CC BY
1
УДК 62-97/-98 doi: 10.18698/0536-1044-2024-01-68-76
Расчетно-теоретическое и экспериментальное исследования кавитационных характеристик шиберных запорно-регулирующих устройств с многоступенчатым дросселированием
В.З. Муфтахов1, И.Р. Чиняев2, А.В. Фоминых2'3, А.В. Чернышев4
1 ФГБОУ ВО «Нижневартовский государственный университет»
2 ООО Научно-производственная фирма «МКТ-АСДМ»
3 ФГБОУ ВО «Курганский государственный университет»
4 МГТУ им. Н.Э. Баумана
Design-theoretical and experimental study of cavitation characteristics of the gate shut-off and control devices with multi-stage throttling
V.Z. Muftakhov1, I. R. Chinyayev2, A.V. Fominykh2'3, A.V. Chernyshev4
1 Nizhnevartovsk State University
2 LLC Scientific Production Company "MKT-ASDM"
3 Kurgan State University
4 Bauman Moscow State Technical University
Уменьшение или увеличение давления и скорости потока рабочей среды в гидравлических системах вызывает кавитацию, вибрацию, шум и разрушение материала. Основной причиной нежелательных явлений, возникающих при работе трубопроводной арматуры, является высокая скорость рабочей среды в узком сечении между регулирующими элементами и их седлами. Применение многоступенчатого дросселирования позволяет уменьшить этот параметр в затворе и после него, расположить место схло-пывания кавитационных пузырьков в потоке. В затвор трубопроводной арматуры введен конструктивный элемент, определяющий процесс тонкого регулирования и поле скоростей рабочей среды, в котором ее частицы, движущиеся после затвора с максимальной скоростью, расположены в толще потока, а вектор скоростей этих частиц параллелен оси выходного патрубка корпуса трубопроводной арматуры. Одной из важных задач при проектировании регулирующих устройств является определение кавита-ционных характеристик. Приведены результаты расчетно-теоретического и экспериментального исследований по определению гидравлических и кавитационных характеристик шиберного запорно-регулирующего устройства с многоступенчатым дросселированием. Экспериментальное значение коэффициента кавитации одной дроссельной пластины составило 0,584, трех — 0,735, при этом скорость рабочей среды за пластинами уменьшилась в 1,37 раза.
Ключевые слова: трубопроводная арматура, многоступенчатое дросселирование, гидравлические характеристики, кавитационные характеристики
Decrease and increase in the working fluid pressure and flow rate in hydraulic systems cause cavitation, vibration, noise and material destruction. The main reason for all the undesirable phenomena arising in operation of the pipeline fittings is the working medium speed in the narrow section between the control elements and their seats. Using the
multi-stage throttling makes it possible to reduce this parameter in the valve and behind it and position the place, where cavitation bubbles collapse, in the flow. A structural element is introduced into the pipeline fittings valve. It determines the working medium speed fine regulation and field, where its particles are moving behind the valve at the maximum speed in the flow thickness. These particles speed vector is parallel to the axis of the outlet pipe of the pipeline fittings body. One of the important tasks in designing the control devices is determination of the cavitation characteristics. The paper presents results of design-theoretical and experimental studies to determine hydraulic and cavitation characteristics of the gate shut-off and control device with the multi-stage throttling. Experimental value of the cavitation coefficient for one throttle plate was 0.584, and for three plates — 0.735, while the working medium speed behind the plates decreased by 1.37 times.
Keywords: pipeline fittings, multi-stage throttling, hydraulic characteristics, cavitation characteristics
В нефтегазодобывающей промышленности растет спрос на трубопроводную арматуру [15]. Уменьшение или увеличение давления и скорости потока рабочей среды (РС) в гидравлических системах вызывает кавитацию, вибрацию, шум и разрушение материала [6-8]. Основной причиной нежелательных явлений, возникающих при работе трубопроводной арматуры, является высокая скорость РС в узком сечении между регулирующими элементами и их седлами. Применение многоступенчатого дросселирования позволяет снизить скорость РС в затворе и после него, расположить место схлопывания кавитационных пузырьков в потоке [4].
Цель исследования — разработка шиберного запорно-регулирующего устройства (ШЗРУ) с требуемыми пропускной характеристикой, ка-витационными, вибрационными и шумовыми показателями с применением многоступенчатого дроссельного узла в затворе.
Схема (продольный разрез) ШЗРУ с тремя дроссельными пластинами (ДП) в выходном седле приведена на рис. 1, а [9], схема пакета ДП — на рис. 1, б, а схемы первой и второй ДП со стороны входа РС — на рис. 1, в и г.
ШЗРУ содержит корпус 5, входной 2 и выходной 7 патрубки, в которых установлены входное 1 и выходное 8 седла. Последнее состоит из пакета первой 10, второй 9 и третьей 6 пластин, соединенных болтами 12. Первая ДП, выполняющая функцию плоской стенки выходного седла, взаимодействует с шибером 3, управляемым шпинделем 4. В каждой ДП выполнены горизонтальные каналы — сплошные 11 или прерывистые 13.
Все ДП имеют десять рядов каналов (см. рис. 1, б). По высоте каналы расположены
так, что очередной из них открывается полностью при соответствующем ходе шибера, при котором определяют пропускную способность ШЗРУ в соответствии с ГОСТ 34417-2018 (Арматура трубопроводная. Методика экспериментального определения гидравлических и кавита-ционных характеристик). Габаритные размеры и профиль каждого ряда каналов в ДП получают расчетом исходя из требуемой пропускной способности каждого из них на основе суммарного коэффициента сопротивления всех ДП.
Работа ШЗРУ в режиме регулирования. Шибер под управлением шпинделя движется вверх. После прохождения нижним плоским торцом шибера первого (нижнего) канала 11 в первой пластине начинается регулирование РС. При ходе шибера h = 0,1 первый (нижний) ряд каналов полностью открыт, и обеспечивается требуемая пропускная способность ШЗРУ. По мере открытия шибером остальных рядов происходит увеличение пропускной способности в соответствии с требуемой пропускной характеристикой.
Изменением от первой ДП ко второй и далее к третьей ДП формы и размеров каналов 11 и 13 (см. рис. 1, в, г) достигаются требуемые значения коэффициентов сопротивления всех рядов каналов, что обеспечивает уменьшение скорости потока РС по сравнению с таковой при одноступенчатом дросселировании, требуемые кавитационные и шумовые характеристики ШЗРУ во всем диапазоне хода шибера при всех перепадах давления и расходах РС.
При численных исследованиях приняты следующие допущения: РС подчиняется закону вязкого трения; режим течения РС — установившийся, стационарный с учетом кавитации [10-13]; отсутствует теплообмен между внешней
1,0
Рис. 1. Схемы: а — ШЗРУ с тремя ДП в выходном седле; б — пакета ДП; в и г — первой и второй ДП со стороны входа РС
средой и РС; шероховатость всех поверхностей проточной части расчетной области равна 50 мкм; нет учета допустимого разброса размеров деталей.
В основу математической модели положены граничные условия (давление РС на входе в ШЗРУ р1 и на выходе из него р2, перепад которых Ар = р1 - р2) и система дифференциальных уравнений в частных производных [14-20]: • уравнение неразрывности потока РС
др д(ри)
дх<
= 0;
• закон сохранения количества движения РС
др д , \ др г + ~—(ри,и - Ту) = + $,
дt дху дх1
где р — давление РС, Па; t — время, с; р — плотность РС, кг/м3; и и иу — проекции вектора скорости на ось х^ и ху, м/с; ту — тензор напряжений для вязкой жидкости (в состав выражения для тензора входят динамическая вязкость и коэффициент динамического сопротивления), Н/м2; 5/ — источник объемных и поверхностных сил, Н/м3.
Рис. 2. Схемы расчета (а), разреза (б), поперечного (в) и продольного разрезов (г)
третьего канала: 1, 2 и 3 — первая, вторая и третья ДП соответственно
Трехмерное нестационарное движение вязкой несжимаемой жидкости описывается уравнениями Навье — Стокса и неразрывности
дvi дvi дvi дvi
— + v1 — + v2-+ Vз — =
дt дx Эу дz
= -УР + У
( д 2у,
- + -
Э2у,- ^
дx2 Эу2 дг2
(1)
дvl дv2 , дvз _
-+-+-= 0, I = 1, 2, 3,
Эх ду дг
где х, у, г — декартовы координаты; у1, у2, у3 — компоненты скорости течения потока РС; Р — давление, отнесенное к постоянной плотности и включающее в себя потенциал массовых сил; V — коэффициент кинематической вязкости.
В уравнении (1):
УР = ЭР/Эх; У 2 Р = ЭР/ду; У 3Р = ЭР/дг.
Критериями кавитации являются [5, 6] ее коэффициент кс, используемый для расчета допустимого перепада давления, при котором обеспечивается бескавитационный режим работы ШЗРУ, и коэффициент критического перепада давления кт.
Расчет по одному каналу позволит точнее моделировать каналы и сократить время на вычисления. Зная пропускную способность каждого канала, можно определить пропускную характеристику. На рис. 2 приведены схемы
расчета и разрезов третьего канала, показанного на рис. 1, б.
Диаметры входного и выходного патрубков одинаковые и равны 45 мм. При расчете применена модель равновесной кавитации. В модели приняты следующие допущения и ограничения: процесс кавитации жидкой фазы протекает равновесно; использована гомогенная модель двухфазной среды; скорости и температуры компонент газовой смеси (состоящей из пара и растворенного неконденсируемого газа) и жидкой фазы имеют одинаковые значения; в зоне фазового перехода температура РС должна находиться в диапазоне 280,15 К < Т < 583,15 К, а давление РС — 103 Па < р < 107 Па; газовая фаза содержит растворенный газ, в качестве которого выбран воздух; массовая доля растворенного газа составляет 10-4, допустимая объемная доля пара в двухфазной смеси — не более 0,95.
Результаты численного исследования кавитации в ШЗРУ с многоступенчатым дросселированием и их обсуждение. Результаты численного исследования течения РС через канал показаны на рис. 3.
Как видно из рис. 3, струи после ДП не касаются стенок выходного патрубка. При этом кавитационные пузырьки, образовавшиеся в узком сечении, будут схлопываться за ДП в потоке, не резрушая стенки.
и
е
о а
8 О
77.718 69.083 60.448 51.812 43.177 34.541 25.906 17.271 8.635 О
н | 20.00
18.18
16.36
и 14.55
к 12.73
И 10.91
и 1 9.09 7.27
5.46 3.64 1.82
_ 2.60е-03
Рис. 3. Поля скорости течения РС (а), давления РС (б), объемной концентрации пара (в) и уровня акустической мощности в трех ДП (слева) и одной первой ДП (справа) при давлениях РС р\ = 2,0 МПа и р2 = 0,3 МПа
Экспериментальные гидравлические и кави-тационные характеристики получены на аттестованном стенде «Гидрокольцо» в ООО Научно-производственная фирма «МКТ-АСДМ» [21, 22]. При экспериментах каждое значение давления РС р1 поддерживалось постоянным при абсолютных значениях 1,1; 1,6 и 2,1 МПа (избыточном давлении 10; 15 и 20 кг/см2), а перепад давления увеличивался ступенчато уменьшением р2 до минимального значения.
Для сравнения на рис. 4, а и б приведены экспериментальные и расчетные зависимости расхода РС О через одну (первую) ДП и три ДП от квадратного корня из перепада давления РС •у/Ар при давлении на входе в ШЗРУ р1 = 1,1, 1,6 и 2,1 МПа.
Координаты точек начала отклонения от линейной зависимости О = / (у[Ар) определяли
с помощью рис. 4, а и б. Перепад давления начала отклонения расходной характеристики вычисляли как
Арс =УКААР))
Коэффициент кавитации рассчитывали по формуле
К =
р1 - рн.п
где рнп — давление насыщенного пара, Па.
Расчетные и экспериментальные значения коэффициента кавитации одной (первой) ДП и трех ДП при различных значениях давления РС на входе в ШЗРУ р1 приведены в таблице.
Из таблицы следует, что для одной (первой) ДП расчетные и экспериментальные средние значения коэффициента кавитации канала со-
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 лЙр,МПа 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 л/Др,МПа
а б
Рис. 4. Экспериментальные (точки) и расчетные (кривые) зависимости расхода РС Q через одну (первую) ДП (а) и три ДП (б) от квадратного корня из перепада давления РС -/Кр при давлении на входе в ШЗРУ р\ = 1,1 (1), 1,6 (2) и 2,1 МПа (3)
Значения коэффициента кавитации при различных значениях давления РС на входе в ШЗРУ
р1, МПа Л/Др МПа Дрс, МПа kc
Для одной (первой) ДП
1,1 0,851/0,775 0,725/0,601 0,727/0,601
1,6 0,922/0,902 0,851/0,813 0,567/0,542
2,1 1,018/1,109 1,036/1,231 0,518/0,608
Для трех ДП
1,1 0,938/0,858 0,880/0,738 0,868/0,713
1,6 1,082/1,066 1,170/1,136 0,748/0,741
2,1 1,241/1,239 1,540/1,535 0,659/0,752
Примечание. В числителе дроби указаны расчетные значения, в знаменателе — экспериментальные.
ставили 0,604 и 0,758, а для трех ДП — 0,583 и 0,735 соответственно. Таким образом, отклонение расчетных значений кавитационных характеристик от экспериментальных составляет ±10 %, при этом скорость течения РС за одной ДП в 1,37 раза больше, чем за тремя ДП.
Выводы
1. Разработано ШЗРУ с многоступенчатым дроссельным узлом в затворе.
Литература
2. По результатам исследования установлено, что расчетные значения гидравлических и кавитационных характеристик ШЗРУ с ДП отличаются от экспериментальных не более чем на ±10 %.
3. Экспериментальное значение коэффициента кавитации канала одной ДП составило 0,583, а трех — 0,735, при этом скорость течения РС за тремя ДП в 1,37 раза меньше, чем за одной ДП.
[1] Мориц М. Импортозамещающая сводка: расширение производственных возможно-
стей. Вестник арматуростроителя, 2022, № 6, с. 62-65.
[2] Друзина И. Экспертное мнение о рынке трубопроводной арматуры. Вестник армату-
ростроителя, 2022, № 6, с. 56-57.
[3] Афанасьева О.В., Бакулина А.А., Коркунов С.Б. Перспективы развития российского
арматуростроения в современных экономических условиях. Газовая промышленность, 2020, № 6, с. 70-73.
[4] Чиняев И.Р., Шанаурин А.Л., Фоминых А.В. Управление потоками жидкостей и газов.
Ч. 1. Шиберные запорно-регулирующие устройства. Курган, Изд-во КГУ, 2022. 248 с.
[5] Бауманы Х.Д. Конструкции и применение. Будущие тенденции в регулирующей арма-
туре. Арматуростроение, 2022, № 3, с. 34-35.
[6] Барышников В.В., Терехов Е.А. Кавитация и кавитационный износ регулирующей ар-
матуры. Молодой ученый, 2023, № 37, с. 14-16.
[7] Zhu M., Zhao S., Li J. et al. Computational fluid dynamics and experimental analysis on flow
rate and torques of a servo direct drive rotary control valve. Proc. Inst. Mech. Eng. C. J. Mech. Eng. Sci., 2018, vol. 233, no. 1, pp. 213-226, doi: https://doi.org/10.1177/0954406218756449
[8] Кулагин В.А., Соколов Н.Ю. Кавитация в элементах запорной арматуры трубопровод-
ных систем. Вестник СибФУ. Инженерия и технологии, 2014, № 7, с. 872-880.
[9] Махов А.А., Муфтахов В.З., Фоминых А.В. и др. Шиберное запорно-регулирующее
устройство. Патент РФ 217661. Заявл. 27.04.2022, опубл. 11.04.2023.
[10] Воробьева В.М. Компьютерное моделирование кавитации в клиновой задвижке в среде ANSYS FLUENT. StudArctic Forum, 2023, т. 8, № 2, с. 36-41.
[11] Исаенко И.И., Махнов А.В., Смирнов Е.М. и др. Моделирование кавитации в высокоскоростных течениях в каналах. Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, 2018, т. 11, № 1, с. 55-65, doi: https://doi.org/ 10.18721/JPM.11106
[12] Капранова А.Б., Лебедев А.Е., Мельцер А.М. и др. О Способах оценки критических параметров кавитации в регулирующих органах при транспортировании рабочих сред. Фундаментальные исследования, 2016, № 3, с. 488-494.
[13] Сверчков А.М., Сумской С.И. Учет кавитационных явлений при моделировании течений в магистральных трубопроводах. Безопасность труда в промышленности, 2020, № 11, с. 7-14, doi: https://doi.org/10.24000/0409-2961-2020-11-7-14
[14] Власюк П.Э., Чернышев А.В., Чиняев И.Р. и др. Расчетно-теоретическое исследование режимов течения рабочей среды в шиберной задвижке для технологических линий нефтегазодобывающей промышленности. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2022, № 5, с. 43-51, doi: http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2022-5-43-51
[15] Власюк П.Э., Чернышев А.В., Чиняев И.Р. и др. Расчет пропускной способности шиберной задвижки для технологических линий нефтегазодобывающей промышленности. Трубопроводная арматура и оборудование, 2022, № 2, с. 37-39.
[16] Малов Д.А., Чернышев А.В. Увеличение пропускной способности и диапазона регулирования проходного клапана. Трубопроводная арматура и оборудование, 2023, № 1, с. 25-27.
[17] Малов Д.А., Чернышев А.В., Слободов Е.Б. Метод определения пропускной способности запорной арматуры. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2022, № 3, с. 66-75, doi: http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2022-3-66-75
[18] Игнатьева Т.Ю., Горобченко С.Л., Ковалев Д.А. Модель поведения регулирующего клапана. Трубопроводная арматура и оборудование, 2023, № 1, с. 12-15.
[19] Wu H., Li J.Y., Gao Z.X. Flow Characteristics and stress analysis of a parallel gate valve. Processes, 2019, vol. 7, no. 11, art. 803, doi: https://doi.org/10.3390/pr7110803
[20] Liu P., Liu Y., Huang Z. et al. Design optimization for subsea gate valve based on combined analyses of fluid characteristics and sensitivity. J. Pet. Sci. Eng., 2019, vol. 182, art. 106277, doi: https://doi.org/10.1016/j.petrol.2019.106277
[21] Fominykh A., Chinyaev I., Telminov A. et al. Development of a method for determining the specific pressures on the sealing fields of slide valves. AIP Conf. Proc., 2022, vol. 2503, no. 1, art. 050062, doi: https://doi.org/10.1063/5.0099962
[22] Чиняев И.Р., Фоминых А.В., Пошивалов Е.А. и др. Определение пропускной характеристики задвижки шиберной запорно-регулирующей. Экспозиция Нефть Газ, 2015, № 2, c. 38-40.
References
[1] Morits M. Import-substitution summary: expansion of production possibilities. Vestnik ar-
maturostroitelya, 2022, no. 6, pp. 62-65. (In Russ.).
[2] Druzina I. Expert opinion on the market of pipeline valves. Vestnik armaturostroitelya, 2022,
no. 6, pp. 56-57. (In Russ.).
[3] Afanasyeva O.V., Bakulina A.A., Korkunov S.B. Prospects for development of the Russian
valve industry in the current economic environment. Gazovaya promyshlennost [Gas Industry], 2020, no. 6, pp. 70-73. (In Russ.).
[4] Chinyaev I.R., Shanaurin A.L., Fominykh A.V. Upravlenie potokami zhidkostey i gazov. Ch. 1.
Shibernye zaporno-reguliruyushchie ustroystva [Flow control of liquids and gases. P. 1. Gauge shut-off and control devices]. Kurgan, Izd-vo KGU Publ., 2022. 248 p. (In Russ.).
[5] Baumann H.D. Designs and applications. Future trends in control valves. Armaturostroenie,
2022, no. 3, pp. 34-35. (In Russ.).
[6] Baryshnikov V.V., Terekhov E.A. Cavitation and cavitation wear of control valves. Molodoy
uchenyy [Young Scientist], 2023, no. 37, pp. 14-16. (In Russ.).
[7] Zhu M., Zhao S., Li J. et al. Computational fluid dynamics and experimental analysis on flow
rate and torques of a servo direct drive rotary control valve. Proc. Inst. Mech. Eng. C. J. Mech. Eng. Sci., 2018, vol. 233, no. 1, pp. 213-226, doi: https://doi.org/10.1177/ 0954406218756449
[8] Kulagin V.A., Sokolov N.Yu. Cavitation shutoff elements pipeline systems. Vestnik SibFU.
Inzheneriya i tekhnologii [Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies], 2014, no. 7, pp. 872-880. (In Russ.).
[9] Makhov A.A., Muftakhov V.Z., Fominykh A.V. et al. Shibernoe zaporno-reguliruyushchee
ustroystvo [Shut-off and regulating device]. Patent RU 217661. Appl. 27.04.2022, publ. 11.04.2023. (In Russ.).
[10] Vorobyeva V.M. Computer simulation of cavitation in a wedge gate valve in the ANSYS FLUENT environment. StudArctic Forum, 2023, vol. 8, no. 2, pp. 36-41. (In Russ.).
[11] Isaenko I.I., Makhnov A.V., Smirnov E.M. et al. Simulation of high-speed cavitating flows in channels. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPbGPU. Fiziko-matematicheskie nauki [St. Petersburg Polytechnic University Journal - Physics and Mathematics], 2018, vol. 11, no. 1, pp. 55-65, doi: https://doi.org/10.18721/JPM.11106 (in Russ.).
[12] Kapranova A.B., Lebedev A.E., Meltser A.M. et al. On the way to assess critical parameters cavitation in transport regulators in the working environment. Fundamentalnye issledo-vaniya [Fundamental Research], 2016, no. 3, pp. 488-494. (In Russ.).
[13] Sverchkov A.M., Sumskoy S.I. Recording of the cavitation phenomena when modeling flows in the trunk pipelines. Bezopasnost truda v promyshlennosti [Occupational Safety in Industry], 2020, no. 11, pp. 7-14, doi: https://doi.org/10.24000/0409-2961-2020-11-7-14 (in Russ.).
[14] Vlasyuk P.E., Chernyshev A.V., Chinyaev I.R. et al. Calculation and theoretical study of regimes of the working medium flow in a slide gate valve for technological lines in the oil and gas industry. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Mashinostroenie [BMSTU Journal of Mechanical Engineering], 2022, no. 5, pp. 43-51, doi: http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2022-5-43-51 (in Russ.).
[15] Vlasyuk P.E., Chernyshev A.V., Chinyaev I.R. et al. Calculation of flow capacity of gate valve for technological lines of oil and gas production industry. Truboprovodnaya armatura i oborudovanie, 2022, no. 2, pp. 37-39. (In Russ.).
[16] Malov D.A., Chernyshev A.V. Increase of throughput capacity and regulation range of the passage valve. Truboprovodnaya armatura i oborudovanie, 2023, no. 1, pp. 25-27. (In Russ.).
[17] Malov D.A., Chernyshev A.V., Slobodov E.B. Shut-off valve throughput capacity. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Mashinostroenie [BMSTU Journal of Mechanical Engineering], 2022, no. 3, pp. 66-75, doi: http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2022-3-66-75 (in Russ.).
[18] Ignatyeva T.Yu., Gorobchenko S.L., Kovalev D.A. Behavioural model of the control valve. Truboprovodnaya armatura i oborudovanie, 2023, no. 1, pp. 12-15. (In Russ.).
[19] Wu H., Li J.Y., Gao Z.X. Flow Characteristics and stress analysis of a parallel gate valve. Processes, 2019, vol. 7, no. 11, art. 803, doi: https://doi.org/10.3390/pr7110803
[20] Liu P., Liu Y., Huang Z. et al. Design optimization for subsea gate valve based on combined analyses of fluid characteristics and sensitivity. J. Pet. Sci. Eng., 2019, vol. 182, art. 106277, doi: https://doi.org/10.1016/jj.petrol.2019.106277
[21] Fominykh A., Chinyaev I., Telminov A. et al. Development of a method for determining the specific pressures on the sealing fields of slide valves. AIP Conf. Proc., 2022, vol. 2503, no. 1, art. 050062, doi: https://doi.org/10.1063/5.0099962
[22] Chinyaev I.R., Fominykh A.V., Poshivalov E.A. et al. The throughput ability of shutoff and control valves. Ekspozitsiya Neft Gaz [Exposition Oil Gas], 2015, no. 2, pp. 38-40. (In Russ.).
Информация об авторах
МУФТАХОВ Вадим Зирякович — старший преподаватель кафедры «Нефтегазовое дело». ФГБОУ ВО «Нижневартовский государственный университет» (628605, Нижневартовск, Российская Федерация, ул. Ленина, д. 56, e-mail: muftahovvz@gmail.com).
ЧИНЯЕВ Ильгиз Рашитович — кандидат технических наук, директор ООО научно-производственной фирмы «МКТ-АСДМ» (64000, Курган, Российская Федерация, ул. Набережная, д. 2а, e-mail: ruk_mkt@mail.ru).
ФОМИНЫХ Александр Васильевич — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Механизация и электрификация сельского хозяйства». ФГБОУ ВО «Курганский государственный университет»; начальник научно-испытательной лаборатории. ООО Научно-производственная фирма «МКТ-АСДМ» (64000, Курган, Российская Федерация, ул. Набережная, д. 2а, e-mail: prof_fav@mail.ru).
ЧЕРНЫШЕВ Андрей Владимирович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Вакуумная и компрессорная техника». МГТУ им. Н.Э. Баумана (105005, Москва, Российская Федерация, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1, e-mail: chernyshev@bmstu.ru).
Статья поступила в редакцию 22.11.2023 Information about the authors
MUFTAKHOV Vadim Ziryakovich — Senior Lecturer, Department of Oil and Gas Engineering. Nizhnevartovsk State University (628605, Nizhnevartovsk, Russian Federation, Lenin St., 56 e-mail: muftahovvz@gmail.com).
CHINYAEV Ilgiz Rashitovich — Candidate of Science (Eng.), Director LLC Scientific Production Company "MKT-ASDM" (64000, Kurgan, Russian Federation, Naberezhna-ya St., Bldg. 2a, e-mail: ruk_mkt@mail.ru).
FOMINYKH Alexander Vasilyevich — Doctor of Science (Eng.), Professor, Professor of the Department of Mechanization and Electrification of Agriculture. Kurgan State University; Head of the Research and Testing Laboratory; LLC Scientific Production Company "MKT-ASDM" (64000, Kurgan, Russian Federation, Naberezhnaya St., Bldg. 2a, e-mail: prof_fav@mail.ru).
CHERNYSHEV Andrey Vladimirovich — Doctor of Science (Eng.), Professor, Head of the Department of Vacuum and Compressor Equipment. Bauman Moscow State Technical University (105005, Moscow, Russian Federation, 2nd Baumanskaya St., Bldg. 5, Block 1, e-mail: chernyshev@bmstu.ru).
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Муфтахов В.З., Чиняев И.Р., Фоминых А.В., Чернышев А.В. Расчетно-теоретическое и экспериментальное исследования кавитационных характеристик шиберных запорно-регулирующих устройств с многоступенчатым дросселированием. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2024, № 1, с. 68-76, doi: 10.18698/0536-1044-2024-01-68-76
Please cite this article in English as: Muftakhov V.Z., Chinyayev I. R., Fominykh A.V., Chernyshev A.V. Design-theoretical and experimental study of cavitation characteristics of the gate shut-off and control devices with multi-stage throttling. BMSTU Journal of Mechanical Engineering, 2024, no. 1, pp. 68-76, doi: 10.18698/0536-1044-2024-01-68-76
УДК 621.822.2: 519.63 doi: 10.18698/0536-1044-2024-01-77-89
Картина тепловых потоков упорного подшипника скольжения
Н.В. Соколов1, П.Е. Федотов2
1 Казанский национальный исследовательский технологический университет
2 Институт вычислительной математики и информационных технологий
Heat flow pattern of the plain thrust bearing
N.V. Sokolov1, P.E. Fedotov2
1 Kazan National Research Technological University
2 Institute of Computational Mathematics and Information Technologies
С помощью разработанной программы Sm2Px3Txt получена картина распределения тепловых потоков в среднем сечении рабочей подушки, смазочного и пограничного слоев и упорного диска, являющихся конструктивными элементами упорного подшипника скольжения. Описаны основы периодического термоупругогидродинамиче-ского математического моделирования, теплового баланса и физических процессов функционирования упорного подшипника в рабочем режиме. Выполнено сравнение конвективного и кондуктивного тепловых потоков подшипника при изменении частоты вращения диска и высоты рабочего зазора. Выявлена необходимость учета теплообмена рабочего объема смазки с границами подушки и упорного диска при моделировании подшипника скольжения.
Ключевые слова: упорный подшипник, смазочный слой, неподвижная подушка, упорный диск, тепловой поток, конвективный теплообмен
The developed Sm2Px3Txt program was used to obtain the heat flow distribution pattern in the working cushion middle section, lubricating and boundary layers and the thrust disc, which are structural elements of the plain thrust bearing with fixed cushions of the centrifugal or screw compressor. The paper provides fundamental description of the periodic ther-moelastic hydrodynamic mathematical simulation, thermal balance and physical processes in the thrust bearing operation mode. The bearing convective and conductive heat flows were compared at alteration of the disk rotation speed and the working load height. The need was identified to take into account heat exchange between the lubricant working volume and the pad and disk boundaries in simulating the plain bearing.
Keywords: thrust bearing, lubricating layer, fixed pad, thrust disk, heat flow, convective heat transfer
Упорные подшипники скольжения (УПС) с неподвижными подушками (НП) получили широкое применение в компрессорном оборудовании для уменьшения трения и износа между статор-ными и подвижными частями конструкции, восприятия осевых нагрузок и/или осевой фиксации роторов в процессе работы, в том числе при переходных режимах. Их отличают малые габаритные размеры, простота изготовления и удобство при техническом обслуживании.
Классическая конструкция УПС состоит из двух элементов (рис. 1): цельного подпятника с профилированной фиксированной рабочей поверхностью и упорного диска (УД) 6, передающего осевую нагрузку от ротора 7 к статору компрессора [1]. УД ротора, представляющий собой вращающуюся с заданной частотой гладкую поверхность определенной толщины, является единственным элементом, передающим энергию смазочному слою.
