автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Исследование гидравлических характеристик гидродинамически коротких трубопроводов энергетических систем

РГ 6

П Я •■

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ^ЛД>РСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

АГЕЕВ АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОДИНАМИЧЕСКИ КОРОТКИХ ТРУБОПРОВОДОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

(05.08.05 — Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата -технических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Высшем Техническом Учебном Заведении, СЕВМАШВТУЗ — филиал СПбГМТУ! '

Научный руководитель: д. т. н., профессор РАКИЦКИЙ Б. В.

Научный консультант: к. т. н., доцент АИН Е. М.

Официальные оппоненты: д. т. н., профессор МАКАРОВ В. Г.

к. т. н., ст. научный сотрудник КУДРЯШЕВ В. В.

Ведущее предприятие — Санкт-Петербургское Морское Бюро Машиностроения «МАЛАХИТ».

Автореферат диссертации разослан ч*^.» -1997г.

Защита диссертации состоится ¿^-Я ^рт г

/лев

в__ 7 , часов на заседании специализированного Совета

Д 053.23.02 по присуждению ученой степени кандидата технических наук при Санкт-Петербургском Государственном Мор* ском Техническом Университете по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного Морского Технического Университета.

Отзывы на. автореферат в двух экземплярах е подписями, заверенными печатью, просим направлять в' адрес Ученого совета.

Ученый секретарь

специализированного совета 1

д. т. и., профессор I ^ • ДЯДИК А. И.

Зек. 390. Тир. 80.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важной задачей, является уменьшение объёма пуско-наладочных работ при постройке систем, которые в настоящее время составляют в среднем я 46% общей трудоёмкости монтажа и наладки систем.

Один из важных способов уменьшения объема трудозатрат состоит в более обоснованном выборе характеристик насосов, вентиляторов, для чего требуется учёт геометрии и характера особенности гидродинамики натурных систем при гидравлических расчетах.

Из проведенного анализа натурных энергетических систем установлено, что применяемые в энергетических системах прямолинейные участки трубопроводов являются гидродинамически короткими, т.е. их длина соизмерима с длиной входного участка. Вход в гидродинамически короткий трубопровод классифицируется как «неклассический», т.е. не из успокоительной камеры и не из выравнивающих устройств, а из унифицированных фасонных частей (УФЧ), побудителей расхода, арматуры и т.п. с неравномерным распределением скорости потока. В большинстве случаях вход в прямой трубопровод осуществляется из УФЧ (поворотов - 60%, диффузоров - 20%) круглого сечения.

Таким образом, содержание работы - определение гидравлических характеристик гидродинамически короткого трубопровода при «неклассических» входных условиях с целью совершенствования методов гидравлического расчета энергетических систем и уменьшения в конце концов трудоёмкости пуско-нападочных работ.

В связи с многофакторностью поставленной задачи наиболее обоснованным методом исследования является планируемый эксперимент.

Цель работы. Разработка методики проектных расчётов гидравлических характеристик элементов трубопроводных систем с учётом геометрии трубопроводов и особенностей потоков, обусловленных различными путевыми включениями.

Задачи исследования:

• изучение распределения коэффициентов сопротивления трения вдоль входного участка круглой прямой трубы при различных распределениях скорости потока на входе, обусловленных влиянием предвключбнных УФЧ.

• изучение коэффициента сопротивления поворота методом физического моделирования, при различных длинах пред- и послевключённых прямых участков и характера течения;

• разработка методики количественной оценки характера распределения скорости потока;

• получение расчётной зависимости для определения коэффициента сопротивления трения гидродинамически короткого трубопровода при различной асимметрии потока на входе, обусловленного предвключёнными УФЧ;

• разработка способа уменьшения гидравлического сопротивления и улучшения виброакустических характеристик поворотов и подсоединённых к ним побудителей расхода (вентилятора).

Автор защищает:

• результаты спланированных многофакторных экспериментов по определению гидравлических характеристик гидродинамически коротких прямолинейных трубопроводов, поворотов и диффузоров;

• методику количественной оценки асимметрии распределения скоростей по сечению потока в трубопроводе;

• методику проектного расчёта коэффициента сопротивления трения для гидродинамически короткого трубопровода с учётом асимметрии скоростей потока на входе;

• методику проектного расчёта гидравлических характеристик поворотов, используемых в «путевом» варианте;

• техническое устройство, в виде аксиально-лопаточного завихрителя с полым центральным телом, предназначенное для снижения гидравлических сопротивлений и акустической активности насосов и вентиляторов с предвключёнными поворотами;

• физическую модель течения в повороте.

Научная новизна работы заключается:

• в получении экспериментальных результатов по гидравлически коротким трубопроводам;

• в разработке методики количественной оценки неравномерного распределения скорости в виде коэффициента асимметрии;

• в анализе асимметрии распределения скорости потока при выходе из УФЧ (поворотов, диффузоров);

• в анализе физической модели течения в повороте;

• в получении экспериментальных математических моделей взаимосвязи конструктивных параметров и режимов течения потока для определения гидравлического сопротивления поворотов при наличии пред- и послевключённых прямых участков;

• в получении расчетных зависимостей для определения гидравлического сопротивления поворотов при наличие пред- и послевключённых прямых участков;

• в обнаружении максимума гидравлического сопротивления формы поворота (¿¡гиба) при угле поворота а = 900;

• в получении по результатам планируемых экспериментов расчётной зависимости для определения коэффициента гидравлического сопротивления трения гидродинамически короткого трубопровода при различном характере течения и асимметрии потока на входе;

• в разработке конструкции аксиально-лопаточного завихрителя с трубчатым центральным телом и исследование его влияния на снижение гидравлического сопротивления и акустической активности вентилятора с предвключённым поворотом.

Достоверность и обоснованность результатов. Проведённые эксперименты были спланированы как полные факторные. Обработка результатов экспериментов проводилась методами математической статистики. Сами опыты проводились на специально созданных, а соответствии с рекомендациями, аэродинамических и акустических стендах. В качестве измерительных приборов использовались стандартные и специально изготовленные приборы, своевременно прошедшие госповерку. На ряде режимах проводились дублирующие эксперименты.

Добротность методики и качество стендов проверялись путём проведения проверочных экспериментов, результаты которых сравнивались с данными публикаций в научной литературе.

Практическая ценность работы:

• полученные расчётные зависимости для определения гидравлического сопротивления поворотов, диффузоров круглого сечения, при использовании их в «путевом» варианте, а также расчетная зависимость для определения коэффициента гидравлического сопротивления трения гидродинамически короткого трубо-

провода при асимметрии потока на входе могут быть использованы в нормативных документах по гидравлическим расчётам энергетических систем;

• разработанная методика и программа на ПЭВМ, для расчёта коэффициента асимметрии потока, может быть использована для дальнейшего изучения течения в элементах энергетических систем;

• составленная на основе планируемых экспериментов и метода визуализации потока физическая модель течения в повороте может служить основанием для разработки математической модели течения в повороте;

• разработанная конструкция аксиально-лопаточного завихрителя с полым центральным телом может бьггь использована для уменьшения гидравлических и акустических характеристик, как собственно УФЧ (поворота), так и подключённого к нему побудителя расхода (вентилятора), при использовании их в энергетических системах.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции «Актуальные проблемы проектирования, изготовления, монтажа и ремонта судовых трубопроводов и систем» (Севастополь, 1991 г.), на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новое в безопасности жизнедеятельности и экологии» (Санкт-Петербург, 1996 г.), на международной конференции по проблемам радиоэкологии на Российском и Европейском Севере (Северодвинск, 1996 г.), на научной конференции «Ломоносовские чтения» (Северодвинск, 1996 г.).

Внедрение. Методика определения коэффициента сопротивления трения гидродинамически короткого трубопровода при различной асимметрии потока на входе внедрена для расчётов технологических систем в НИПТБ «ОНЕГА» и ГМП «ЗВЁЗДОЧКА». Разработанная в работе конструкция аксиально-лопаточного завихрителя с полым центральным телом внедрена в систему вентиляции участка цеха 50 ПО «Севмашпредприятие».

Обьём работы. Диссертация состоит из четырёх основных глав (1 - 4), введения и заключения. Она содержит 100 страниц основного текста, 46 рисунков, 22 таблицы, 93 использованных источника и 25 страниц приложения.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы и даётся её краткая характеристика.

В главе 1 дан анализ технологии постройки энергетических систем, результаты которого и определили содержание данной работы, её актуальность и практическую значимость. Установлено, что а процессе изготовления, наладки и испытания энергетических систем появляется необходимость большого объёма регулировочных работ. Так, трудоёмкость регулировки системы вентиляции и кондиционирования воздуха составляет 46% общей трудоёмкости монтажа. Во многих случаях регулировка расходов осуществляется путём установки дроссельных диафрагм малого проходного сечения, которые не только ухудшают гидравлические характеристики системы, но и виброакустические. Так, например, в корабельной системе вентиляции и кондиционирования воздуха (СВКВ) было установлено в процессе регулировки 86 дроссельных диафрагм.

Выполнен анализ возможных причин увеличения объёма регулировочных работ. Установлено, что для уменьшения трудоёмкости этих работ целесообразен при гидравлических расчётах систем учёт того, что практически все прямые участки трубопроводов в составе системы гидравлически короткие и вход в эти трубопроводы происходит в основном из УФЧ, а также из вентиляторов и насосов.

В то же время, в соответствии с действующими руководящими документами, по гидравлическим расчётам энергетических систем для определения гидравлического сопротивления прямолинейного трубопровода берётся коэффициент сопротивления трения постоянным, равным значению для стабилизированного течения без учёта:

• влияния особенностей течения на входном участке (Ал = /(1_н/с)));

• влияния характера течения (М = /(Яе));

• влияния предвключённых к прямой трубе элементов системы, имеющих на выходе асимметричное распределение скорости потока (XI = /(Кас)).

Анализ научных источников показал недостаточность систематических исследований гидродинамически коротких трубопроводов с «неклассическими» входными условиями.

Таким образом, основная задача исследования состоит в разработке расчётной зависимости коэффициента сопротивления трения гидродинамически короткого трубопровода при выходе его из поворота и диффузора круглого сечения.

Глава 2 посвящена изучению гидродинамики потока и получению опытным путём гидравлических характеристик поворотов, диффузоров в зависимости от характера потока на входе в эти элементы и положения их в системе.

Общее сопротивление поворота определяется одновременным действием сил трения и местным сопротивлением, вызванным поворотом потока

^ = Стр + кк,См (1)

где: £гр = X - коэффициент сопротивления трения;

к - коэффициент, учитывающий влияние шероховатости; К, - коэффициент, учитывающий влияние режима течения; См - коэффициент местного сопротивления поворота потока. Анализ научных источников в области гидравлического расчёта поворотов показал, что:

• недостаточно полно учитываются влияние пред- и послевключённых прямых участков на коэффициент сопротивления поворота;

• недостаточно полно учитывается совместные влияния геометрии фасонных частей и режимы течения.

Имеющиеся в научной литературе данные для определения коэффициентов местных сопротивлений недостаточны для гидравлических расчётов трубопроводов, характеризующихся наличием большого количества последовательно расположенных местных сопротивлений. Для выяснения гидравлических характеристик были проведены специальные эксперименты, в которых определялось общее сопротивление поворотов при различных длинах пред- и послевключённых прямых участков труб. Длины труб предвключённых к повороту варьировались в интервале Ы/с1 = 0 *- 60. Выяснение влияния послевключённой прямой трубы на коэффициент общего сопротивления поворота показал, что длина её при 1_п/с1 2- 10 не сказывается на характеристики поворота. Это позволило провести опыты с прямой трубой 1_л/с1 = 10. Результаты этих экспериментов представлены в табл.1,2. В этих опытах заодно измерялись перепады статического давления на прямой трубе йуЮО, I. = 9 м., подключённой к повороту. Коэффициенты сопротивления трения в трубопроводе после поворота во всех случаях превосходят таковые при подаче равномерного потока во входное сечение трубы. Наибольшее, существенное отличие имеет место при угле поворота равном

Таблица 1

Результаты определения коэффициентов общих сопротивления поворотов, включённых в сеть трубопроводов

N0 п/п Параметры поворота ЯеЛО' Коэффициент общего сопротивления поворотов с предвключённой прямой трубой (!н/(1) Коэффициент общего сопротивления поворотов с пред- и послевключённой прямой трубой (1п/с1 = 10)

1н/а = ю 1н/а = зо ы/а = 50 1нМ = 10 1нМ = 30 I 1н/а = 50

ОС т • Ь дР ¿¡общ. I дР (¡общ. дР £общ. дР {¡общ дР г;общ. I дР ¿¡общ

град | мм I кг! м1 кг! м2 кг! мг кг! м1 кг! мг | кг! м1

1 2 3 : 4 ( 1 г 9 10 11 12 13 14 15 ! 1« 17

1 2.64 0 25 0.1799 0.21 01521 0 20 0.1405 0.18 0.1287 0.17 0.1186 | 0.16 0.1115

2 I 45 1 5 118 8 53 214 0.1710 1 61 0.1449 1 65 01320 1.41 0.1129 1 36 0 1 087 I 1.18 0 0946

3 14.2 [5 29 0.1522 4.67 0.1343 3 98 0 1144 384 0 1105 3.50 ! 0.1007 I 2.98 0 0856

4 2 84 0.24 01744 0 20 0 1506 0 19 0.1362 0 16 0.1151 0.15 I 01114 ! 015 01092

5 45 2 0 157 8 53 2 05 0 1635 1.76 0.1409 1.51 0 1202 1 30 0.1039 1.25 I 0 0998 | 1.11 0 0688

6 14 2 4 96 0.1426 4 32 01243 I 3 65 01049 318 0 0913 I 3.14 I 0.0902 ' 2.79 0 802

7 8 I ' 2.64 0 21 0.1526 0 19 0 1350 I 0,17 0 1231 0.14 0.1007 : 0 13 I 0 0926 ! 012 0 0916

45 '26 196 8 53 68 0 1344 1 43 0 1184 1 36 0.1083 1 09 0С874 ! 0 99 ! 0 07.59 0 95 1 0 0754

9 ' I ! 142 4 40 0.1265 3 94 01133 3 62 0 1041 290 0 0835 ' 2 57 ! 0 0740 ! 2.47 ! 0 0710

10 2 84 0 45 0.3247 038 0 2756 0 36 0 2589 0 39 0.2792 I 0 33 0.2343 г 0 31 0 2249

11 90 I 1 5 : 236 8 53 3 40 0.2718 290 0 2315 2.72 0.2172 303 0 2419 | 2 49 0.1991 ! 2 42 0.1931

12 ! I 14.2 8 48 0 2439 7.73 0 2223 7.28 I 0 2093 7 05 0 2026 I 6 57 0 1890 ! 6 44 01852

13 ! | 2 64 0 39 I 0 2775 033 0 2364 0 32 0 2281 0.34 0 2470 I 0.28 0 2009 0 27 0 20С9

14 90 1 2 0 ! 316 8 53 3 04 0 2426 262 0 2096 2 56 0 2048 2 70 0 2153 I 2 26 С 1803 2 26 0 1603

15 ' ¡14 2 8 02 0 2306 ! 6 99 0 2009 ' 6 86 0 19',3 6 74 0 1937 I 6 01 I 0.1728 < 6.01 1 01728

16 ! 2 84 0 36 0 2606 0 32 0 2316 I 0 31 0 2279 0 31 ! 0 2235 ' 0.27 I 0.1969 I 0 26 ! 01569

17 90 I 25 ■ 393 8 53 2 38 0 2303 254 0 2029 I 2 38 0 ''904 2 47 0 1974 ! 2.15 1 0.1715 I 2 02 : 0 1610

18 : —^ 14 2 : 7 59 I 0 2184 I 6,74 I 01939 I 6 31 0.1814 6.56 0 1885 : 5 67 ! 0,1629 5 26 I 01513

19 } 2 84 0 46 0 3328 I 0 39 0.2825 0 37 0 2602 0 45 0 3254 ! 0 39 0 2825 0.37 ; 0 2602

20 135 15 '353 8 53 3 58 0 2859 I 3 00 0 2399 2 86 0 2287 358 0 2859 ! 3 00 0.2399 2 об ! 0 2287

21 142 8.71 I 0 2503 ! 7 99 0 2296 7 54 ! 0.2169 8.71 ! 0 2503 I 7 99 0 2296 ! 7 54 ' 0 2169

22 I 2 84 | 0 39 I 0 2855 0.36 0 2574 | 0 34 ; 0 2455 033 0 2355 I 0 36 I 0 2574 I 0 34 С 2455

23 | 135 2 0 | 471 8 53 3 20 I 0,2555 2.85 0 2278 | 2 68 | 0.2144 320 0 2555 I 2 85 | 0 2278 I 2.68 0 2144

24 I I 14 2 I 8 36 I 0 2403 7 51 0 2159 1 6 99 ! 0 2011 836 0 2403 ! 7 51 02159 I 699 С 2011

25 ! 2 84 036 0 2739 0.34 0 2471 ' 0.33 I 0 2362 0 33 0 2739 I 0 34 0.2471 ! 0 33 о г:з2

I 26 135 2 5 ¡589 8 53 300 0.2395 2 62 0.2095 I 2 49 01991 300 0 2395 ! 2 62 0 2095 I 2.49 I 0 1931

и? I 14 2 7 93 ■ 0 2281 ; 6 90 0 1983 6 52 ' 01877 7 93 0 2281 , 6 90 1 0 19-33 : 6 52 _Э 1877_

Расчётные зависимости определения коэффициентов сопротивления поворотов (X при числах Яе = (2,84 + 14,2)М0' по результатам экспериментов

Таблица 2 = (45*-И35°)

3

со

Положение поворота Расчетные зависимости ~

(X т>| £ общ =( 1,13*10ОС - 4,91*105* (а у - 7,88*10"2 )* * ехр (-2,02*1 (Г*Т - 2Л55И0"2* Яе/Ю4)

Ср. % отклонения сгт ралвтнэго значения - 3,67 %

Я**................ ...... общ - 2,28*10"' * ехр (7,56*10'3*/я / + 1,2*103* * Ке/ючб,1з*ю'з*а - 1,б44*ю,*т)

г Ср. % отклонения от расчетного значения - 2,59 %

........-......... с С^ общ = (1,13*10-2*а - 4,91*10'5*(ау - 7,88*10°)* * (1,0 - 1,491*10л*1н1с1+ 1,771*10^*(/и/ ¿)2)* * (5,833*101 + з,п*юз*а)

Ср. % <пклокс:1ИЯ ст рася5теого -2,1а %

1:5 2.0 2 5

6) ■ -« = 135?«- <х = 90?ж- а = 45°; Ив = 8.53»104

1 Сгиба

0.25 0.23 0.21 0.19 0.17 0.15 0.1Д

ЯвЛ 0

2.В4 8.53 14.2

в)и-<* = 135Г»- а = 90°*- а = 45°; Т = 2.0

Рис.1 Зависимости коэффициента сопротивления гиба поворота от его параметров и характера точения среды

а - 90 , оно составляет 30%. Для изучения этого явления был рассчитан коэффициент местного сопротивления, вызванного формой поворота (г;гиба). Зависимости коэффициента сопротивления гиба гиба = /(а, т, Яе) приведены на рис.1.

Кинематическая структура течения на начальном участке прямой трубы зависит во многом от условий входа в нее. Вход в прямую трубу зачастую происходит из поворота, диффузора. В связи с этим в воздуховод поступает поток с неравномерным распределением скорости по сечению. Характер этой неравномерности зависит от параметров предвключённых элементов. Для количественной оценки неравномерного распределения скорости по сечению был введён коэффициент асимметрии (Кас). Общепринятый коэффициент неравномерности

IV

¡у _ ' тах.

к~ IV

(2)

не позволяет выделить симметричное и несимметричное распределение скорости, что важно при анализе течений в криволинейных каналах, поэтому был предложен коэффициент асимметрии, который: • позволяет выделить симметрич-

нов распределение скорости, для него он равен единице (Кас = 1);

• имеет величину тем большую, чем больше асимметрия распределения скорости;

• в качестве весового коэффициента включается расход через выделенные «кольца».

Он подсчитывается по формуле

1 "

Кас (3)

где: в - общий расход через канал

^ - коэффициент неравномерности, рассчитанный по формуле (2) для

\ - кольца; О) - расход через] - кольцо (м/£);

п - общее количество колец, на которое делится при расчётах поперечное сечение канала.

Разработана программа на ПЭВМ, которая рассчитывает коэффициент асимметрии потока. Результат работы этой программы представлен на рис.2. С помощью этой программы определены коэффициенты асимметрии выходящего из поворота потока воздуха.

Общепринято, что благодаря действию центробежных сил в повороте деформируется распределение скорости и возникают зоны отрыва с вихревым течением. Вихревая зона у внутренней стенки поворота начинается сразу за входным сечением в поворот и радиальный размер её постоянно увеличивается до углов примерно 90°. При поворотах на углы больше чем 90°, благодаря возникающим вторичным течениям поток от внешней стенки поворота переносится к внутренней и к углу поворота 130° занимает почти веб поперечное сечение канала. Вихревая зона таким образом ; локализуется (Рис.3).

! В ходе изучения выходного потока из симметричных диффузоров с отношением

! О/с! = 2 и углами раскрытия а = (20°, 40°, 60°) было подтверждено то, что при еы-

I ходе поток прилипает то к одной стенке, то к другой и установлен период прилипания,

I отличающийся по времени и зависящий от углов раскрытия (а) и характера течения

(Р*е) (Табл.3) (Рис.4).

Угол поворота 13 5 град • Хенперат^ра воздуха 3 9 °С Относительный радиус гиба, 2 с!хр Средняя расходная скорость 1 5 М/С Расход 0.11 78 м3/с

Коэффициент асимметрии: 1.14902

Рис. 2 Результат работы программы расчёта коэффициента асимметрии на ПЭВМ

I-

X

оС-45'

;0

¿=90°

\Л/< м/с)

Ре=14,2-10

Ре=8,53>101<

Х(мм)

=135

30 25 20 15

10

5 0

30 25 20 15 10 5 О

30

35 20

15

10

5

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

\Л/(м/с)

1?е=14,2-10

1-ГО4

!3е=2,84-10 Х(мм)

О

10 20 30 40 50 60 70 60 90 100

> W(м/c)

ш

г

7

г я;

Ре=14.2-10ч

Ре=8.53-Т0

Р{е=2,84-10

Х(мм)

10 20 30 40 ЬО 60 70 80 90 100

\Л/ (М/С)

Ж

Рге=14.2-10ч

/—

Ре=8.53-10

ч

Re=2.84•10

X (мм)

20 30 40 ЬО 60 70 80 90 100

Рис. 3 Распределение скорости потока при вы ходе из поворота по оси X для г = 0.5 <

1

100. 80. 60. 40. 20.

Х(мм) 1ПП

ч 80.

V Ч 1 к 60.

У 1 1 I 40

/ / ✓ / 20.

/ Ю(м/с) п

100.

20. 0' 100.

4 8 12 1620 24 28 32 Х(мм)

X

> N Ч ■V \

у 1 \ 1 1

/ -- Л- г.'. 1 \Л/(м/с)

4 8 1216 20242832 Х(мм)

N.

> С ч- -• Ч

\ \ 1 /

/ -""

Щм1с)

4 8 1216 20 24 28 32 38

Х(мм)

V-.

\ >

/\ / V !

У \

✓ ✓ / ✓ ч .л

Цдб)

81 82 83 84 85

■'Х("М)

Ч \ ч

✓ * ч

/ ✓

/ /

/г"-'"" Цдб)

76 77 78 79 80

72 74 76 78 80

где:

Не = 2^4*10* ; ----Ие = 8.53*10* ; ----- Яе=14.2*104;

Рис. 4 Распределение скоростей и звукового давления на выходе из диффузоров с 01Л = 2,1.п=2.5м., для чисел Яе = (2.84 -14.2) *Ю и Т = 630гц.

о

На графив: 1) кривые 1-4 результаты да ной работы

о&ц

ДЛЯ

2-

3- Т*.«"

2) результаты других авторов

4- Т.

ДЛЯ

Ьн/d

liH - г=1,5d - [11]

2;Ш -1=1,5d; □-i=2,0d; Q -r=2.5d-[.17]

3)А -i=1,5d; A-t=2,0d; □ -r=2.5d-[6C8

4)4 -r=1.5d: О -t=2.0d: О -r=2.5d-[15]

5)« -i=1,5d: О -r=2.0d: a -!=2.5d-[1C9 о И -f=1.5d: н -r=2.0d; в -r=2.5d-[9J

Рис. 5 Зависимость коэффициента сопротивления поворота (а = 90) от длин пред- и пэспееключённьк прямых участков (UVd; Ln/d), относительного радиуса гиба (т) в диапазоне чисел Re = (2.84 + 142)» 10*

ИН __________________"

15

Таблице 3

Колебания потока выходящего из диффузора с Р/с! = 2

а Ре Время удержания потока на выходе из диффузора у одной стенки (период колебания) Время удержания потока у противоположной стенки

¡и- , . г . • - ■ ■ 3 , • ....... ......4 . . ' ;.....-■

2.84*10* 3 мин. 25 сек. 18 сек.

20° 8.53*10* 4 мин. 14 сек. 16 сек.

14.2*10* 5 мин. 18 сек. 10 сек.

2.84*10" 55 сек. 50 сек.

40° 8.53*10* 1 мин. 10 сек. 38 сек.

14.2*10" 2 мин. 15 сек. 27 сек.

2.84*10* 40 сек. 35 сек.

60° 8.53*10* 55 сек. 30 сек.

14.2*10" 1 мин. 12 сек. 24 сек.

Произведено сравнение полученных коэффициентов сопротивления поворотов в представленной работе с опубликованными в научной литературе и утверждёнными в стандартах данными (Рис. 5). Из представленной на рис.5 зависимости можно сделать следующие выводы:

• при Ьн/й = 0 ^общ превышает результаты других работ на 20 + 30%;

• с ростом 1_н/с1 полученные в данной работе коэффициенты сопротивления постепенно снижаются и при 1_м/с1 = 30 имеют примерно ту же величину, что и определённые в других работах для стабилизированного течения.

Можно предположить, что в большинстве работ на вход в поворот подавался уже стабилизированный поток.

Расчёт гидравлического сопротивления поворота, включённого з трубопровод, рекомендуется производить в случае предеключённой прямой трубы с Ьн/с1 ^ 30 - по результатам данной работы (Табл. 2), в остальных случаях - го известным методикам.

Глава 3 посвящена вопросам определения длины и гидравлических характеристик прямолинейного трубопровода в зависимости от асимметрии потока на входе. Знал условия на входе (Кас), можно определить длину гидродинамической стабилизпцми потока и изменение коэффициента сопротивления трения подлине входного участка Эти выводы были проверены на натурных трубопроводах. Определение длины зхед-ного участка производилось по двум методам:

• по стабилизации коэффициента трения;

• по стабилизации распределения скорости потока в сечении.

Были проведены проверочные эксперименты по определению длины участка гидродинамической стабилизации потока в прямолинейном трубопроводе при равномерном распределении скорости по сечению канала (Кас = 1) для сравнения их с результатами работ других авторов. Результатами определения длины входного участка явились следующие зависимости:

• по стабилизации коэффициента трения

Ь,= Ш7(%4Р</ (4)

• по стабилизации распределения скорости в сечении

!х> / \0149

Ь1Я28.об[%4) а (б)

По рег./льт.иам изучения распределения статического давления по длине входного участка при равномерном распределении скорости на входе, была составлена расчётная зависимость (Табл. 4), (Рис. 6).

Рис. 6 Изменение коэффициента трения X по длине трубы ОуЮО, I. = 9 м при равномерном распределении скоростей на входе

Для сыяснсния влияния неравномерного распределения скорости потока во входном сечении прямолинейного трубопровода на длину входного участка и изменения коэффициента сопротивления трения по его длине были проведены эксперименты. В качестве источника образования неравномерного потока на входе в гидродинамиче-

ски короткую прямую трубу, были взяты наиболее часто встречаемые в энергетических системах УФЧ (повороты, диффузоры). Основными факторами, выступающими в определении длины входного участка и изменения коэффициента сопротивления трения вдоль его длины, являлись:

• геометрические параметры УФЧ;

• режим течения.

Результатом обработки эксперимента при выходе прямолинейного участка трубопровода из поворота явились расчетные зависимости (Табл. 4), (Рис. 7)

■ -а= 45" ; * - а = 90' ; ^ -а = 135" Рис. 7 Изменение коэффициента сопротивления трения М по длине прямой трубы йуЮО, при выходе ев из поворотов с т = 1.5с1, для числа Яе = 2.84 10'

Результатом обработки эксперимента при выходе прямолинейного участка трубопровода из диффузора (Рис.8) явилась расчётная зависимость

^= 0.073 а»438 (6)

В связи с тем, что коэффициент асимметрии распределения скорости на выходе из поворота и диффузора (Кас), изменяется в широких пределах - Кас = (1.11 + 4.66), была выведена общая расчетная зависимость определения длины участка гидродинамической стабилизации потока (методом стабилизации коэффициента сопротивления) в прямолинейном трубопроводе от коэффициента асимметрии и режима течения (Рис. 9)

Таблица 4

Расчётные зависимости для определения коэффициента сопротивления трения ( XI ) и длины начального участка (1_н/с1) прямой трубы, выходящей из поворота ОС = (45% 135'), Г = (1,5 .-2,5 ) * й

при числах Ре = ( 2,84 И4.2 )*104

оо

0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02

Ыс1 = 0.'73 »(4.587 + 17.18Кас - 0.535Кас2) * (Я/{о4)

1_л

и

5.Л-

. ^ л

0Ш44 Lн / С1

10

20 40 60 ЬО 100

а = 40" е-а = 60°

19 (7)

А-а = 20п

по результатам опытов

— а = 20° ... а = 40° _.. а - 60°

по расчетной зависимости (6)

Рис.8 Изменение коэффициента трения по длине прямой трубы при выходе из диффузора а ~ (20° -ь 60") , ЦУ = 2, Яе= 2,84*10' и 1л М =25

Обобщая результаты экспериментов по определению зависимости изменения коэффициента сопротивления трения по длине гидродинамически короткого трубопровода при различных условиях на входе Ал = /(Кас) была выведена общап зависимость

XI

= 0.062 ^ 1/

* Кас0 383 * (Ь

(3)

Выражение (8) используется для определения среднеинтегрального значения коэффициента сопротивления трения (XI) по длине прямолинейного трубопровода.

XI

1 г

= | А / Г0 5 46 с1Ь

(9)

( V/

где: а = 0.062 Кае'*» ( —

Проинтегрировав Сражение (9) получим

А

* V

-0.346

(11)

0.654

Таким образом, для определения сроднеинтегрального значения коэффициента сопротивления трения гидродинамически короткого трубопровода наобходимо знать длину прямолинейного трубопровода, его диаметр, распределение скорости потока на входе (Кас) и характер течения среды.

В реальных энергетических системах входной поток, поступающий к побудителям расхода (вентиляторам, насосам и т.п.), неравномерен, и его структура определяется формой подводящих трубопроводов. В данной работе проведены исследования аэродинамических и акустических характеристик поворота малого радиуса гиба (х = 0.75 с1), с предвключённым аксиально-лопаточным завихрителем с полым центральным телом.

Рис.Й Схема подключения аксиально-лопаточного завихритеяя к повороту

1

Идея использования завихритепя для выравнивания распределения скорости потока при выходе из поворота и внутри него основана на свойстве повышенной устойчивости закрученных потоков при малой местной закрутке. Наличие вращательной составляющей потока позволяет избежать отрыва потока от стенок, характерного для поворотов с незакрученным потоком. Выбор типа завихрителя с полым центральным телом сделан на основе отсеивающих экспериментов, в которых были изучены гидравлические характеристики различных конструкций. По результатам обработки экспериментов были определены основные геометрические параметры завихрителя:

• угол наклона лопаток к центральной оси а = 30 0;

• число лопаток П = (4 + 6) шт.;

• ширина лопаток И/с! = 0,60

С помощью аксиально-лопаточного завихрителя , установленного на входе в поворот, удалось снизить гидравлическое сопротивление последнего на 15%, звуковое давление потока при этом снизилось на (7 + 10)дб., т.е. в (2 + 3) раза. Уменьшились и ВАХ в трубопроводе на выходе из вентилятора, на входе в который установлен поворот с аксиально-лопаточным завихрителем, на (Б + 12) дб., т.е. в (2 + 4) раза (Рис. 10,11).

70

60

ЦДб)

4'

ш

а.

2?

9, 'р <

Ж

1г

£

(Гц)

6.3 12.5 30 63 160 400 630 1.8 4.0 6.3 10.0 8 20 45 100 200 500 1 ОкГц 2 0 5.0 8.0 20.0

--с завихрителем (а= 30°; ЬИ = 0,4 ; п = 8 шт; Яе = 12 3« 104),

— - без завихрителя.

Рис. 10 Спектрограмма звукового давления в трубопроводе на выходе из поворота (Оу100; а = 900; т = 0.75 <0 при входе в вентилятор марки 3 ЦСЛ - 11

Кроме того, при измерении уровня энергопотребления электродвигателем вентилятора было замечено некоторое её снижение » 2%, при равенстве расходов.

< Цдб)

f (Гц)

i

i г > 1/

1 / / / ( / \ 1

40 80 125 200 315 500 800 1.25 2.0 3.15 5.0 63 100 160 250 400 630 1.0кГц1.6 2.5 4.0 6.3 --с завихрителем (а = 30° ; h/d = 0,4; п = 8 ил; Re = 12.3» 104);

-— - без завихрителя.

Рис. 11 Спектрограмма звукового давления в трубопроводе на выходе из вентилятора марки 3 ЦСЛ -11

Глава 4 посвящена сравнительному анализу гидравлических расчетов участка системы вентиляции и кондиционирования воздуха (СВКВ), выполненных по руководящим документам и с учётом рекомендаций данной работы. Гидравлическое сопротивление, рассчитанное с учётом рекомендаций данной работы, оказывается выше гидравлического сопротивления коротких прямолинейных участков систем, рассчитанных по руководящим документам, на 32%.

В гидравлических системах, где точность расчёта определяет выбор побудителей расхода (насосов, вентиляторов и т.п.), недоучёт гидравлических потерь влечёт за собой большую трудоёмкость пуско-нал ад очных работ.

ВЫВОДЫ

1. Проведён анализ натурных энергетических систем, из которого следует, что используемые в них трубопроводы являются гидродинамически короткими, т.е. их

длина соизмерима с длиной начального участка. Вход в них различен (УФЧ, оборудование, арматура и т.п.) и имеет определённую неравномерность в распределении скоростей.

2. На основании анализа физической модели течения г. гидродинамически коротких трубопроводах получены расчётные зависимости для оценки длины гидродинамической стабилизации потока и гидравлического сопротивления коротких трубопроводов с асимметрией в распределении скорости на входе, образующейся от предвключённых поворотов и диффузоров, в виде средне интегрального значения коэффициента сопротивления трения по длине трубопропода.

3 Получены расчётные зависимости коэффициентов гидравлического сопротивления поворота не только от его геометрических параметров (а, т) и характера течения (Ре), но также от длин пред- и послевключённых прямолинейных участков трубопровода (т.е. использование поворота в «путевом» варианте).

4 Для оценки неравномерного распределения скорости по сечению, введён коэффициент асимметрии, который позволяет выделить симметричное распределение скорости. Составлена программа расчёта коэффициента всимметрии на ПЭВМ.

5 По результатам распределения скоростей потока на выходе из поворота и визуального наблюдения течения в повороте составлена физическая модель течения среды в повороте, объясняющая большее значение коэффициента сопротивления формы поворота (¡; гиба) у поворота на 90° , чем на 135" и более.

6 С целью снижения асимметрии потока на выходе из поворота, уменьшения его гидравлического сопротивления и виброагсустических характеристик разработано и испытано устройство в виде аксиально-лопаточного завихрителя с полым центральным телом. С установкой его на входе в поворот, удалось снизить гидравлическое сопротивление последнего на 15 %, звуковое давление потока при этом снизилось на (7 < 10)дб, т.е. в (2 ; 3) раза. Уменьшились ВАХ в трубопроводе на выходе из вентилятора, на входе которого установлен поворот с аксиально-лопаточным завихрителем, на (5 ; 12)дб, т.е. в (2 I 4) раза.

7. Проведена сравнительная оценка гидравлического расчёта участка системы (СВКВ) по руководящим документам и по методикам данной работы. Средний процент увеличения расчётного гидравлического сопротивления^участка системы (СВКВ), выполненного с учётом рекомендаций данной работы для коротких прямолинейных участков трубопровода и поворота, составил в среднем 32 %.

Предложено разработчикам энергетических систем использовать расчётные зави симости, полученные в данной работе, при гидравлических расчётах энергетически систем, а конструкцию аксиально-лопаточного завихрителя - для установки его в во:

г

душных системах для снижения их гидравлических и виброакустических характеру стик.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Айн Е.М., Агеев A.B., Голубев Л.В. Гидравлические характеристики трубопроводо судовых систем. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференци «Актуальные проблемы проектирования, изготовления, монтажа и ремонта суд( вых трубопроводов и систем». С-Петербург. «Судостроение», 1991 г.

2. Айн Е.М., Агеев A.B., Щегинин A.C., Кублицкий Б.С., Попов К.Я. Способ снижена гидродинамического шума вентилятора с предвключённым поворотом. Сб. Докл; дов и тезисов Всероссийской научно-практической конференции с международны участием «Новое в безопасности жизнедеятельности и экологии». СПб. Междун; родный центр экологии, науки, техники, 1996г.

3. Айн Е.М., Агеев A.B., Кублицкий Б.С., Щетинин A.C., Попов К.Я. Способ снижем гидродинамического шума вентилятора. Тезисы докладов научной конференци «Ломоносовские чтения». Северодвинск.. СЕВМАШВТУЗ, 1996г.

4. Айн Е.М., Агеев A.B., Кублицкий B.C.. Щетинин A.C., Попов К.Я. Гидравлическое с противление гидродинамически коротких труб. Сб. статей. Вопросы технологи эффективности производства и надёжности. Вып. №15,ПО «Севмашпредприятие 1997г.

5. A¿1H Е.М., Агееа A.B. Гидравлическое сопротивление поворота. Тезисы доклад! научно-технической конференции профессорско-преподавательского cotrrai СПбГМТУ, 1997г.