МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕГУЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА С ЗАКРУЧИВАНИЕМ ПОТОКА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2018.01.020 УДК 378.048.2

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕГУЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА С ЗАКРУЧИВАНИЕМ ПОТОКА

А. В. Фоминых, О.А. Пономарева, А.А. Ездина

Изложены устройство и работа шлангового регулирующего устройства. При вращении регулирующего элемента из шланга образуются спиралевидные каналы, обеспечивающие закручивание потока проводимой среды. В такой трубе несущая способность и эффективность работы течения возрастает благодаря уменьшению трения и предотвращению осадкообразования.

Предложено регулирующее устройство с закручиванием потока проводимой среды, в котором образуются конфузор и диффузор за счет наклонных к оси регулирующего устройства четырех одинаковых каналов.

На основе уравнения Бернулли разработана методика расчёта регулирующего устройства, позволяющая определить его коэффициент сопротивления и потери давления. В открытом положении регулирующее устройство является полнопроходным и имеет минимальный коэффициент сопротивления.

Выявлено, что в конфузоре вихреобразование, отрыв потока от стенки с одновременным сжатием потока не возникают, поэтому потери давления в конфузоре обусловлены только потерями на трение по длине. Полную потерю давления в диффузоре рассматриваем как сумму потерь давления на трение и расширение (на вихреобразование).

Выполнено моделирование и исследование течения проводимой среды в программном обеспечении SolidWorks 2017. После регулирующего устройства проводимая среда движется по спиралевидным траекториям. Моделирование в программном комплексе SolidWorks 2017 подтверждает закручивание потока предлагаемым регулирующим устройством.

Ключевые слова. Регулирующее устройство, проводимая среда, шланг, закручивание потока, давление, расход, конфузор, диффузор, спиралевидная траектория, уравнение Бер-нули

Основными по винтовому движению жидкости являются работы Виктора Шаубер-гера [1]. Труба с яйцевидным сечением первоначально закручена вокруг себя, а уже потом она в целом формирует спираль. В такой трубе несущая способность и эффективность работы течения возрастает благодаря уменьшению трения и предотвращению осадкообразования. Закрутка в водоводах значительно уменьшает потери напора. Не надо "бороться с турбулентностью", а совсем даже наоборот - нужно её добиваться, структурировать и использовать.

Нами получен патент на полезную модель «Регулирующее устройство» с закручиванием потока проводимой среды (ПС) [2-5]. Конфузор и диффузор зеркально симметричны относительно среднего сечения, рисунок 1.

Посредством привода 1 втулка 2 вращается вокруг оси регулирующего устройства (РУ), вместе с ней перемещаются концы стержней 4 и стержни пережимают шланг 4, из которого образуются спиралевидные каналы. При этом втулка 5 перемещается только

вдоль оси РУ. РУ имеет четыре стержня, поэтому образуются четыре одинаковых канала.

■

1- привод; 2- втулка поворотная; 3-шланг прозрачный; 4- стержни; 5- втулка, передвигающаяся только вдоль оси регулирующего устройства

Рисунок 1 - Регулирующее устройство с закручиванием потока проводимой среды, патент 166585

Рассмотрим двадцать сечений одного канала,рисунок 2.

а)

б)

а - конфузор: б - диффузор

Рисунок 2 - Расчетная схема четвёртой части регулирующего устройства

Средняя скорость в j-ом сечении составит [6-15]:

V = (1)

Числа Рейнольдса определяются по формуле:

Яе = 4 ■ д/(п ■ V • Ве.), (2)

где V - кинематическая вязкость жидкости, м2/с;

йв] - эквивалентный диаметр в j-ом сечении, м.

Эквивалентный диаметр в j-ом сечении определим по формуле:

В

^ = 2 ■ ^ >/*

(3)

Потери давления на трение на каждом участке конфузо

ра и диффузора определим по формуле:

АР

8 • $т( а /2)

п ,// 2 1 (^ Р

(4)

где АР - потери давление, Па;

А - коэффициент потерь на трение

по длине;

р - плотность жидкости, кг/м3.

¿4-1 -

я^ = ■ (-----),

2-Ьу

(5)

где , - угол между образующей конфу-зора и его осью определяется через отношение разности радиусов соседних участков к расстоянию между ними, радиан;

ь

у - расстояние между участками, м. Отношение площадей для конфузора:

(6)

Отношение площадей для диффузора:

(7)

П

В конфузоре вихреобразование, отрыв ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2018

потока от стенки с одновременным сжатием потока не возникают, поэтому потери давления в конфузоре обусловлены только потерями на трение по длине [16-21]. Полную потерю давления в диффузоре рассматриваем как сумму потерь давления на трение и расширение (на вихреобразование):

ДР^ = А^ + АРГ.,

(8)

Потерю давления на вихреобразование определим по формуле:

АРТ. = »«(о,-) ■ (1 - ■ ——

(9)

Коэффициент сопротивления каждого участка, приведённый к скорости проводимой среды в j-ом сечении, определим по формулам:

на трение:

А 1

3 ■ {£) («;) на вихреобразование:

= лтСарО " [1 -

(10)

(11)

Коэффициент сопротивления на каждом участке диффузора составит:

Коэффициент сопротивления каждого участка приведём к скорости ПС в нулевом сечении по формуле:

для конфузора:

= 1

для диффузора:

(13)

(14)

Коэффициент сопротивления конфузо-

ра:

^=¿<1, (15)

Коэффициент сопротивления диффузо-

ра:

(16)

Коэффициент сопротивления РУ, приведённый к скорости ПС в нулевом сечении определим по формуле:

(17)

Скоростное давление определяется по формуле:

2

Р* =

P-Vk

(18)

Полное и пьезометрическое давления в сечениях определим по формулам:

P2j+î=P2j -АРГ

РЗ ■ = Р2 ■ - Р ■

j 1 ч ■

(19)

(20)

Для примера принимаем расход ПС через РУ Q=0,002 м3/с, что соответствует скорости в патрубке РУ диаметром 50 мм один м/с, рисунок 3.

полное давление,

----пьезометрическое давление

Рисунок 3 - Полное и пьезометрическое

давления по длине регулирующего устройства

При контакте стержней коэффициент сопротивления конфузора, приведённый к скорости ПС в нулевом сечении составит 6,873, коэффициент сопротивления диффузора 7,58, суммарный коэффициент сопротивления всего РУ, приведённый к скорости ПС в нулевом сечении, составит 14,453. Суммарные потери на всех участках от нулевого до двадцатого сечений, РУ длиной 180 мм при контакте стержней, составляют 7100 Па. Скоростной напор в нулевом сечении 520 Па, в середине РУ, десятое сечение- 30610 Па.

В открытом положении РУ является полнопроходным и имеет минимальный коэффициент сопротивления.

Построение модели РУ в программном обеспечении SolidWorks 2017, рисунок 4. По длине стержней строим 5 плоскостей сече-

ний, отмечаем точки, равномерно удаленные друг от друга, количество точек одинаково на каждой плоскости. Через одну точку проводим линию до следующей точки в следующей плоскости, которая совершит поворот. Так соединяем соответствующие точки одной линией через все 5 плоскостей. По полученной сетке создаем непроницаемую поверхность.

Рисунок 4 - Построение модели

регулирующего устройства в программном обеспечении SolidWorks 2017

В трубопроводе до РУ ПС движется вдоль оси трубы, рисунок 5.

Рисунок 5 - Эпюра скоростей в

регулирующем устройстве и прилегающих трубопроводах

После РУ ПС движется по спиралевидным траекториям. Моделирование в программном комплексе SolidWorks 2017 подтверждает закручивание потока предлагаемым регулирующим устройством.

При дальнейшей работе необходимо разработать более точную модель регулирующего устройства.

ВЫВОДЫ

В открытом положении регулирующее устройство является полнопроходным и имеет минимальный коэффициент сопротивления.

При контакте стержней коэффициент сопротивления всего регулирующего устройства, приведённый к скорости проводимой среды в нулевом сечении, составит 14,453.

Суммарные потери на всех участках от нулевого до двадцатого сечений, РУ длиной

180 мм при контакте стержней, составляют 7100 Па. Скоростной напор в нулевом сечении 520 Па, в середине РУ, десятое сечение-30610 Па.

Моделирование в программном комплексе SolidWorks 2017 подтверждает закручивание потока предлагаемым регулирующим устройством.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Виктор Шаубергер. Энергия воды. Переведена на русский в 2007 год.

2. Патент 166585, F16K 7/02. Регулирующее устройство/А.А. Ездина, А.В. Фоминых, И.Р. Чиня-ев, А.Л. Шанаурин.- №2016121381/06; заявлено 30.05.2016, опубликовано 10.12.2016

3. Ездина А. А., Пономарева О. А., Фоминых

A. В./Регулирующее устройство с использованием скручивания потока проводимой среды. В сборнике: Научное обеспечение реализации государственных программ АПК и сельских территорий, 2017. С. 393-396.

4. Чиняев И.Р., Фоминых А.В., Овчинников

B.М. Определение гидравлических характеристик запорно-регулирующих задвижек // Аграрный вестник Урала. - Екатеринбург: Изд-во Уральской ГСХА, 2013. № 2 С. 23-26.

5. Чиняев И.Р., Фоминых А.В., Сухов С.А. Повышение надёжности и эффективности работы шиберной запорно-регулирующей задвижки [Текст] / А. В. Фоминых, Сухов С.А., И.Р. Чиняев // Экспозиция нефть газ. - 2013. - № 5. - С. 80 - 82.

6. Чиняев И.Р., Фоминых А.В., Овчинников

B.М. Определение коэффициента сопротивления запорно-регулирующих задвижек // Материалы LII международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству» (под. Ред. докт. техн. наук, проф. Н.С. Сергеева. - Челябинск: ЧГАА, 2013.-ч.^. 212 с. С. 218-226.

7. Чиняев И.Р., Шанаурин А.Л., Фоминых А.В. Пример расчета прохождения среды через запор-но-регулирующую задвижку //Зауральский научный вестник. Вып.2(2012). - Курган: Институт развития образования и социальных технологий, кГу, 2012. - С. 20-21.

8. Фоминых А. В., Овчинников Д. Н., Чиняев И. Р. Определение гидравлических характеристик запорно-регулирующих задвижек/ Аграрный вестник Урала. - 2012, № 2 - С. 27 - 30.

9. Фоминых А. В. Кавитация в шиберных задвижках / И. Р. Чиняев, А. В. Фоминых, В. С. Ерош-кин // Территория «Нефтегаз. - 2013. № 5. - С. 4849.

10. Фоминых А. В. Определение гидравлических и кавитационных характеристик клеточного клапана /И.Р. Чиняев, Е.А. Пошивалов, Е.А. Ильиных/Вестник Курганской ГСХА. - 2016. № 1 (17).

C. 71 -75.

11. Chinyaev I. R. The Method of Determining the Cavitation Characteristics of Valves /I. R. Chinyaev A.V. Fominykh, E.A. Pochivalov // Procedia

Engineering 150. - 2016. - С. 260-265.

12. Фоминых А. В. Регулирование расхода на водозаборе в системе первого подъёма воды [Текст] / А. В. Фоминых, И. Р. Чиняев, Е. А. Пошивалов, С. А. Сухов // Вестник ЧГАА, т.70, 2014., г. Челябинск, с.136-140.

13. Chinyaev I. R Energy-Saving Shut-Off and Regulating Device /I. R. Chinyaev, A. V. Fominykh, S.A. Sykhov // Procedia Engineering 150. - 2016. - С. 277-282.

14. Чиняев И. Р., Фоминых А. В., Пошивалов Е. А., Сухов С.А. Определение пропускной характеристики задвижки шиберной запорно-регулирующей / Экспозиция нефть газ. - 2015. № 2. - С.38-40.

15. Chinyaev I. R. The valve is a shutoff for the passive protection systems of pipelines /I. R. Chinyaev, A. V. Fominykh, E. A. Ilinykh // Procedia Engineering 150. - 2016. С. 220-224.

16. Фоминых А. В. Опыт использования ГОСТ Р 55508-2013 при определении гидравлических и кавитационных характеристик запорно-регулирующего клапана клеточного / И .Р. Чиняев, Е.А. Пошивалов, Е. А. Ильиных //Территория нефтегаз. - 2016. № 7-8. - С. 96- 100.

17. Фоминых А. В. Анализ методик экспериментального определения кавитационных характеристик трубопроводной арматуры /Е. А. Пошивалов, И. Р. Чиняев, А. Л. Шанаурин //Трубопроводная арматура. - 2016. № 4 - С. 4245.

18. Фоминых А. В. Трубопроводная арматура как основа систем пассивной защиты /И. Р. Чиня-ев, А. Л. Шанаурин, Е. А. Ильиных //Арматуростроение. - 2016. № 4 - С. 58-63.

19. Фоминых А.В. Гидравлические и кавита-ционные характеристики регулирующих клапанов в диапазоне давлений до 3,0 МПа/Л.В. Котельников, Е.А. Пошивалов, И.Р. Чиняев, А.Л. Шанаурин, А.В. Фоминых //Трубопроводная арматура. - 2017. № 2 - С. 54-55.

20. Пташкина-Гирина О. С., Современные технологии и устройство для очистки жиросодер-жащих и нефтесодержащих сточных вод [Текст] / О.С. Пташкина-Гирина, В. В. Старших, Е.А. Максимов // Вестник ЧГАА, т.64, 2013., г. Челябинск, с.62-65.

21. Сухов С. А., Чиняев И. Р., Фоминых А. В. Шиберное запорно-регулирующее устройство / Трубопроводная арматура. - 2017, № 5 - С. 3639.

Фоминых Александр Васильевич,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры эксплуатации и ремонта машин, ФГБОУ ВО «Курганская государственная сельскохозяйственная академия имени Т.С. Мальцева», е-mail: prof fav@mail.ru

Пономарева Ольга Анатольевна, кандидат технических наук, доцент кафедры технических систем в агробизнесе, ФГБОУ ВО «Курганская государственная

сельскохозяйственная академия имени Т.С. Мальцева», е-таН: 18osen@rambler.ru

Ездина Анна Анатольевна, аспирант кафедры эксплуатации и ремонта машин,

ФГБОУ ВО «Курганская государственная сельскохозяйственная академия имени Т.С. Мальцева», е-mail: angel 4.1@mail.ru