Определение насосного эффекта трансзвукового струйного аппарата Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

С:

3

а «

I

S;

t— г

s

р

È

о

с за

I

аз

5: g

г *

s

о

5

о

5J

S §

у

I

s 5

Но

■ П р,

построение функциональной модели системы и определяем коэффициент сохранения эффективности всей системы при отказе каждого из функциональных звеньев. Эффективность функционирования всей системы (Щ описывается моделями Ушакова И.А. и определяется уровнем сохранения эффективности, при отказе соответствующего функционального звена, соответственно \Л/,, ... \ЛА, ...\№п,. Учитывая состояния системы с отказом только одного элемента при условии работоспособности остальных, можно записать в общем виде [ 4 ]: п

№ \Мо*Но + X \М*Н1,

/=1

где Но - вероятность состояния системы без отказов функциональных элементов;

П Рк

,Н1 = (1-Р1)Ч-=1 , /=1 Ы

где Р - вероятность безотказной работы ¡-го функционального элемента, п - количество элементов, Н - вероятность состояния системы с отказом одного ¡-го функционального элемента. По результатам анализа эксплуатационно-технической документации (инструкции по проведению пусков при задержках, отказах, альбомов графиков) можно определить \Л/ . Мелкие неполадки, как правило, вызывают незначительные отклонения от графика проведения пуска. Если происходит некоторая задержка, обусловленная отказом какого-либо функционального звена, то всем обслуживающим пуск техническим и другим службам приходится выполнять дополнительную работу. При этом происходит потребление энергоресурсое. времени, материалов и т.д. Если учесть, что практически любая сложная техническая система наиболее полно характеризуется затратами на ее эксплуатацию с одной стороны, и эффективностью применения, с другой, и под эффективностью обычно понимают способность технической системы выполнять функции, для которых она предназначена в заданных условиях ее использования, то становится очевидным некоторое снижение эффективности при появлении задержки пуска. Качество функционирования можно отслеживать пооперационно, сопоставляя график пуска и реальное время, которое потребовалось на выполнение подготовки к пуску системы ЛА. В настоящее время для оценки времени подготовки пуска системы используется такой показатель, как отношение планового времени и реального времени подготовки к пуску с учетом задержки. В предлагаемой методике определяем коэффициент сохранения эффективности при отказе ¡-го функционального звена: _

т

план.

W , =

т + т

план. iзадержки

где Тплан, - отведенное время на выполнение пуска по графику пуска; Т; задержки - время, которое потрачено сверх планируемого по графику при отказе ¡-го функционального звена. Физический смысл \Л/ можно определить как степень соответствия между планируемыми и реальными параметрами функционирования системы, наглядно показывает влияние отказа каждого функционального звена при подготовке к пуску на эффективность сис-

темы ЛА. Предлагаемая методика позвопяет давать оценку снизу эффективности функционирования Л А с учетом до верительной вероятности (у). Это заключается в пооуше нии оценки надежности системы снизу, которая в данное время зачастую занижается. В качестве оценки Н0 могу1 использоваться любые оценки вероятности безотказно! работы системы по всем элементам пои подготъз;^ у -ч . КУ п

Н.-ГП

; = 1

Наиболее часто используются О1,очки [ 3 ], полученные для последовательных систем. Если в результат мс пытаний [ 3 ] мы не получили ни одного отказ?, то оценп снизу для надежности системы Р((з) совпадает с надежности того блока, для которого объем испыт^^ наименший, т е по принципу «слабейшего зес-н^

где

Рсист. = Я1"1^ = Но

п п

- элемент, надежность которого определена гю ре зультатам наименьшего количества испытаний. Оценку надежности всего ЛА возможно производить по самплу наименее испытанному функциональному элементу Р случаях наблюдения отказов при испытаниях для нзхо к дения Но используются методы [ 3 ] для nyeccoKoerKvm . нормального приближения.

В работе [ 3 ] доказано, что минимум функции W д;ис тигается когда все Р| одинаковы и равнь: р - Но1'п P'vj ставляя [2] полученное значение р в формулу дг' ч хождения эффективности получаем исковую :.>це-" у.

W = Wo *Но + п * (1 - Но1/п) * *Но1-1/г;

II

w-

где п - количество элементов. Возможно распрос нение данного метода оценивания параметров качеи.й функционирования системы ЛА и на другир си- • \ метод не требует каких-либо дополнительна:, ¡.ч' ний, присущих только ЛА.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дедков В.К. Надежность и восстанавливаемость технических устройств в эксплуатации //Ленинград, 1968

2. Комаревич Л.В. Экспериментально расчетные мек; ды статистического оценивания эффективности /'/ о. •.. ОмГТУ, 1996.

3. Мирный P.A. - Соловьев А.Д. Оценка надежности снуемы по результатам испытания ее компонент /: CG Ki^ep." нетику на службу коммунизму. - М. Энергия, !964 г? С.213-218.

4. Ушаков И.А. Надежность технических систем, справочник// М.: Радио и связь, 1985.

КОМАРЕВИЧ Леонард Васильевич г н . профос

сор кафедры «АУ» ОмГТУ.

ГРИЦЕНКО Дмитрий Владимирович аспирант ка федры «АУ» ОмГТУ.

ГОРОХОВ Александр Владимирович - аспирант ка федры «АУ» ОмГТУ.

МАКАРОВА Людмила Валерьевна - аспиранта i а федры «АУ» ОмГТУ.

15 июня г

В. Л. ЛАНШАКОВ, М. Ю. СЕРГАЕВА

Омский государственный технический университет

УДК 621.165.51.013

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАСОСНОГО ЭФФЕКТА ТРАНСЗВУКОВОГО СТРУЙНОГО АППАРАТА

В СТАТЬЕ ПРЕДСТАВЛЕНА МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРИСОЕДИНЕННОЙ МАССЫ СВЕРХЗВУКОВОЙ НЕРАСЧЕТНОЙ СТРУИ ПАРА, ЭЖЕКТИРУЮЩЕЙ ВОДУ В КАМЕРУ СМЕШЕНИЯ ТРАНСЗВУКОВОГО СТРУЙНОГО АППАРАТА.

В настоящее время в России и за рубежом находят чего водоснабжения, отопления, подготовки топлив, деаэ-все более широкое применение трансзвуковые струйные рирования, химводоочистки; -в пищевой, фармацевтичес-аппараты (ТСА). В энергетике они используются для горя- кой и химической промышленности ТСА применяется в

3 ,2 7 11 10 9

• / / /

—►

4 6

Рис. 1. Физическая картина смешения пара и воды в ТСА:

1 - сверхзвуковое сопло; 2 - камера смешения; 3 - устройство подвода холодной воды; 4 - линии тока пара; 5 - линии тока воды; 6 -ударно-волновая структура сверхзвуковой струи пара; 7 - границы слоя смешения; 8 • капельная структура; 9 - пузырьковая структура; 10 - условная граница разделения структур в слое смешения; 11 - пристеночная вихревая зона; 12 - линии тока двухфазной смеси.

качестве дозаторов, гомогенизаторов и стерилизаторов.

Физико-математическое описание процессов, происходящих в ТСА, представлено в работе [1]. Работа такого струйного аппарата основывается на теоретически обоснованном и экспериментально подтвержденном факте резкого уменьшения скорости звука в двухфазной смеси пара и воды, которая образуется в камере смешения ТСА. Затем данная смесь ускоряется в сверхзвуковом сопле, что позволяет при ее торможении получить горячую воду под высоким давлением.

Для достижения требуемых характеристик - температуры и давления горячей воды необходимо определить параметры сверхзвуковой струи пара и конструктивные размеры струйного аппарата, учитывая, что температура подаваемой холодной воды должна быть заданной, а ее давление примерно равно атмосферному, поскольку в этом и заключается высокая эффективность ТСА, работающего как насос.

Для решения поставленной задачи необходимо рассмотреть физическую картину взаимодействия пара и воды в камере смешения ТСА, которая представлена на рис.1. Сверхзвуковая струя пара 4 вследствие своей высокой эжекционной способности вовлекает в течение холодную воду 5. При этом образуется слой смешения 7, распространение внутренней границы которого к оси струи разрушает ее ударно-волновую структуру 6. Внешняя граница слоя смешения отодвигается к периферии, и вследствие вязких эффектов образуется пристеночная вихревая зона 11, где циркулирует небольшая масса двухфазной смеси. Наряду со смешением пара и воды, в слое 7 происходят и другие процессы: испарение воды и конденсация пара. Указанные процессы обуславливают наличие в слое смешения двух структур: капельной 8 и пузырьковой 9, которые могут быть разделены условной границей 10 в зависимости от концентрации воды и пара [2].

Параметры эжекции воды струей являются определяющими при расчете ТСА для получения требуемых характеристик. К настоящему времени опубликован ряд работ, посвященных данному вопросу, и их отдельные результаты имеют практическое применение. Однако отсутствуют методики, полностью соответствующие постановке данной задачи.

На основе рассмотренной физической картины процесса разработана схема расчета присоединенной массы сверхзвуковой струи пара, представленная на рис.2. Поскольку для решения подобных задач хорошо зарекомендовали себя интегральные методы, необходимо задать

профили продольных скоростей и массовых концентраций примесей в слое смешения. Из большого разнообразия профилей целесообразно выбрать такой профиль, который был получен для газожидкостных сред [2]:

и/и5=ех р(-4'1г?2)'

/с =ехр(-4,1-&-772 ),

/£ =1-ехр(-4,1-&-7/2),

где индексы: 5 - для параметров на внутренней границе слоя смешения 1, е - для параметров на его внешней границе 2, д - для параметров газа, а \л/ - для параметров воды; Бс - число Шмидта;

л =

У

- относительная поперечная координата; О 8 - толщина слоя смешения (рис. 2). Величина присоединенной массы находится из следующего выражения:

щ,.

= 1

**( сЬп.

ёт.

\

IV

с1х с1х

с1х,

где. хз - длина эжектирующеи части струи, которая может быть определена по методике работы [3], позволяющей рассчитать положение пристеночной вихревой зоны и ее длину хв; Шсм ? - соответственно расход двухфазной смеси и пара в слое смешения.

Расходы определяются аналогично,

поэтому можно записать: _

т- 2лIр17гс!г,

0

1

I §

§

о С)

0

3

<0 ©

1

3

а;

I

1

(Я

о -1

0

Г)

1

1

2

а: «

а

Рис. 2. Схема расчета присоединенной массы сверхзвуковой струи пара:

1 - внутренняя граница слоя смешения; 2 - внешняя граница слоя смешения; 3 - профиль продольных скоростей; 4- профиль плотности пара; 5 - профиль плотности воды.

то есть:

1 (Г Л

т = 2п82\рЩ — + г\ <Лг\.

о )

Следовательно, расход пара в слое смешения находится из выражения:

5

р

0

1

о

о аз

0

К

и

с §

1

1Т>

о о

5

0

и

г

1

I

I

о

\дя о о

а расход двухфазной смеси определяется по формуле, полученной с учетом того, что р.„ » р^..

'у

т = 2к8 р их

см см г-те д

Г1 см

(\

\ $ см 40

\ 1 0

йц -¡е^ ^г! + цйц -

у

у

После интегрирования представленных выражений и подстановки Эс=0,75 [2] формулы для определения расходов принимают вид:

/

тк = 2л

\

0,105— + 0,07

/

™см = 271

\

0,078-^ + 0,052

V

$см

$смР«еи8

У

Характеристики сверхзвуковой газовой струи можно определить по методике, изложенной в работе [4], а изменение геометрических параметров двухфазной струи по сравнению с однородной удобно учесть коэффициентом к, определяющим степень турбулентности и влияние переменной плотности [2]. Полагая, что толщина бсм слоя смешения, одинаково расширяющегося к оси струи и ее периферии, возрастает пропорционально бд, окончательно можно записать:

Щгр - 2ки5[к2 -

/

/

Рис

\

0,078 — + 0,052

/

\

Р88

У

0,105— + 0,07

Сравнение расчета коэффициента эжекции по представленной методике с экспериментально установленной величиной [1], показало их удовлетворительное согласование (в пределах 5%).

ЛИТЕРАТУРА чального участка струи: Приложение к отчету по НИР №

1. Фисенко В.В. Сжимаемость теплоносителя и эффектив- ГРХ08944. Л: ЛМИ, 1983.- 123 с. ность работы контуров циркуляции ЯЭУ. М.: Энергоиздат,

1987 - 201 с. ЛАНШАКОВ Владимир Лазаревич - кандидат техни-

2. Абрамович Г.Н. и др. Теория турбулентных струй. ческих наук, доцент, заместитель проректора по научной ра-

М: Наука, 1984,-716 с. 3. Добросердов И.Л., Ланшаков В.Л., Пилкин Е.И. Расчет

боте Омского государственного технического университета; СЕРГАЕВА Марина Юрьевна - инженер кафедры ав-

взаимодействия сверхзвуковых струй с наклонными пре- томатических установок Омского государственного тех-градами II Динамика систем,- ОмПИ, Омск, 1986.- с.45-48. нического университета.

4. Бобышев С.В., Добросердов И.Л. Методика расчета на-

10 июня 1999 г.