды с неразгруженными генераторами могут быть применены только для низкочастотных испытаний агрегатов и устройств, работающих при относительно низких уровнях среднего давления. ограниченность частотного диапазона обусловлена инерционностью и неуравновешенностью подвижных частей генератора, а рост среднего давления приводит к резкому возрастанию нагрузки на механизм привода, его износу и росту мощности приводного двигателя.

В тех случаях, когда не предъявляются жесткие требования по близости закона колебаний жидкости к гармоническому и одновременно необходим значительный размах колебаний (при ускоренных испытаниях гидроагрегатов на прочность и герметичность, при очистке внутренних поверхностей агрегатов) целесообразна реализация стендов, в которых в качестве генератора используется двухканальный распределитель.

Естественно, что наиболее эффективным является использование таких стендов на непроточных режимах работы испытуемых агрегатов. Структурная схема непроточного стенда представлена на рис. 4. а). С учётом длины и объема каналов внутри распределителя и соединительных трубопроводов, которые могут рассматриваться в виде четырехполюсников с коэффициентами матриц передачи А1, В1, С1, Б1, А2, В2, С2, Б2 и А3, В3, С3, Б3, расчетная схема стенда имеет вид, представленный на рис. 4. б).

В результате расчетов, выполненных с использованием представленных моделей,

определены схемы, характеристики и конструктивные параметры основных узлов стендов для ускоренных эквивалентных испытаний на усталостную прочность и ресурс [3,4], а также для очистки внутренней поверхности гидроагрегатов и трубопроводов [5].

Созданное оборудование обеспечивает достижение следующих основных параметров рабочих режимов:

- уровень статического давления - до 28 МПа;

- размах пульсации давления - до 50 МПа;

- частота пульсации - от 60 до 1600 Гц;

- регулирование частоты, размаха пульсации и среднего давления - независимое.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шорин В.П. Устранение колебаний в авиационных трубопроводах. - М.: Машиностроение, 1980. - 156 с.

2. Шорин В.П., Соколов Б.Н., Санчугов В.И. и др. Гасители высокочастотных колебаний давления для гидравлических систем. Принципы построения, расчет характеристик и эффективность действия РТМ 166882. М.: НИИСУ, 1982. - 80 с.

3. Санчугов В.И., Смирнов Б.И., Показеев В.П. Агрегаты гидравлических систем самолетов и вертолетов. Определение режимов эквивалентных ускоренных испытаний на циклическую прочность. // Рекомендации Р 1. 1.8 - 91. М.: НИИСУ, 41с.

4. Санчугов В.И., Рашидов Б.Т., Шлыгин М.И. Испытания на надежность трубопроводов гидравлических систем. М.У. 1. 1.199-89, М.: НИИСУ, 1989. - 38 с.

5. Санчугов В.И. и др. Гидродинамическая очистка внутренней поверхности трубопроводов систем гидравлики. - Судостроение, 1992, № 5, С. 21-25.

METHODOLOGY OF EQUIPMENT CREATION FOR IMPROVEMENT OF HYDRO-AGGREGATES BY PULSING PRESSURE OF LIQUID

© 1999 V.I. Sanchugov, V.P. Shorin

Institute of Machines Acoustics, Samara

Peculiarities and essential principles of creation of technological test benches for testing and cleansing of hydro-equipment by pulsing flow of liquid are considered in this paper.