CC BY
47
8о арматура
УДК 628.146
Повышение надёжности и эффективности работы шиберной запорно-регулирующей задвижки
И.Р. Чиняев
аспирант [email protected]
А.В. Фоминых
доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой механизации животноводства2
С.А. Сухов
инженер1 [email protected]
1ООО НПФ «МКТ-АСДМ», Курган, Россия 2Курганская государственная сельскохозяйственная академия им. Т.С. Мальцева, Курган, Россия
Изложены результаты исследования и обоснование конструкции шиберной запорно-регулирующей задвижки.
Материалы и методы
На основании уравнения Бернулли разработана методика расчёта, и получены значения чисел Рейнольдса, коэффициентов сжатия струи, сопротивления, скорости и расхода шиберных задвижек в функции от хода шибера. Использование программного комплекса ДЫБУБ позволяет визуализировать процесс прохождения потока жидкости через задвижку.
Ключевые слова
запорно-регулирующая задвижка, эпюра скоростей прохождения среды
На основании анализа износа задвижек, бывших в эксплуатации, и проведённых расчётных исследований движения жидкости в шиберных задвижках предложена запорно-регулирующая задвижка, в которой пространство под шибером заполнено деталью, названной стабилизатором (рисунок 1). Выберем расчётные сечения на схеме шиберной задвижки [1]:
Стабилизатор поджат к торцевой поверхности шибера пружиной. Поджатие обеспечивает совместное их перемещение вплоть до упора плеч стабилизатора в проточки сёдел. При подъёме шибера стабилизатор занимает пространство под шибером и закрывает нижнюю часть уплотнительных полей седла от воздействия проводимой среды. Стабилизатор уменьшает турбулиза-цию потока жидкости за шибером, направляет поток жидкости вдоль нижней стенки корпуса задвижки. Меняя конструкцию стабилизатора можно управлять местами расположения зон образования и схлопы-вания кавитационных пузырьков.
Между сечениями 1-2 происходит вход потока жидкости из трубы в зазор между шибером и стабилизатором. Между сечениями 2-3 течение жидкости в пространстве под шибером. Между сечениями 3-4 выход потока из под шибера в пространство за шибером.
Принятые допущения. Задвижка расположена горизонтально. При ^Ь > 2 зазор между шибером и стенкой трубы рассматриваем как круглый насадок. При ^Ь < 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. Запишем уравнение Бернулли для выбранных сечений:
^^■й^Йг-г)^ (1)
где Р — давление, Па; р — плотность жидкости, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2; V — скорость жидкости, м/с; И =Ь , И =Ь - потери напора
1-3 1-2 2-3 1-4 1-2 2-3 3-4 г с
на соответствующих участках задвижки, м.
Значение коэффициента сжатия струи £ при несовершенном сжатии зависит от соотношения площадей зазора между шибером и стабилизатором и трубы и может быть определено:
(2)
После преобразований определим коэффициент сопротивления за движки:
(3)
где Б4 /Б3 =[(И), отношение площади трубы к площади проходного сечения задвижки, является функцией хода шибера; Свх — коэффициент гидравлического сопротивления входа в зазор.
В зависимости от площади проходного сечения задвижки определяем расход жидкости через проходное сечение проточной части задвижки Ц, м3/с:
(4)
Рис. 1 — Схема шиберной запорно-регулирующей задвижки со стабилизатором; ё — диаметр трубы, Ь — толщина шибера и длина зазора, И — ход шибера 1 — сечение в трубе перед шибером; 2 — сжатое сечение струи в зазоре; 3 — выходное сечение из зазора между шибером и стенкой трубы (патрубка) (проходное сечение); 4 — сечение в трубе после шибера на расстоянии 5ё от шибера
где АР — перепад давления на задвижке, Па; /I \I-Jl — коэффициента расхода.
Зная расход, определяем среднюю скорость потока в зазоре V2 , м/с. Числа Рей-нольдса потока жидкости в зазоре между шибером и стабилизатором в зависимости от хода шибера определяем по выражению:
КО К-* Г (5)
где V — кинематическая вязкость жидкости, м2/с; И — ход шибера, м.
На основании уравнения Бернулли разработана методика расчёта и получены значения чисел Рейнольдса, коэффициентов сжатия струи, сопротивления, скорости и расхода шиберных задвижек в функции от хода шибера [2]. Использование программного комплекса ДЫБУБ позволяет визуализировать процесс прохождения
потока жидкости через задвижку. При ровных поверхностях контакта шибера и стабилизатора прохождение жидкости начнётся при их размыкании в момент остановки стабилизатора. По периметру шибера протекает сплошная струя (рисунок 2).
Такая струя интенсивно перемешивает жидкость за шибером, поэтому зона схло-пывания пузырьков будет ближе к шиберу, а управление положением места схлопывания пузырьков затруднено. С целью устранения
Уе1оску
[Соп1оиг 1г
Л^УЗ
12 117
- 19 ЭЫ
■ 15 796
- и 6 34
Рис. 2 — Эпюра скоростей прохождения воды через шиберную запорно-регулирующую задвижку при ровной поверхности контакта шибера со стабилизатором
/\I\JSYS
УЫосНу (Сстгоиг }) ■
- .430
И ' Л
- }Ё.£1<]
I ' 12 .175
11 7Й0
' 13.305
е а 70
•
и О.АОО
[|П s-.fl
шиоер
Рис. 3 — Эпюры скоростей при диаметре отверстий 5 мм
этого недостатка нижняя торцевая радиусная поверхность шибера и ответная поверхность стабилизатора снабжены рядом выборок. Предпочтительно выполнение, как менее трудоёмкое, отверстий, выполняемых в обеих деталях одновременно одной операцией — сверлением.
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 определённом расстоянии от него в зависимости от скорости среды, что уменьшает ковитационные разрушения обратной стороны шибера, и это особенно важно в начальной стадии открытия.
Уменьшение сечения (высоты) канавок приводит к уменьшению диапазона хода шибера тонкого регулирования расхода жидкости, что имеет значение при больших перепадах давления. При уменьшение сечения канавок возрастают сопротивление по длине канавок и трудоёмкость их изготовления. Тонкие струи имеют меньшую суммарную кинетическую энергию, будут быстро рассеиваться, поэтому зона схло-пывания пузырьков будет ближе к шиберу (рисунок 3).
В предлагаемой задвижке за шибером скорость движения жидкости около одного м/с. Выйдя из канавок, как из круглых
насадок, струи текут вдоль нижней стенки корпуса задвижки. Увеличение сечения (высоты) канавок приводит к увеличению ширины уплотнительных полей и хода шибера. Канавки технологично получать сверлением одновременно шибера и стабилизатора. На основании изложенных положений принимаем, диаметр канавок между шибером и стабилизатором 5 миллиметров.
При рациональном диаметре отверстий необходимо обеспечить максимальный диапазон тонкого регулирования расхода, что достигается увеличением количества отверстий. Увеличение количества отверстий приводит к уменьшению толщины стенки между ними. Из условий износостойкости толщина стенки не может быть меньше диаметра отверстий. Расстояние между осями отверстий принимаем равным двум диаметрам — 10 миллиметров. Выполнение радиусных канавок через два её диаметра, способствует процессу стабилизации потока.
Итоги
Выполненные исследования позволили увеличить толщину стенок выходного патрубка в месте, куда была выведена зона схлопывания кавитационных пузырьков.
Выводы
Обоснована конструктивная схема запор-но-регулирующей задвижки со стабилизатором, диаметр и количество отверстий, выполненных на поверхностях шибера и стабилизатора.
Список использованной литературы
1. Заславский Г.А., Рязанов В.А., Чиняев И.Р. Шанаурин А.Л. Патент на изобретение
№ 2464470 РФ, МПК Р16К 3/12 (2006/01); Р16К 3/32 (2006/01). Запорно-регулирующая задвижка. Заявлено 29.06.2010, опубликованно 20.10.2012, Бюл. №29.
2. Чиняев И.Р., Шанаурин А.Л., Фоминых А.В. Пример расчета прохождения среды через запорно-регулирующую задвижку // Курган: Зауральский научный вестник. 2012.
№2. С. 20-21.
ООО НПФ «МКТ-АСДМ» РФ, 454038, г. Челябинск, ул. Промышленная, 1, Тел.: +7 (351) 735-40-85; Тел/факс: +7 (351) 735-40-84 E-mail: [email protected]
UDC 628.146
pipe in place, where the zone
of collapse of cavitation bubbles was derived.
Conclusions
The design project of a stop-control gate valve with stabilizer, the diameter and the quantity of holes made on surfaces of a gate and a stabilizer are proved.
Keywords
stop-control gate valve, speed diagram of passing of fluid
ENGLISH
VALVES
Increase of reliability and overall performance of a stop-control gate valve
Authors:
Il'giz R. Chinjaev — postgraduate student; [email protected] Aleksandr V. Fominykh — doctor of technical sciences, professor head of the department of mechanization of animal husbandry2 Stanislav A. Suhov — engineer1; [email protected]
•MKT-ASDM, Kurgan, Russian Federation
2Kurgan Agricultural Academy of T.S. Mal'cev, Kurgan, Russian Federation
Abstract
Results of research and justification of a design of a stop-control gate valve are stated.
Materials and methods
On the basis of Bernoulli's equation the calculation procedure is developed, and values of numbers of Reynolds, coefficients of compression of a stream, resistance, speed and an expense
of gate valves in function from a course of a gate are received. Use of the program ANSYS complex makes it possible to visualize process of passing of a stream of liquid through a gate valve.
Results
The executed researches made it possible to increase thickness of walls of an output branch
References Stop-control gate valve. zaporno-reguliruyushchuyu
1. Zaslavskij G.A., Rjazanov V.A., Declared 29.06.2010, zadvizhku [Example of
Chinjaev I.R , Shanaurin A.L. published 20.10.2012, calculation of passing of fluid
Patent for invention № 2464470 Bul. issue 29. through a stop-control
of the Russian Federation, 2. Chinjaev I.R., Shanaurin A.L., gate valve]. Kurgan:
MPK F16K 3/12 (2006/01); Fominyh A.V. Primer rascheta Zaural'skiy nauchnyy vestnik, 2012,
F16K 3/32 (2006/01). prokhozhdeniya sredy cherez Issue 2, pp. 20-21.
