CC BY
148
УДК 628.146
И. Р. Чиняев
МЕТОДИКА РАСЧЁТА ХАРАКТЕРИСТИК ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИХ ЗАДВИЖЕК
ФГБОУ ВПО «Курганская государственная сельскохозяйственная академия имени Т. С. Мальцева»
I. R. Chinjaev
METHOD OF CALCULATING THE CHARACTERISTICS OF SHUT-OFF AND REGULATING VALVES Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education «Kurgan State Agricultural Academy by T S. Maltsev»
Изложена методика расчёта коэффициентов сопротивления и расхода запорно-регулирующих задвижек в зависимости от хода шибера и пример расчёта по предложенной методике.
Ключевые слова: запорно-регулирующие задвижки, скорость потока, расход.
The methodology of calculation of resistant and flow rate factor of stop valves depending of the gate stroke and the example of calculation on the introduced methodology are considered.
Keywords: locking regulating latches, speed of a stream, an expense.
Ильгиз Рашитович Чиняев
Ilgiz Rashitovich Chinjaev аспирант
Россия, 641300, Курганская область, Кетовский район, с. Лесниково, КГСХА E-mail: [email protected]
Введение. Спрос на запорно-регулирующие задвижки растёт, в том числе и для систем сельскохозяйственного водоснабжения. Совершенствование конструкции запорно-регулирующих задвижек и методов их расчёта является актуальной задачей.
Методика. Выберем расчётные сечения на схеме запорно-регулирующей задвижки (рисунок 1):
d - диаметр трубы,
Ь - толщина шибера и длина зазора, h - ход шибера Рисунок 1 - Расчётная схема запорно-регулирующей задвижки
между шибером и стенкой трубы (проходное сечение шибера); 4 - сечение в трубе после шибера на расстоянии 5d от шибера. Между сечениями 1 - 2 происходит вход потока жидкости из трубы в зазор между шибером и стенкой трубы. Между сечениями 2 - 3 течение жидкости в зазоре. Между сечениями 3 - 4 выход потока из зазора в трубу.
Принятые допущения. Задвижка расположена горизонтально. При d/b > 2 зазор между шибером и стенкой трубы рассматриваем как круглый насадок. При d/b < 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 (безотрывный режим течения). Запишем уравнение Бернулли для выбранных сечений [1, 2]:
где Р - давление, Па;
р - плотность жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2;
V - скорость жидкости, м/с;
^1-3 = ^1-2 + ^2-3, Ь1-4 = \-2 + ^2-3 + ^3-4
- потери
напора на соответствующих участках задвижки, м.
К4 = Я V4 /(2 • g)>
Кз = (V - V)2 /(2 • g),
h1-2 = Явх • V2 /(2 • gX h-4 = V - V4)2 /(2• g),
(2)
где С - коэффициент гидравлического сопротивления 1 - сечение в трубе перед шибером; 2 - сжатое сече- задвижки, отнесённый к скорости потока в трубе (се-ние струи в зазоре; 3 - выходное сечение из зазора
72 Научный журнал Вестник Курганской ГСХА
чения 1, 4);
С - коэффициент гидравлического сопротивле- делить расчётным путём: ния входа в зазор.
Потерю напора между сечениями 1 и 4 предста- И = 1Ы1 + ^.
вим:
? -V/ /(2-^ < /(2-g) +(V2 - V )2 /(2-g) + V - V4)2 /(2-g). (3)
лентной автомодельности можно приближённо опре-
(8)
Расход через проходное сечение проточной части задвижки Q, м3/с, определяется:
По уравнению расхода при 81 = S4:
VI = V,, Vз■Sз = V4-^, Vз■Sз = V2-52, V, = Vз/е, (4)
где S - площадь сечения потока, м2;
£ - коэффициент сжатия струи при входе в зазор.
К, = V-Б 4 / Б,
V, = V-Б 4/еБъ,
(5)
Значение £ при несовершенном сжатии зависит от соотношения площадей зазора и трубы и может быть определено по формуле [3]:
<0 = Н, (9)
где Н - потери напора на задвижке, м.
Средняя скорость потока в трубе составит:
К = 0 / (10)
Числа Рейнольдса потока в трубе и в зазоре определяются по выражениям:
Rq = 4-0/(я-у-ё), Re = 4-0/(л-у-к).
(6)
где V - кинематическая вязкость жидкости, м2/с. Результаты расчёта. Расчёт характеристик по представленным формулам выполнен для задвижки предлагаемой конструкции [4] с диаметром про-Подставим выражения (4) и (5) в (3) и определим ходного сечения 134,0 мм при её установке в трубопровод диаметром 150,0 мм. Задвижка рассчитана на максимальное давление 1000 кПа. Полный ход шибера составляет 145,5 мм. Задвижка имеет выемку для шибера, поэтому при перемещении шибера на вели-где S4 / S3 =ДЪ), отношение площади трубы к чину Ь < 15,0 мм расход отсутствует. Расчёт значе-площади проходного сечения задвижки, является ний параметров предлагаемой задвижки в зависимо-
е = 0,62+ 0,3 8- (Б3 / Б4 )2.
коэффициент сопротивления задвижки:
? = Б / Б)2 -?„/Є + Б / Б )2 -(1/Є-1)2 + Б / Б-1)2,
(7)
функцией величины подъёма шибера.
сти от хода шибера выполнен для 19 положений ши-
Значения коэффициента расхода ц в зоне турбу- бера (таблица).
Таблица - Расчётные значения параметров задвижки
Положение шибера 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
2 Ход шибера Ь, мм 0 15,0 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5 20.5 21,5 22,5 29,5 43,65 58,2 72,75 87,3 101,85 116.4 130.95 145.5
3 Площадь проходного сечения, см2 0 0 1,8*10-2 9,1*10-2 0,29 0,75 1,5 2,2 2,9 3,4 10 30 50 70 90 100 120 130 140
4 Коэффициент сжатия струи е 0 0 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,622 0,632 0,651 0,678 0,711 0,749 0,786 0,822 0,850
5 Коэффициент сопротивления ад ад 3.6*10-8 1.5*10-7 1.5*10-6 2.1*10-5 5.8*10ч 2.3*10-4 1,4*10-4 1,0*10ч 818 102 32 14 6,6 3,5 2,0 1,2 0,8
6 Коэффициент расхода ц 0 0 5.2*10-5 2.6*10ч 8.3*10-4 2.2*10-3 4.2*10-3 6.5*10-3 8,5*10-3 0,010 0,035 0,099 0,174 0,262 0,363 0,471 0,579 0,674 0,744
Дросселирование жидкости начинается при ходе шибера 15,5 мм, что составляет 10,65 % от хода шибера. Размыкание шибера и пяты происходит в девятом положении шибера при ходе 22,5 мм, что составляет 15,46 % от хода шибера. Расход через задвижку ограничен значением Q = 0,053 м3/с, что соответствует скорости потока 3,0 м/с в трубе диаметром 150,0 мм. Расход через задвижку зависит от перепада давления АР на задвижке. Расчёт выполнен в диапазоне от максимально допустимого значения давления
1000 кПа до минимального 3,62 кПа для семи значений АР (рисунок 2).
При полном открытии задвижки и максимальном расходе Q = 0,053 м3/с потери давления в задвижке составляют 3,62 кПа. При этом перепаде давления на задвижке рассчитана зависимость расхода от хода шибера (рисунок 2). Видно, что при потерях давления 3,62 кПа регулирование расхода задвижкой происходит во всём диапазоне хода шибера. При потерях давления 1000 кПа диапазон регулирования - от
15,5 до 40,0 мм хода шибера, то есть между 10 и 11 положениями (см. таблицу) расход достигает максимального значения и при дальнейшем подъёме шибера не возрастает.
По формулам (11) для различных значений потерь давления АР : 1000, 100 и 10 кПа, рассчитаны значения чисел Рейнольдса в трубе и в проточном сечении задвижки в зависимости от хода шибера h (рисунок 3).
ы^/с
\ І - 3 • \ \ у / ''
2 ^ / / V 6 — 7
1 - АР =1000 кПа; 2 - 500; 3 - 100; 4 - 50; 5 - 20; 6 - 10; 7 - 3,62 кПа Рисунок 2 - Зависимость расхода воды через задвижку
Же:
1 Ч /
. > V--
3 ... л- ------
1- АР =1000 кПа; 2 - 100; 3 - 10 кПа. Рисунок 3 - Зависимость числа Рейнольдса в проточном сечении задвижки от хода шибера h и потерь давления на задвижке АР
Уже в начале дросселирования (при h = 15,5 мм, положение шибера 2) числа Рейнольдса при указанных перепадах давления составляют 1,056*105; 3,338*104 и 1,056*104 (на рисунке 3 не различимы), что свидетельствует о течении воды в зоне турбулентной автомодельности. При дальнейшем подъёме шибера числа Рейнольдса резко возрастают. Рост чисел Рейнольдса ограничен и их значения сливаются в одну линию при значениях хода h > 120 мм, так как ограничен расход через задвижку. Все зависимости имеют экстремальное значение, после которых значения чисел Рейнольдса при постоянном расходе уменьшаются.
Выводы. Разработана методика расчёта коэффициентов сопротивления и расхода запорно-регулирующих задвижек в зависимости от хода шибера, что позволит прорабатывать конструкции запорных элементов задвижки.
Далее планируется проведение экспериментальных исследований и уточнение характеристик запорно-регулирующих задвижек.
Список литературы
Исаев А. П., Сергеев Б. И., Дидур В. А. Гидравлика и гидромеханизация сельскохозяйственных процессов - М.: Агропромиздат, 1990. - 400 с. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1992.
- 672 с.
Сборник задач по машиностроительной гидравлике. Под ред. И. И. Куколевского. - М.: Машиностроение, 1981. - 464 с.
Патент на полезную модель 77657 РФ, МПК F16K 3/12. Запорно-регулирующая задвижка / Г. А. Заславский, Р. М. Караев, В. А. Рязанов, А. Л. Ша-наурин, И. Р. Чиняев - заявлено 23.06.2008; опубл. 27.10.2008, Бюл. №30.
1
2
3
4
