CC BY
38
УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОГО КЛАПАНА ПУТЕМ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОМЕТРИИ ЕГО ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ Исаев С.Ю. Email: [email protected]
Исаев Сергей Юрьевич — магистрант, кафедра автоматических систем энергетических установок, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева,
г. Самара
Аннотация: в статье анализируется действие аэродинамической силы на элементы клапана, с использованием программного пакета Ansys Fluent, был произведен расчет величины подъемной силы, действующей на тарель предохранительного клапана при разных значениях высоты подъема запорного элемента, исследуется влияние геометрических параметров клапана на характеристику подъемной силы тарели клапана, была показана возможность улучшения его характеристик при определенной форме проточной части, произведен расчет аэродинамической силы для разных вариантов геометрии.
Ключевые слова: аэродинамическая сила, тарель клапана, величина подъема тарели, геометрия проточной части, Ansys Fluent.
IMPROVING THE CHARACTERISTICS OF THE SAFETY VALVE BY CHANGING THE GEOMETRY OF ITS FLOWING PART
Isaev S.Yu.
Isaev Sergey Yuryevich — Graduate Student, DEPARTMENT OF AUTOMATIC SYSTEMS OF POWER PLANTS, FEDERAL STATE AUTONOMOUS EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION SAMARA NATIONAL RESEARCH UNIVERSITY NAMED AFTER ACADEMICIAN S.P. KOROLEV, SAMARA
Abstract: the article analyzes the effect of aerodynamic force on valve elements, using the Ansys Fluent software package, calculated the magnitude of the lift force acting on the safety valve plate at different values of the lift height of the valve, examines the influence of the valve's geometric parameters on the lift characteristic of the valve plate the possibility of improving its characteristics with a certain form of the flow part is shown, the aerodynamic force is calculated for different variants.
Keywords: aerodynamic force, valve plate, plate lift, flow piece geometry, Ansys Fluent.
УДК 533/004
Введение. Задача регулирования давления газа является одной из основных в пневматических и гидравлических системах. Для выполнения данной задачи используются как регуляторы давления, так и предохранительные клапаны.
На рисунке 1 изображена принципиальная схема предохранительного клапана: 1 -пружина, 2 - тарель, 3 - корпус.
Рис. 1. Принципиальная схема предохранительного клапана
Работа клапана заключается в следующем: при повышении давления в емкости Pin сверх установленного, сила, действующая на тарель, преодолевает сопротивление пружины и клапан открывается, снижая давление до необходимого уровня.
Наиболее важным параметрам предохранительного клапана является точность поддержания заданного значения давления в системе. Она определяется силами (1):
(1) m ■ ^ + * + Qp • x + Fi - Fz = 0
где F , Н- действие потока воздуха^На тарель; dt
m, кг - масса тарели;
£ - коэффициент демпфирования;
F1 , Н- сила предварительной затяжки пружины.
В этом уравнении (1) действие потока воздуха на тарель является нелинейным элементом [1], из-за которого точность регулирования снижается.
Цель исследования: исследование вариантов геометрии проточной части клапана с целью линеаризовать воздействие потока воздуха на тарель клапана.
Методы исследования: метод конечных элементов реализованный в программном пакете Ansys Fluent[2].
Решение задачи. Для решения задачи была поострена двухмерная модель клапана в осесимметричной постановке (рисунок 2).
В данной работе сила воздействия потока на тарель определяется с использованием Ansys Fluent [2].
Рис. 2. Двухмерная модель клапана
На входе было установлено полное давление 162120 Па; на выходе - 0 Па. Сила измерялась при помощи встроенных в ПО Ansys Fluent средств по контуру тарели. Далее с использованием Ansys Meshing была построена сетка (рисунок 3).
Рис. 3. Расчетная сетка
Результат расчета аэродинамической силы для высот подъема тарели 0,5; 1; 2; 4; 6; 8; 10; 12; 14; 16 мм, представлен на рисунке 4.
F, N
1050 1000 950 900 850 800 750 700 650 600
Рис. 4. Результат расчета аэродинамической силы действующей на тарель клапана
Как видно из рисунка 4 сила действия потока воздуха нелинейно растет до высоты подъема h=12 мм. Дальнейшее отсутствие роста связано с ограничением пропускной способности сечения на входе в клапан.
Данная геометрия была доработана путем добавления уступа глубиной 2 мм (рисунок 5).
Рис. 5. Геометрия, с радиусом тарели с уступом глубиной 2 мм Результаты моделирования представлены на рисунке 6.
■ 1, N
1050
1000 950 900 850 800 750 700 650 600
-У ! ст уп 2 мм
-II
2 4 6 8 10 12 14
Рис. 6. Подъемная сила для клапана с уступом глубиной 2 мм
И, тт
Как видно из рисунка 6, доработанная геометрия позволила добиться линейной характеристики в диапазоне И=1-12 мм.
Распределение скоростей и давлений для геометрии с уступом глубиной 2 мм представлено на рис.7 и 8 соответственно.
0
Рис. 7. Контур распределения скоростей (к=0,5 мм) для геометрии с уступом глубиной 2 мм
Рис. 8. График распределения давлений (к=0,5 мм) для геометрии с уступом глубиной 2 мм
Как видно из рисунков 7 и 8, уступ создает вихрь под тарелью, что снижает подъемную силу и позволяет добиться более линейной характеристики в определенном диапазоне высот.
На следующем этапе было проведено исследование влияния глубины уступа на подъемную силу. Для моделирования были выбраны следующие значения глубины: 1 мм (рисунок 9); 1,5 мм (рисунок 10); 3 мм (рисунок 11).
Рис. 9. Геометрия с уступом глубиной 1 мм
Рис. 10. Геометрия с уступом глубиной 1,5 мм
Рис. 11. Геометрия с уступом глубиной 3 мм Результаты моделирования представлены на рисунке 12.
1 F, N
1050
F000
950 900 850 800 750 700 650 600
0 2 4 6 8 10 12 14 h mm
Рис. 12. Результаты моделирования тарелей с различной глубиной уступа
Как видно из рисунка 12, увеличение глубины уступа уменьшает подъемную силу, наиболее линейная характеристика получается при глубине уступа 2 мм.
Заключение. В результате проделанной работы было выявлено, что изменяя геометрию проточной части предохранительного клапана, можно добиться более линейной характеристики аэродинамической силы, действующей на тарель, а значит и уменьшения ошибки регулирования.
Список литературы /References
1. Кондратьева Т.Ф. Предохранительные клапаны (2-е изд., перераб. и доп.). Л.:
Машиностроение, 1976. 230 с.
2. Денисов М.А. Компьютерное проектирование. ANSYS: [учебное пособие] / М.А.
Денисов Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014. 77 с.
