CC BY
40
УДК 628.146
А. В. Фоминых, Е. А. Ильиных, И. Р. Чиняев, Е. А. Пошивалов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И КАВИТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КЛЕТОЧНОГО КЛАПАНА
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КУРГАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ
АКАДЕМИЯ ИМЕНИ Т. С. МАЛЬЦЕВА»
A. V. Fominykh, E. A. Ilinykh, I. R. Chinyayev, E. A. Poshivalov THE DETERMINATION OF HYDRAULIC AND CAVITATING CHARACTERISTICS OF THE CELL VALVE FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «KURGAN STATE AGRICULTURAL ACADEMY BY T. S. MALTSEV»
Аннотация: Изложены устройство и методика расчёта пропускной характеристики клеточного клапана. Приведены схема и характеристики стенда для испытания трубопроводной арматуры. Изложены результаты расчётных и экспериментальных исследований гидравлических и кавитационных характеристик запорно-регулирующего клеточного клапана по методикам ГОСТ Р 55508-2013.
Ключевые слова: клапан; расход; перепад давления; ход плунжера; пропускная характеристика; коэффициент кавитации.
Abstract: The organization and the calculating method of the cell valve throughput characteristics are given. The schemes and stand characteristics for testing of pipe fittings are presented. The results of computational and experimental studies of hydraulic and cavi-tating characteristics of the shut-off regulating cell valve according to GOST (all-Union State Standard) R 55508-2013.
Key words: valve; consumption; pressure drop; plunger stroke; throughput characteristic; cavitating index.
Александр Васильевич Фоминых
Alexander Vasilyevich Fominykh доктор технических наук, профессор [email protected]
Евгений Анатольевич Ильиных
Evgeniy Anatolyevich Ilinykh [email protected]
Ильгиз Рашитович Чиняев
Ilgiz Rashitovich Chinyayev кандидат технических наук [email protected]
Егор Александрович Пошивалов
Egor Aleksandrovich Poshivalov [email protected]
Введение. Вопросы исследования и установления закономерностей движения проводимой среды в запорно-регулирующих клеточных клапанах (далее клапан) и взаимодействия жидкости с затворным узлом с целью определения рациональных значений конструктивных параметров деталей проточной части клапанов, для повышения точности регулирования потоков проводимой среды и исключения повреждения от кавитации затворного узла во всём диапазоне хода плунжера являются актуальными.
Клеточные клапаны нашли широкое применение благодаря преимуществам: возможность получить любую пропускную характеристику посредством расположения и размеров отверстий в клетке; разгруженный плунжер; антикавитационные свойства, рисунок 1.
Методика. Расчётная пропускная способность клапана Ку (м3/ч) при каждом положении плунжера определяется [1; 2]:
Ку = 3600-^-КЫ ^ 2-АР / р, (1)
где / - расчётные значения коэффициента расхода; КЫ - площадь проходного сечения, м2; АР = 100000 Па - перепад давления на клапане; р = 1000 кг/м3 - плотность проводимой среды (вода).
Пропускная способность клапана по экспериментальным данным при каждом положении плунжера определяется [1]:
1 - корпус; 2 - седло; 3 - клетка; 4 - плунжер; 5 - крышка; 6 - сальник; 7 - шток Рисунок 1 - Устройство клеточного регулирующего клапана
КУ= 3,57-104 • QЦр/АР,
(2)
где Q - экспериментальное значение расхода жидкости, м3/с;
АР - экспериментальное значение перепад давления, Па.
В соответствии с ГОСТ Р 55508-2013 определены гидравлические характеристики клеточного клапана БШ0 РШ60 в лаборатории ООО НПФ «МКТ-АСДМ». Оборудование лаборатории позволяет проводить исследования при расходах до 75 м3/ч и давлениях до 3,2 МПа при использовании центробежных насосов и до 30,0 МПа при использовании плунжерного насоса [1; 2]. При проведении экспериментальных исследований из ёмкости 9 (рисунок 2) объёмом 46 м3, вода поступает в центробежный насос 1 марки ЛМ 80-45/28-С, который подаёт воду через сетчатый фильтр 2 в основной центробежный насос 3 марки ЦНС 38-220. Далее вода по трубопроводу поступает в регулирующую задвижку 4. Изменяя положение регулирующего органа, добиваемся заданного условиями эксперимента давления Р до клапана 5. Давление
фиксируются манометрами 10 и датчиками давления 11 установленными до и после исследуемого клапана 5. Информация с датчиков 11 передается и записывается в АЦП «Экограф-Т» 12. Пройдя через клапан 5 вода по трубопроводу поступает во вторую регулирующую задвижку 6, с помощью которой устанавливается давление Р2. Для визуального контроля процесса кавитации после регулирующей задвижки 6 установлен участок трубопровода с прозрачным стеклом 7. Для фиксации расхода Q воды на обратном трубопроводе гидрокольца установлен электромагнитный расходомер 8 (ЭРСВ-550Ф). Пройдя через расходомер 8 вода по трубопроводу возвращается в ёмкость 9.
Контролируемые параметры при проведении эксперимента: среда - вода; Р1 - абсолютное давление до испытуемого клапана; Р2 - абсолютное давление после испытуемого клапана; Q - объёмный расход; 1 - время.
Результаты. Результаты расчётов по формуле (1) и экспериментального определения пропускной характеристики Ку по формуле (2) клапана [3] представлены на рисунке 3.
1 - насос центробежный ЛМ 80-45/28-С; 2 - фильтр сетчатый; 3 - насос центробежный ЦНС 38-220; 4, 6 - задвижка регулирующая; 5 - запорно-регулирующий клеточный клапан; 7 - участок трубопровода с прозрачным стеклом; 8 - электромагнитный расходомер ЭРСВ-550Ф; 9 - ёмкость с водой (46 м3); 10 - манометр; 11 - датчик давления; 12 - АЦП «Экограф-Т»
Рисунок 2 - Гидравлическая схема испытательного стенда
Рисунок 3 - Расчётная и действительная пропускные характеристики запорно-регулирующего клеточного клапана БШ0 РШ60 по методике ГОСТ Р 55508-2013
Получена линейная пропускная характеристика разработанного и изготовленного на ООО НПФ «МКТ-АСДМ» клеточного клапана - Куу = 32 м3/ч, [3; 4]. Расчётная и действительная (экспериментальная) пропускные характеристики совпадают.
В нормативном документе РМ4-163-77 изложены пояснения к методике определения кавитацион-ных характеристик трубопроводной арматуры [5]. Там же приведен график зависимости объёмного расхода жидкости через регулирующий орган от квадра-
тичного корня из перепада давления, график представлен здесь на рисунке 4. График разбит на области, в каждой из которых справедлива своя зависимость между расходом и перепадом давления.
няется такой закон изменения давления Р1. В стандарте ЦКБА 029-2006 приведён аналогичный график и изложена методика экспериментального определения гидравлических и кавитационных характеристик [8]. Коэффициент кавитации определяется:
Кс = АРс /(Р -Рй.й.), (3)
где АРс - перепад давления на клапане, соответствующий началу отклонения расходной характеристики вида Q = /(^АР) от линейной зависимости, Па; Р1 - абсолютное давление до клапана, Па; Рнп - абсолютное давление насыщенных паров, Па.
Коэффициент критического перепада давления определяется:
I - область ламинарного движения; II - переходная область; III - турбулентное однофазное движение в квадратичной области; IV - область кавитации; V - критическое течение двухфазной смеси
Рисунок 4 - Расход жидкости через регулирующий
орган в зависимости от квадратного корня из перепада давления (для положения «открыто») [5]
В документе [5] даны пояснения к этому графику: «При увеличении перепада давления на регулирующем органе АР (уменьшение давления после регулирующего органа Р2) расход Q возрастает и, как показано на рисунке, поток попадает в область кавитации IV». При этом возникают вопросы:
- в каких диапазонах изменять значения давлений до и после регулирующего органа, и как значения этих давлений повлияют на пропускную характеристику и значение коэффициента кавитации КС трубопроводной арматуры;
- как изменяется, или остаётся постоянным и как поддерживается значение давления Р1 при увеличении перепада давления на регулирующем органе за счёт уменьшения давления Р2.;
- не указано, при каком значении Р1 получена характеристика расхода жидкости в зависимости от квадратного корня из перепада давления Q = /(л1АР).
- при испытаниях на воде области V, видимо, не существует, так как дальнейшего, после области IV, увеличения АР за счёт уменьшения Р2 нет. Рассматриваемый график из РМ4-163-77 так же приведён в статье А. Ю. Горелова [6, с. 55].
Аналогичный график приведён в РТМ 108.711.0279 [7], но не изложена методика получения таких зависимостей. Из графика не ясно: остаётся ли постоянным расход при увеличении давления Р1 и чем объяс-
Кт =АРп/(Рх -гс-Рн),
(4)
где АРт - критический перепад давления: перепад давления, соответствующий запиранию расхода, Па;
гс - полуэмпирический коэффициент критического отношения давлений, зависящий от физических свойств среды (воды).
Методики определения критериев кавитации и критического расхода регулирующей арматуры в стандарте ЦКБА 029-2006 и ГОСТе Р 55508-2013 одинаковые. При экспериментальном определении по ГОСТ Р 55508-2013 кавитационных характеристик клапана клеточного в лаборатории ООО НПФ «МКТ-АСДМ» выполнено 189 замеров при подаче воды на плунжер и 48 замеров при подаче воды под плунжер (рисунок 5).
При этом число Рейнольдса изменялось от 10000 до 500000. Кавитационные характеристики определялись при минимально возможном значении давления Р2 равном 124630-202650 Па (абсолютное). Перепад давления АР увеличивается за счет увеличения давленияР г
Из рисунка видно, что при всех положениях плунжера отклонения от линейной характеристики нет. По методике ГОСТ Р 55508-2013 не удалось определить начало отклонения расходной характеристики Q = /(^АР) от линейной зависимости во всём диапазоне хода плунжера. При этом через прозрачное стекло 7 в трубопроводе после клапана наблюдалось течение двухфазной среды (пузырей и жидкости). Необходимо совершенствование методики определения коэффициента кавитации и ко -эффициента критического перепада давления регулирующей арматуры на основе методик, приведённых в [3-5; 7; 8].
Рисунок 4 - Зависимость расхода воды через клеточный клапан БК 50 РК 160 от корня квадратного из перепада давления (кг/см2), полученная по методике ГОСТ Р 55508-2013
Номер линии 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Относительный ход плунжера 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0.8 0,9 1,0
Выводы. 1 Разработан и изготовлен стенд для испытания трубопроводной арматуры. Стенд позволяет определять гидравлические и кавитационные характеристики, проводить испытания на надёжность трубопроводной арматуры диаметром до 400 мм.
2 Получена линейная пропускная характеристика разработанного и изготовленного на ООО НПФ «МКТ-АСДМ» клеточного клапана - Куу = 32 м3/ч. Расчётная и действительная (экспериментальная) пропускные характеристики совпадают.
3 По методике ГОСТ Р 55508-2013 не удалось определить начало отклонения расходной характеристики Q = /(АДР) от линейной зависимости во всём диапазоне хода плунжера.
4 Необходимо совершенствование методики определения коэффициента кавитации и коэффициента критического перепада давления регулирующей арматуры, приведённой в ГОСТ Р 55508-2013.
Список литературы
1 Чиняев И. Р., Фоминых А. В., Сухов С. А. Повышение надёжности и эффективности работы шиберной запорно-регулирующей задвижки // Экспозиция Нефть Газ. - 2013. - № 3. - С. 80-82.
2 Определение пропускной характеристики задвижки шиберной запорно-регулирующей / И. Р. Чиняев [и др.] // Экспозиция Нефть Газ. - 2015. - № 2. - С. 38-40.
3 ГОСТ 12893-2005 Клапаны регулирующие од-носедельные, двухседельные и клеточные. Общие технические условия.
4 ГОСТ Р 55508-2013 Арматура трубопроводная. Методика экспериментального определения гидравлических и кавитационных характеристик.
5 РМ4-163-77 Руководящий материал. Расчёт и применение регулирующих органов в системах автоматизации технологических процессов.
6 Горелов А. Ю. Комментарии к статье // Арма-туростроение. - 2015. - № 4. - С. 55.
7 РТМ 108.711.02-79 Арматура энергетическая. Методы определения пропускной способности регулирующих органов и выбор оптимальной расходной характеристики.
8 Стандарт ЦКБА 029-2006 ЗАО НПФ «Центральное конструкторское бюро арматуростроения». Арматура трубопроводная. Методика экспериментального определения гидравлических и кавитацион-ных характеристик».
