CC BY
56
Инженерия
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИХ ЗАДВИЖЕК
А. В. ФОМИНЫХ, доктор технических наук, профессор,
Д. Н. ОВЧИННИКОВ,
кандидат технических наук, доцент, v „
Т/Т D итшагк 641300, Курганская обл., Кетовскии р-н, К is с ЛесниК0в05 п> КГСХА;
аспирант, Курганская государственная сельскохозяйственная хел . g (35231) 4-42-30,89195864051;
академия имени Т. С. Мальцева e-mail: odn_ksa@mail.ru
Положительная рецензия представлена В. Я. Герасимовым, доктором технических наук, профессором Курганского государственного университета.
Цель и методика исследований.
В соответствии с Водной стратегией Российской Федерации на период до 2020 г., утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 27 августа 2009 г. № 1235-р, развитие жилищно-коммунального комплекса, ориентированное на обеспечение гарантированного доступа населения России к качественной питьевой воде, рассматривается как задача общегосударственного масштаба, решение которой должно быть осуществлено за счет реализации мероприятий федеральной целевой программы «Чистая вода» на 2011-2017 гг. [1]. Одной из задач программы является стимулирование производства инновационного отечественного оборудования, технологий и материалов, необходимых для создания и обеспечения функционирования систем водоснабжения и водоотведения в соответствии с современными стандартами. За 3 года действия программы «Чистая вода» в Зауралье построили и реконструировали 150 км водопроводных сетей. На эти цели областное Правительство направило более четырехсот пятидесяти миллионов рублей.
На сельское хозяйство приходится 70 % всей воды, отбираемой сельскохозяйственным, муниципальным и промышленным (включая энергетику) секторами. Растущий спрос на продукты животноводства, в частности, увеличивает спрос на воду [2]. Основное отличие сельскохозяйственного водоснабжения заключается в рассредоточенности и сезонной цикличности сельскохозяйственного производства. Водопотребители (люди, животные, машины), выполняя производственные операции (пахота, уборка, пастьба животных) перемещаются по территории. Все это увеличивает дальность транспортировки воды, усложняет системы водоснабжения и затрудняет их эксплуатацию [3]. Спрос на запорно-регули-рующие задвижки растет, в том числе и для систем сельскохозяйственного водоснабжения. Совершенствование конструкции запорно-регулирующих задвижек и методов их расчета является актуальной задачей.
Методика расчета движения жидкости в запорно-регулирующих задвижках. Выберем расчетные сечения на схеме запорно-регулирующей задвижки (рис. 1): 1-1 — сечение в трубе перед шибером; 2-2 — сжатое сечение струи в зазоре; 3-3 — выходное сечение из зазора между шибером и стенкой трубы (проходное сечение шибера); 4-4 — сечение в трубе после шибера на расстоянии 5d от шибера.
Между сечениями 1-2 происходит вход потока жидкости из трубы в зазор между шибером и стенкой трубы. Между сечениями 2-3 течение жидкости в зазоре. Между сечениями 3-4 выход потока из зазора в трубу.
ммм.т-ауи. пэгоб. ги www. э уи.ивэсэ. ги
Принятые допущения. Задвижка расположена горизонтально. При d/b > 2 зазор между шибером и стенкой трубы рассматриваем как круглый насадок. При d/b < 2 течение в зазоре рассматриваем как через отверстие (диафрагму). Течение рассматриваем при несовершенном сжатии, так как зазор расположен возле стенки трубы. Коэффициент, учитывающий неравномерность распределения скоростей в сечении потока, а = 1. При выходе из зазора в сечении 3 площадь струи равна площади зазора (безотрывный режим течения). Запишем уравнение Бернулли для выбранных сечений [3, 4]:
Рх/(рх Е) + ^2/(2х е ) = Р2/(рх е) + У22/(2х g) + \_2 =
Р3/(рхе) + ¥3 /(2хе) + Иу_г = РА/(рхе) + У2(2х2 +2, (1)
где Р — давление, Па;
р — плотность жидкости, кг/м3;
Е — ускорение свободного падения, м/с2;
V — скорость жидкости, м/с;
/1-з = 2 + /2-3, /1-4 = /-2 + *2-3 + *3-4 — потери на-
пора на соответствующих участках задвижки, м.
*1-4 = С х V,2 / (2 хе), / =С„ х ¥22 / (2 хе),
*2-3 = (V х ¥3)2 2 (2 х Е), *3- = (¥3 - ¥4 )2 / (2 х е), (2)
где С - коэффициент гидравлического сопротивления задвижки, отнесенный к скорости потока в трубе (сечения 1, 4);
Свх - коэффициент гидравлического сопротивления входа в зазор.
Потерю напора между сечениями 1 и 4 представим: Сх¥42/(2хе) =Свх х¥22/(2хе) + (У2 -¥3)2/(2хе) + (V -¥4)2/(2хе). (3)
По уравнению расхода при S1 = S4:
V = К4, V3 хSз = V хS4, Vз хSз = V хS2, V, = Vз/s,(4)
где S — площадь сечения потока, м2;
£ — коэффициент сжатия струи при входе в зазор.
1 WV ^^шибе^ P-Jj D труба
V к\\ 3 d
h ::
1 2 З 4
Рисунок 1
Расчетная схема запорно-регулирующей задвижки: d — диаметр трубы, Ь — толщина шибера и длина зазора,
h — ход шибера
Инженерия Д7
Vз = V4 х 54 /53, V/ = V4 х54 /(е х53). (5)
Значение £ при несовершенном сжатии зависит от соотношения площадей зазора и трубы и может быть определено по формуле [4]:
е= 0,62 + 0,38 х ^3/ S4)/. (6)
Подставим выражения (4) и (5) в (3) и определим коэффициент сопротивления задвижки:
С = № /Sз)/ хСвх /е2 + (^ /Sз)/ х(1/е -1)2 + (S4 /Sз -1)2, (7) где S4 / S3 =/(/), отношение площади трубы к площади проходного сечения задвижки, является функцией величины подъема шибера.
Значения коэффициента расхода ц в зоне турбулентной автомодельности можно определить расчетным путем:
^ Ц = 1Ц1 + С. (8)
Расход через проходное сечение проточной части задвижки Q, м3/с, определяется:
<2 = ^х S^Л//gхH, (9)
где Н — потери напора на задвижке, м.
Средняя скорость потока в трубе составит:
= 2 /V (10)
Числа Рейнольдса потока в трубе и в зазоре определяются по выражениям:
Re) = 4х2/(пхухd), Re = 4х2/(пхух/), (11)
где V — кинематическая вязкость жидкости, м2/с.
Результаты исследований.
На основании проведенных исследований движения жидкости в шиберных задвижках предложена конструкция запорно-регулирующей задвижки, патент на изобретение № 2464470 [5] (рис. 2). Задвижка содержит корпус 1 с подводящим 2 и отводящим 3 патрубками, имеющими профилированную рабочую зону. Шибер 8 при закрытии задвижки взаимодействует с подпружиненным относительно корпуса стабилизатором 12, размещенным между седлами 5 и 7 и взаимодействующим с последними заплечиками 13 и закрывающим их уплотнительные поля. В закрытом положении задвижки шибер 8 взаимодействует со стабилизатором 12. При подъеме шибера стабилизатор поднимается в контакте с шибером под действием пружины 11 до упора заплечиками 13 в седла 5 и 7. При этом стабилизатор закрывает уплотнительные поля седел и предохраняет их от износа особенно в начале регулирования потока при малых расходах и больших скоростях жидкости.
В основе конструкции запорно-регулирующего узла задвижки применен затвор шиберного типа:
1. нижняя торцевая радиусная поверхность шибера и ответная поверхность стабилизатора снабжены рядом выборок в виде либо радиусных, либо угловых, либо прямоугольных образующих в соединении обеих деталей, либо отверстия, либо ромб, либо прямоугольник. Предпочтительно выполнение, как менее трудоемкое, отверстий, выполняемых в обеих деталях одновременно одной операцией — сверлением;
2. радиусные выборки (канавки) на торцевых поверхностях, как шибера, так и стабилизатора, выполняют роль разделителей потока в начальной стадии открытия, что обеспечивает проход через эти каналы проводимой среды на большой скорости. При этом кавитационный процесс, возникающий в проводимой среде, происходит не непосредственно за шибером, а на определенном расстоянии от него в зависимости от скорости среды, что уменьшает кавитационные разрушения обратной стороны шибера, и это особенно важно в начальной стадии открытия;
о
о.
о
с;
10,0
9.5
9.0
8.5
8.0
7.5 7,0
ОПЫТ1 опыт 2 опыт 1 опыт 2 опыт 1 опыт 2
Молочно- гречневая Молочно- рисовая Молочно- овсяная
I Общее количество микрофлоры Количество бифидобактерий
Рисунок 1
Микробиологические показатели ферментированных молочно-растительных смесей
3. кроме упомянутого в пункте 2, продольные радиусные канавки выполняют функцию аналогичную спрямляющим сеткам и решеткам, то есть, в конечной стадии закрытия происходит стабилизация (снижение турбулентности) потока проводимой среды. Выполнение радиусных канавок с определенным шагом, например через два ее диаметра, способствует процессу стабилизации потока.
Расчет чисел Рейнольдса потока от хода шибера и длины трубопровода по формулам (11) показал, что в проходном сечении задвижки режим течения воды соответствует зоне турбулентной автомодельности (рис. 3). Поэтому для гидравлических расчетов задвижки используются формулы, соответствующие этому режиму.
Минимальные значения числа Рейнольдса имеют место в начале дросселирования и полном открытии шибера. Начиная с четвертого положения шибера, числа Рейнольдса превышают значение 104.
Источником воды для поселка Курганской ГСХА расположенного на территории села Лесниково Ке-товского района Курганской области является река Тобол. Вода подается насосом К 160/30. Для учета подачи воды используется расходомер ИПРЭ-3. Подача воды в систему очистки регулируется в зависимости от качества воды. При снижении качества воды, например во время паводка, подача уменьшается задвижкой. В конце лета качество воды ухудшается, так как вода «цветет». Для регулирования подачи установлена предлагаемая запорно-регулирую-щая задвижка.
Расчетные значения параметров предлагаемой задвижки, отнесенные к скорости потока в трубе диаметром 225 мм, приведены в табл. 1.
Коэффициент сопротивления трубопровода с наружным диаметром 225 мм при толщине стенки трубы 8 мм длиной 250 м К = 2033 при коэффициенте сопротивления трения X = 0,04. Расчет значений параметров предлагаемой задвижки выполнен для 19 положений шибера.
Уже в начале дросселирования (при / = 15,5 мм, положение шибера 2) числа Рейнольдса при указанных перепадах давления составляют 1,056 х 104; 3,338 х 104 и 5,782 х 104 при соответствующих давле-
www.m-avu.narod.ru м/м/м/, avu.usaca.ru
Инженерия
3? е
г. ч 1
ЧЧ 4
ч 2
> 3
Исправление среды
140 И, мм
Рисунок 3
Зависимость числа Рейнольдса потока в проходном сечении от хода шибера и длины трубопровода при напоре 1000 кПа: 1 — длина трубы 200 м; 2 — длина трубы 500 м;
3 — длина трубы 1000 м ниях, что свидетельствует о течении воды в зоне турбулентной автомодельности. При дальнейшем подъеме шибера числа Рейнольдса резко возрастают. Рост чисел Рейнольдса ограничен, так как расход через задвижку ограничен максимальной подачей насоса. Все зависимости имеют экстремальное значение, после которых значения чисел Рейнольдса при постоянном расходе 0,0444 м3/с уменьшаются.
Выполнены расчетные исследования при работе насоса К 160/30 на водопровод диаметром 225 мм длиной 250 м и предлагаемой задвижке. Рассчитаны характеристики трубопровода для 17 положений задвижки, определены рабочие точки. Рабочие точки определены при решении в Mathcad системы двух уравнений: уравнения характеристики насоса и уравнения характеристики трубопровода при соответствующем положении шибера задвижки.
Ннас =-а Х Q2 + Ь Х Q + С .
2 (12)
Н = Н + К х О ,
потр ст ^ ’
где Нст — статический напор, м; в рассматриваемом примере Нст = 33 м;
К — характеристика трубопровода:
К = (1,2 х^х Ь / d + Zj) х16/(2 х g хп2 х d 4);(13) где С ■ — сопротивление задвижки ву-ом положении. Для решения системы уравнений использовалась встроенная в Mathcad программа и метод простой итерации. При положениях шибера выше тринадцатого схождение решения ухудшается. Для наглядности графики построены в диапазонах подачи насоса от 0,0 до 0,003 м3/с для положений шибера с 2-го по 10-е (рис. 4) и от 0,0 до 0,050 м3/с для положений шибера с 9-го по 18-е (рис. 5).
Рисунок 2
Схема запорно-регулирующей задвижки по патенту № 24644701 — корпус задвижки; 2 и 3 — подводящий и отводящий патрубки; 4 — пружины седла; 5 и 7 — седла; 6 — уплотнение; 8 — шибер; 9 — шпиндель; 10 — поверхность пяты, сопрягаемая с рабочей поверхностью шибера (как вариант поверхности профилированные); 11 — пружина пяты; 12 — пята (или стабилизатор); 13 — заплечики пяты;
14 — пробка
Для насоса К 160/30 в уравнение характеристики (12) подставляются значения: а = 4000; Ь = 40; с = 42. На рис. 4 напор, создаваемый насосом, составляет 41...42 м водного столба и характеристика близка к прямой линии.
Из рисунков видно, что шибер оказывает регулирующее воздействие на поток до 15-го положения, что составляет 70 % хода шибера.
Патент на изобретение № 2464470 используется в запорно-регулирующих задвижках серии MKTR диаметром от 80 до 150 мм, выпускаемых ООО НПФ «МКТ-АСДМ» г. Курган. Детали такой задвижки показаны на рис. 6.
Выполненные расчеты показали, что предлагаемая задвижка обеспечивает диапазон регулирования подачи до 70 % хода шибера и может использоваться в качестве запорно-регулирующей в системах водоснабжения. Этот вывод подтверждается экспериментом (рис. 7).
При положениях шибера выше 60 мм экспериментальные значения расхода меньше расчетных, что объясняется большим сопротивлением в старом трубопроводе. В расчетах коэффициент сопротивления трения принят X = 0,04.
Таблица 1
Расчетные значения параметров задвижки, отнесенные к скорости потока в трубе диаметром 225 мм
2.5-10
2-10
1.5-10
1 10
5 10
0
20
40
60
80
100
120
Положение шибера 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Ход шибера п, мм 0 15,0 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5 20,5 21,5 22,5 29,5 43,65 58,2 72,75 87,3 101,85 116,4 130,95 145,5
Площадь проходного сечения, м2 0 0 1,8 х 10-6 9,1 х 10-6 2,9 х 10-5 7,5 х 10-5 1,5 х 10-4 2,2 х 10-4 2,9 х 10-4 3,4 х 10-4 0,001 0,003 0,005 0,007 0,009 0,01 0,012 0,013 0,014
Коэффициент сжатия струи £ 0 0 0,620 0,620 0,620 0,620 0,620 0,620 0,620 0,620 0,620 0,623 0,628 0,635 0,644 0,654 0,664 0,674 0,685
Коэффициент сопротивления с го го 1,4 х 109 5,5 х 107 5,5 х 106 8,1 х 105 2,2 х 105 9,1 х 104 5,3 х 104 3,8 х 104 3,2 х 103 431 152 75 43 28 20 15 13
Коэффициент расхода Н 0 0 2,7 х 10-5 1,3 х 10-4 4,3 х 10-4 1,1 х 10-3 2,1 х 10-3 3,3 х 10-3 4,4 х 10-3 5,1 х 10-3 0,018 0,048 0,081 0,115 0,150 0,185 0,218 0,248 0,271
www.m-avu. пэгоб. ги www.avu.usaca. ги
Инженерия
1 ■ ■ 1 #
10 ч/ 1 * 11 ' "V ! / 15 16 А у
г ■ 9 / 1 I # * 1 12 ' ^''14 / ,>■> - -
■ 0 г ■ ■ / У13 , 17
■ 1 4 * *
* «А
О, м3/с
Рисунок 4
Работа насоса К 160/30 на водопровод диаметром 225 мм длиной 250 м в диапазоне подачи от 0,0 до 0,003 м3/с: 2...10 — положения шибера с 2-го по 10-е
т
Рисунок 5
Работа насоса К 160/30 на водопровод диаметром 225 мм длиной 250 м в диапазоне подачи от 0,0 до 0,050 м3/с: 9... 18 — положения шибера с 9-го по 18-е
а б
Рисунок 6
Задвижка запорно-регулирующая МКТЁ. патент № 2464470: а — корпус задвижки (вид со стороны фланца, вид сверху);
б — шибер в сборе со стабилизатором
Выводы. Рекомендации.
1. Разработаны аналитические выражения, которые описывают процесс движения жидкости в зазоре между шибером и седлом запорно-регулирующей задвижки при наличии стабилизатора и позволяют исследовать влияние конструктивных параметров задвижки и положения шибера на расход жидкости и потери напора на задвижке.
2. В процессе исследований установлены значения чисел Рейнольдса, силы давления жидкости на шибер, коэффициентов сжатия струи, сопротивления, скорости и расхода запорно-регулирующей задвижки в функции от хода шибера при наличии стабилизатора.
3. Течение воды через зазор между шибером и стабилизатором, а далее по мере подъема шибера, между шибером и седлом происходит в зоне турбулентной автомодельности при значениях чисел Рейнольдса более 104.
4. Выполненные исследования показали, что предлагаемая задвижка обеспечивает диапазон регулирования подачи до 70 % хода шибера и может использоваться в качестве запорно-регулирующей в системах водоснабжения.
Литература
1. Федеральная целевая программа «Чистая вода» на 2011-2017 гг. Постановление правительства РФ от 22 декабря 2010 г. № 1092 (с изменениями на 26 июня 2012 г.). Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации. URL : http://docs.cntd.ru/document/902173350.
2. Управление водными ресурсами в условиях неопределенности и риска. Обзор важных сообщений из 4-го доклада ООН об освоении водных ресурсов мира. URL : http://www.vodainfo.com/ru/lib/unesco_reports/wwdr4.html.
3. Исаев А. П. Гидравлика и гидромеханизация сельскохозяйственных процессов. М. : Агропромиздат, 1990. 400 с.
4. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М. : Машиностроение, 1992. 672 с.
5. Запорно-регулирующая задвижка : пат. 2464470 РФ № 2010126685/06, заявл. 29.06.10 г., опубл. 20.10.12 г. Бюл. № 29.
Рисунок 7
Зависимость расхода в водопроводе диаметром 225 мм длиной 250 м от хода шибера опытной задвижки: 1 — расчет; 2 — эксперимент
40
38
36
34
0
www.m-avu.narod.ru №№№. avu.usaca. ги
