Вихревой регулятор давления газа Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.6

Вихревой регулятор давления газа

© О.В. Белова, А.А. Стародубцев, А.В. Чернышев МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия

В статье раскрывается актуальность и области применения вихревых регуляторов. На основе обзора литературы и патентного обзора рассмотрено состояние вопроса на сегодняшний день по использованию и разработке вихревых регуляторов, приводятся схемы вихревых регуляторов, оценочный расчет параметров вихревого регулятора при заданных скоростях питающего и управляющего потоков и с заданными размерами вихревой камеры. Рассчитана математическая модель расчета вихревого регулятора, описывающая процессы течения рабочих сред, на базе которой в дальнейшем будет разработан метод расчета по распределенным параметрам, и проведен численный расчет вихревой камеры с помощью современных CFD-пакетов.

Ключевые слова: вихревой регулятор, управляющая струя, расход газа.

Введение. Регуляторы параметров газа — устройства, обеспечивающие с заданной точностью поддержание определенных параметров рабочего тела на постоянном уровне либо изменяющие эти параметры по заданной программе.

Регуляторы классифицируются следующим образом:

• прямого и непрямого действия;

• «до себя» или «после себя»;

• газовые и жидкостные регуляторы в зависимости от рабочей среды, проходящей через дроссельный элемент регулятора.

Регуляторы применяются чрезвычайно широко: системы трубопроводов для транспортировки природного газа от места его добычи до потребителя; системы с пневматическими или гидравлическими устройствами для регулирования процессов, происходящих по определенному циклу или по заданной программе; системы подачи рабочих жидкостей в объектах гражданского и военного назначения (ракетная и авиационная техника, беспилотные летательные аппараты, автотранспорт); системы автоматического регулирования и др.

Большинство регуляторов работает в неблагоприятных условиях: с высокотемпературными средами; запыленными газами или смесями; с химически агрессивными средами и т. д.

Это такие области применения, как:

• металлургическая промышленность, где газ имеет высокую температуру и содержит примеси тяжелых и раскаленных металлов;

• химическая и биологическая промышленность: в этой отрасли газ может содержать различные элементы, как агрессивные, так и вступающие в реакцию друг с другом или с элементами системы;

• высокофорсированные топочные и нагревательные установки;

• циклонные реакторы;

• сепарирующие системы.

Для таких случаев используют регуляторы, основные элементы которых выполнены из специальных материалов; дополнительные системы очистки или фильтрации рабочей среды; ловушки. Все это делает конструкцию менее надежной, и при этом значительно повышает ее себестоимость и затраты на установку и эксплуатацию.

В 60...70-х годах прошлого столетия появились регуляторы, принцип действия которых основывался на турбулентном (спиралевидном) течении потока газа в вихревой камере. На струю входного газа воздействует управляющая струя, которая закручивает поток для образования вихревого течения. Основным преимуществом данного устройства является отсутствие подвижных частей, что значительно упрощает конструкцию и дает возможность использовать этот регулятор там, где это проблематично для других видов регуляторов.

Схема вихревого регулятора. На рис. 1 представлена схема одного из вариантов исполнения вихревого регулятора [1]. Струя питания 2 поступает в вихревую камеру 3 и, заполняя ее, проходит к центральному выходному каналу 4. При подаче управляющей струи в канал 1, направленный по касательной, возникает ее взаимодействие со струей питания. Вследствие эффекта Коанда [2] струя пита-

ло, во 2

Рис. 1. Схема вихревого регулятора

ния отклоняется и притягивается к цилиндрической стенке вихревой камеры, в результате чего в камере возникает вихревое движение потока газа.

Существуют и другие схемы вихревых регуляторов, отличающиеся, в основном, конструкцией подвода струи питания в рабочую камеру и выходного канала. Основоположник создания и внедрения вихревых регуляторов в СССР — Л.А. Залманзон. Первые публикации и патенты по данной теме появились в конце 60...70-х годов XX в. Параллельно в этой области работали также специалисты в Германии, США и Великобритании [3-5]. Примеры вихревых регуляторов приведены на рис. 2 [2] и 3 [4, 5].

1/1М

шшш

Рис. 2. Вихревой регулятор с центральным телом

} Рвых

Рис. 3. Настраиваемый вихревой регулятор давления газа

Вихревой регулятор имеет ряд недостатков:

• не может использоваться как запорный элемент;

• скорость срабатывания значительно меньше, чем у аналогичных, имеющих более сложные конструкции;

• присутствие шума из-за турбулизации потока (вихревого течения).

В то же время вихревой регулятор обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с другими видами регуляторов:

• простота конструкции (отсутствие подвижных элементов);

• долговечность;

• невосприимчивость к воздействию электромагнитных полей;

• невосприимчивость к радиационному воздействию;

• возможность работы с различными газами и их смесями;

• низкая стоимость изготовления (производства);

• низкие эксплуатационные затраты.

В связи с вышеперечисленным разработка современных устройств для новейших технических систем является актуальной.

Методика оценочного расчета характеристик вихревых регуляторов по сосредоточенным параметрам. Методы расчета вихревых регуляторов изложены в литературе [1, 6-11], причем единого понимания в теории процессов, происходящих в данных устройствах, нет до сих пор. Основные зависимости заложил в своих работах Л. А. Залманзон [9].

Из постоянства момента количества движения следует (см. рис. 1):

= тк^к.

С учетом того, что т1 = pQ1 и тк = р^0 + Q1), получаем:

к Q„ + Ql

Из уравнения Бернулли следует:

,2 = Рк +ГР("К " ^^

Рк = Р1

( QlЛ2

V 81-/1 У

где /1 — площадь сечения канала управления; в1 хода.

(1)

коэффициент рас-

Падение давления в вихревой камере 5р = рк - р2 из формулы (1):

5р =

р(у1 - у2)

или

5р = р 2

((г \

гк

-1

V г2 У

01

У1 ■

+ 01.

Коэффициент усиления по давлению, согласно Глэтли [6], равен

х Ру12

отношению величины ор к напору в канале управления ——, т. е.

П р =

(г

к

V г2 У

-1

(

01

2

Оо + 01.

Коэффициент усиления вихревого элемента по расходу

0о + 01

По

01

Мощность потока определяется как произведение объемного рас-

ру2

хода на разность давлений, т.е. N = 01- и N = (01 + 00)рр. Тогда

коэффициент усиления по мощности

% =

(г V

'к

-1

01

00 + 01.

Однако для разработки новых конструкций вихревых регуляторов с применением современных программных пакетов и на базе имеющейся компьютерной техники необходимо создать описания процессов, происходящих внутри вихревой камеры.

Математическая модель для проведения расчетов по распределенным параметрам. В общем случае система состоит из уравнений, описывающих нестационарное турбулентное течение сжимаемой «ньютоновской» вязкой жидкости [12, 13]: — уравнение неразрывности:

ср

— + &у(рм) = 0,

с

где р — давление; t — время; р — плотность; и — вектор скорости;

2

— закон сохранения количества движения:

дри, Я дp „ -L + — (рu ,и1 - т,, ) = —— + SI,

дt дх, дх1

где индекс г относится к входящему потоку; индексу — к выходящему потоку; и. — проекция вектора скорости и на ось х,.; Si — источник объемных и поверхностных сил; х, — тензор напряжений для вязкой жидкости:

Ту = *

(ди.. ди,Л (и 2 Лди,

+

\Рхз дхх J

- 3 * ^5

у'

где Е, — коэффициент гидравлического сопротивления; д — динамическая вязкость; 8у — оператор Кронекера;

— закон сохранения энергии:

д(рН) д ( тт , дТЛ др др ди. 0 1 и - - + и,—— х„—'- + S

дt дх.

рНи, - к-

у дх,.

дt у дх, . дх, к'

Ч V J

где Sh — объемный источник тепла; Н — полная удельная энтальпия жидкости, которая выражается суммой удельной энтальпии и кинетической энергии единицы массы жидкости:

2 2 2 тт , и + V + w Н = к + -

2

где к = срТ — удельная энтальпия, при условии, что удельная теплоемкость жидкости постоянна; и, V, w — проекции вектора скорости на направления х, у, 2 соответственно.

Система уравнений замыкается граничными условиями: на входе в устройство задаются значения давления р0, р1, скорости потоков v0, v1; температур потоков Т0, Т1; на выходе — давления р2.

В дальнейшем система должна дополниться описанием характера течения в виде используемых моделей турбулентности и уравнением состояния. Полученная математическая модель ляжет в основу метода расчета вихревых регуляторов.

Заключение. Обзор литературы в этой области показал, что полного понимания процессов, происходящих в камере вихревого регулятора, нет. Как именно происходит вихреобразование в камере, зависит от слишком большого количества факторов: физических свойств рабочих тел, кинематических и динамических характеристик потока в выходном и входном сечениях регулятора, геометрических характеристик камеры и каналов. В связи с отсутствием вычислительных возможностей в 60. 70-е годы прошлого столетия расчетов по распределенным пара-

метрам не проводилось. С разработкой новейших расчетных пакетов, компьютерной техники с большой вычислительной мощностью появилась возможность в реализации расчета на основе математических моделей турбулентного течения внутри камеры, создать методы расчета вихревых регуляторов и создать модельный ряд вихревых регуляторов для промышленного использования.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Бугаенко В.Ф. Пневмоавтоматика ракетно-космических систем. Буд-ник В.С., ред. Москва, Машиностроение, 1979, 168 с.

[2] Смирнов Г.В. Рожденные вихрем. Москва, Знание, 1982, 192 с.

[3] Mayer E.A. Adjustable Vortex pressure regulator. Pap. ASME, 1970, N Flcs-9, 8 p.

[4] Method and vortex pressure regulator apparatus. Patent 3,628,549 US. Mayer E.A., Int. Cl. Application from 20.01.1970.

[5] Erdely J. Further investigation of the Ranque phenomenon. Acta technical Aca-demiae Scientiarum Hungarical, T. 46, Fasc. 3-4, 1964.

[6] Glaettly H.H. Digital fluid logic elements. Advances in computers, vol. 4, Edit. by: A. Franz, M. Rubinoff., 1963, 312 p.

[7] Mayer E.A., Maker P. Control characteristics of vortex valves. Proceedings of the Second Fluid Amplification Symposium, vol. II, 1964.

[8] Sarpkaya T. Characteristics of counter-vortex oscillator. Proceedings of the Second Fluid Amplification Symposium, vol. II, 1964.

[9] Залманзон Л.А. Теория элементов пневмоники. Москва—Ленинград, Изд-во Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1969, 508 с.

[10] Лебедев И.В., Трескунов С.Л., Яковенко В.С. Элементы струйной автоматики. — Москва, Машиностроение, 1973, с. 289-314.

[11] Дейч М.Е. Техническая газодинамика. Москва—Ленинград, Госэнерго-издат, 1961, 680 с.

[12] Черный Г.Г. Газовая динамика. Москва, Наука, 1988, 424 с.

Статья поступила в редакцию 31.05.2013

Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом: Белова О.В. , Стародубцев А.А., Чернышев А.В. Вихревой регулятор давления газа. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 5. URL: http://engjournal.ru/ catalog/machin/vacuum/760.html

Белова Ольга Владимировна родилась в 1971 г., окончила МГТУ им. Н.Э. Баумана в 1995 г. Канд. техн. наук, доцент кафедры «Вакуумная и компрессорная техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор более 20 научных работ в области компьютерного моделирования инженерных систем. e-mail: ovbelova@yandex.ru

Стародубцев Алексей Александрович родился в 1987 г., окончил МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2011 г. по специальности «Вакуумная и компрессорная техника». Аспирант кафедры «Вакуумная и компрессорная техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Чернышев Андрей Владимирович родился в 1952 г., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана в 1975 г. Д-р техн. наук, профессор кафедры «Вакуумная и компрессорная техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор более 100 научных работ в области математического моделирования и исследования рабочих процессов, разработки и проектирования вакуумного и электропневматического оборудования различного назначения. e-mail: av-chernyshev@yandex.ru