автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Повышение эффективности пневматических систем с устройствами гашения пульсации давления

На правах рукописи

Николаева Анна Владимировна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С УСТРОЙСТВАМИ ГАШЕНИЯ ПУЛЬСАЦИИ ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.04.06 - Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 Я ПАР 2013

Казань—2013

005051063

005051063

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Чернышев Андрей Владимирович

Официальные оппоненты: Панфилович Казимир Брониславович,

доктор технических наук, профессор кафедры «Вакуумная техника электрофизических установок» ФГБОУ ВПО «КНИТУ» (г. Казань)

Сологуб Валерий Николаевич, кандидат технических наук, зав. отделом ФГПУ «Научно-исследовательский

институт стандартизации и унификации», г. Москва

Ведущее предприятие: ОАО «Тураевское машиностроительное

конструкторское бюро «СОЮЗ»» (М.О. г. Лыткарино)

Защита состоится апреля 2013 г. в 14 часовОО минут на заседании диссертационного советаД 212.080.11при ФГБОУ ВПО «КНИТУ» по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68 (зал заседаний Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «КНИТУ».

Автореферат разослан^ларта 2013 г.

Ученый секретарь уб

диссертационного совета Д 212.080.11

доктор технических наук, доцент /Ту/^ A.B. Герасимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Трубопроводы - наиболее распространенный элемент различных пневматических систем. В силу особенностей компоновки и условий эксплуатации систем трубопроводов практически невозможно полностью исключить появление в их проточной части пульсаций давления транспортируемой среды, обусловленных наличием нестационарных гидродинамических вихревых течений, что по статистике в 60% случаев является причиной разрушения элементов трубопроводов и присоединенного к ним оборудования.

Пульсации давления газообразной среды приводят к значительному росту гидравлического сопротивления трубопроводов и снижению их пропускной способности, увеличению нагрузок на элементы трубопровода и присоединенного оборудования, искажению показаний измерительных приборов и нарушению работы систем регулирования, вызывают вибрацию трубопроводов и увеличение уровня шума, приводят к повреждению трубопроводов, нарушению герметичности уплотнений, что особенно опасно при работе со взрывоопасными, токсичными, воспламеняющимися и радиоактивными средами.

Аспект пульсации давления особенно актуален для таких систем, как паропроводы мощного энергетического оборудования, где амплитуды пульсации давления достигают 2,5 МПа; магистральных газопроводов для транспортировки природного газа, где вблизи нагнетательных установок фиксируются вибрации трубопровода амплитудой до нескольких миллиметров; трубопроводов авиационной и космической промышленности; технологических воздухопроводов.

Перспективным способом борьбы с пульсациями давления в системах трубопроводов является установка в проточную часть пневматической системы устройств гашения пульсаций давления (УГПД). Однако разработчики УГПД сталкиваются с серьезными проблемами, связанными с оценкой их технических характеристик на этапах проектирования. Несмотря на наличие большого количества исследовательских работ, посвященных вынужденным колебаниям рабочих сред в системах трубопроводов, освещенных в работах таких авторов, как Хачатурян С.А., Гладких П.А., Чарный И.А., Козобоков A.A., Ганиев Р.Ф, Низамов Х.Н., Попов Д.Н.,' Шорин В.П., Кутателадзе С.С., Ильгамов М.А., Махин В.А., Бутусов О.Б.,' Мешапкин В.П., Гилицейский Б.М., Рыжов Ю.А., Лубенец В.Д. и т.д., задача анализа рабочих процессов в трубопроводах с УГПД при работе с газообразными рабочими средами исчерпывающего решения пока не получила. Имеющиеся полуэмпирические методики в силу лежащих в их основе допущений не позволяют выбрать эффективные УГПД для произвольной системы трубопроводов с учетом особенностей реальной геометрической конфигурации проточной части пневматической системы с УГПД. Поэтому сегодня окончательная доводка конструкции УГПД для

применения их в пневматической системе выполняется в основном экспериментально. Такой подход к проектированию приводит к значительному удорожанию УГПД при малой их эффективности. Из-за отсутствия надежной теории расчета большинство УГПД, разработанных на сегодняшний день, пригодны для работы только в конкретной пневматической системе. При установке их в произвольной системе трубопроводов эти УГПД становятся в лучшем случае неэффективными, а в худшем - усиливают исходный уровень пульсаций давления. Поэтому актуальной задачей является создание обоснованной теории и метода расчета рабочих процессов в пневматических системах с УГПД, позволяющих проводить исследования, необходимые для разработки высокоэффективных УГПД, удовлетворяющих современным требованиям науки и техники. Объектом исследования являются пневматические системы с УГПД. Предметом исследования являются рабочие процессы, протекающие в пневматических системах с УГПД, определяющие их технические и эксплуатационные характеристики. Цель работы -- создание новых эффективных УГПД. Задачи исследования

- Разработка теории и метода расчета рабочих процессов в пневматических системах с УГПД;

- Разработка алгоритма расчета пневматических систем с УГПД и соответствующего программного обеспечения (ПО) для сокращения трудоемкости и продолжительности процесса моделирования;

- Проверка адекватности разработанной теории и метода расчета рабочим процессам в пневматической системе с УГПД путем сопоставления результатов экспериментальных и расчетных исследований;

- Проведение численных исследований для определения влияния геометрических параметров пневматических систем с УГПД на эффективность работы УГПД и выработка рекомендаций по проектированию эффективных УГПД;

- Проведение экспериментальных исследований рабочих процессов в пневматических системах с УГПД для подтверждения результатов исследования;

- Разработка эффективных УГПД комбинированного типа на основе результатов расчетно-экспериментального исследования.

Научная новизна

- Впервые в приложении к пневматическим системам с УГПД создана теория расчета протекающих в них рабочих процессов с учетом распределенных термодинамических параметров состояния и реальной геометрической конфигурации проточной части пневматической системы с УГПД.

- Впервые предложен критерий для оценки эффективности работы УГПД в пневматических системах на основе определения степени гашения

пульсации давления Д для исследуемых УГПД и величины коэффициента гидравлического сопротивления (КГС) Ç пневматической системы.

- Впервые численно исследовано влияние геометрических параметров пневматической системы с УГПД на эффективность работы УГПД.

- Впервые на основе численных исследований получены рекомендации по выбору геометрических параметров пневматических систем с УГПД для разработки новых эффективных УГПД.

Практическая ценность

- Создана теория и метод расчета рабочих процессов в пневматических системах с УГПД, позволяющая повысить эффективность проектирования подобных систем, а так же сократить сроки их разработки, за счет возможности внесения изменений в конструктивную схему систем на всех этапах проектирования.

- Даны рекомендации по выбору параметров пневматических систем с УГПД, а именно по выбору геометрических параметров УГПД и взаимному расположению УГПД и генератора пульсации давления в пневматической системе, позволяющие повысить эффективность пневматических систем с УГПД.

- Разработан алгоритм и соответствующее программное обеспечение (ПО) для определения степени гашения пульсации давления исследуемых УГПД и величины гидравлического сопротивления пневматической системы, позволяющие повысить эффективность проектирования подобных систем, а так же сократить сроки их разработки за счет автоматизации процесса моделирования.

Теория расчета внедрена в практику проектирования УГПД во Всероссийском научно-исследовательском институте по эксплуатации атомных электростанций (ОАО «ВНИИАЭС»), г. Москва и внедрена ООО «Инновационные технологии» при проверке эффективности и надежности пневматической системы на предприятии ООО Michelin, M.О., Орехово-Зуевский район, дер. Давыдово.

Разработан ряд новых конструкций УГПД, позволяющих снизить КГС пневматической системы с УГПД с одновременным увеличением степени гашения пульсации давления более чем в 3 раза по сравнению с имеющимися аналогами. Конструкции внедрены в ОАО «ВНИИАЭС». Достоверность полученных данных обеспечивалась применением сертифицированного и поверенного измерительного оборудования, современной вычислительной техники и лицензионного программного обеспечения, отвечающих современным требованиям науки и техники, повторяемостью результатов исследования и хорошим совпадением результатов расчетных исследований с результатами экспериментальных исследований, выполненных в рамках работы, а так же с результатами экспериментальных исследований, опубликованных другими авторами.

Положения, выносимые на защиту. Теория и метод расчета рабочих процессов в пневматических системах с УГПД. Результаты теоретических и экспериментальных исследований рабочих процессов в пневматических системах с УГПД. Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, сентябрь 2011,2012гг.

2. Курчатовская молодежная научная школа, г. Москва, НИЦ «Курчатовский институт», 2011, 2012гг.

3. Научная сессия НИЯУ МИФИ-2012, г. Москва, НИЯУ МИФИ, февраль 2012 г.

4. 18-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г.Москва, НИУ МЭИ, март 2012 г.

5. VII Международная научно-практическая конференция «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассообмена и прочности», Нижний Новгород, ННГУ им. Лобачевского, май 2012 г.

6. Научные семинары кафедры «Вакуумная и компрессорная техника», г. Москва, МГТУ им. Баумана, 2012 г.

Личный вклад автора заключается в разработке теории и метода расчета, разработке алгоритма расчета и соответствующего ПО, разработке экспериментальной установки, проведении теоретических и экспериментальных исследований, обработке и анализе результатов исследования, разработке новых высокоэффективных УГПД комбинированного типа.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 14 научных работах, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах и изданиях. Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 153 страницах, включая 62 иллюстрации и 10 таблиц. Библиография насчитывает 115 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации, определены объект и предмет исследования, указаны научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе приведено общее описание явления пульсации давления в таких пневматических системах, как системы трубопроводов для транспортировки газообразных сред. Показаны последствия возникновения пульсаций давления в различных пневматических системах на основе данных, имеющихся в открытой печати. Проанализировано влияние основных характеристик пульсаций давления (частоты / (Гц) и

среднеквадратичной амплитуды &Рср (Па) пульсации давления) на

прочностные характеристики систем трубопроводов и присоединенного оборудования.

где ДРср - среднее значение давления в точке установки датчика; Р, - массив значений давления в точке установке датчике (; = 1,2,3...Ы), измеренного с фиксированным интервалом по времени; N - общее количество замеров давления.

Рассмотрены основные причины возникновения пульсаций давления в системах трубопроводов: гидравлические удары; особенности работы нагнетательных установок; процессы смешения и отрыва потока от стенки в различных элементах трубопровода, таких как тройники, арматура, диффузоры, уступы, поворотные колена и т.д. Показаны механизмы возникновения пульсаций давления, обусловленных каждой из рассмотренных причин.

Приведены наиболее распространенные методы борьбы с пульсаций давления в пневматических системах (изменение конструкции элементов пневматической системы, отстройка собственных частот системы от частот возмущающих воздействий и установка в проточную часть пневматической системы устройств гашения пульсаций давления (УГПД)), анализ которых показал, что наиболее прогрессивным методом является установка УГПД в проточной части пневматической системы.

Приведено описание конструктивных особенностей УГПД различных типов (активного, реактивного и комбинированного) и области их применения. Сопоставление основных достоинств и недостатков рассмотренных типов УГПД позволило обосновать выбор УГПД комбинированного типа, которые представляют собой сочетание емкостей , демпфирующих пульсации давления, и плоских или пространственных решеток. УГПД комбинированного типа являются суперпозицией УГПД активного и реактивного типа и при правильном подборе параметров могут иметь как низкое гидравлическое сопротивление и высокую степень гашения пульсаций, так и широкий диапазон гашения частот пульсации давления.

Говоря об эффективности УГПД, необходимо определить параметры эффективности. Анализ имеющихся исследований показал, что под эффективностью УГПД различные авторы по отдельности рассматривали такие параметры, как коэффициент гидравлического сопротивления (КГС) пневматической системы С, с УГПД, степень гашения пульсаций давления УГПД Д, относительный уровень турбулентности е, за УГПД, напряжения в стенках трубопровода, обусловленные величиной пульсации давления, массо-габаритные параметры УГПД и т.д., однако эффективность УГПД не может быть описана лишь каким-то одним из перечисленных параметров.

(1)

Анализ существующих методов расчета рабочих процессов в пневматических системах с УГПД, проведенный на основе расчетно-экспериментальных исследований таких авторов, как Хачатурян С.А., Гладких П.А., Чарный И.А., Козобоков A.A., Ганиев Р.Ф, Низамов Х.Н., Попов Д.Н., Шорин В.П., Кутателадзе С.С., Ильгамов М.А., Махин В.А., Бутусов О.Б., Мешалкин В.П. и т.д., показал, что имеющиеся методы расчета рабочих процессов в пневматических системах с УГПД разработаны недостаточно и не позволяют прогнозировать параметры пневматической системы с УГПД, определяющие ее качество (2, 3). Поэтому, несомненно, актуальной задачей является разработка теории и метода расчета рабочих процессов в пневматических системах с УГПД на основе теории механики сплошных сред с применением методов контрольного объема, конечных элементов или метода конечных разностей.

На основе проведенного анализа сформулированы цели и задачи настоящего исследования.

Вторая глава посвящена созданию теории и метода расчета рабочих процессов в пневматической системе с УГПД.

Проведенный анализ показал, что для проектирования эффективных УГПД необходимо учитывать такие параметры, как С, (2), так и Д (3), которые наиболее полно описывают эффективность УГПД. При этом рационально использовать критерий F (4), являющийся взвешенной суперпозицией параметров А и

где АР- потери давления на участке трубопровода с УГПД; с- скорость рабочей среды в характерном сечении трубопровода; р- плотность рабочей среды.

др lib-rj

Д=— , £7 =--- — - , (3)

где о*', а" - степени неравномерности а в выбранной точке пневматической системы без УГПД и с УГПД.

где к,,к2- весовые коэффициенты.

Приведенные во второй главе теория и метод расчета позволяют определить параметры пневматической системы с УГПД (А, С, и F), по которым можно судить о ее эффективности.

Системы трубопроводов зачастую имеют достаточно сложную пространственную конфигурацию. Однако, как показал проведенный анализ, для исследования эффективности УГПД достаточно рассмотреть не всю систему трубопроводов, а лишь участок трубопровода, содержащий генератор пульсации давления и УГПД. Поэтому в рамках настоящего исследования была рассмотрена пневматическая система (рис.1,а), представляющих собой трубопровод круглого поперечного сечения

переменного диаметра 4 для транспортировки газообразных сред, содержащий генератор пульсации давления 1 и УГПД комбинированного типа 2. В качестве генераторов пульсации давления рассматривались элементы, имеющиеся практически в каждой системе трубопроводов, такие как поворотное колено (рис. 1,6), угловое колено (рис.1,в) и арматура, а именно - шиберная задвижка (рис.1,г). Рассмотрены УГПД комбинированного типа (поз.2, рис. 1,а), которые содержат цилиндрическую камеру, диаметром не менее одного гидравлического диаметра трубопровода, пластину с цилиндрическими отверстиями (рис.2.2,д) или отверстиями в виде щелей (рис.2.2,е), установленную ортогонально оси трубопровода в цилиндрической камере, коаксиальной с внутренней цилиндрической

Рис.1. Схема пневматической системы с УГПД

поверхностью трубопровода и гидравлическим диаметром камеры, превышающим гидравлический диаметр трубопровода.

Создана теория и метод расчета рабочих процессов в

пневматической системе с УГПД с учетом распределенных

термодинамических параметров состояния.

На рис. 2 приведена одна из возможных конфигураций

расчетной области О, которая состоит из проточной части генераторов пульсации давления 1, камеры УГПД 2, решетки УГПД 3 и трубопровода переменного поперечного сечения (4), и соответствует схеме пневматической системы с УГПД (рис.1).

При разработке математической модели приняты следующие допущения:

- рабочее тело считается ньютоновской сжимаемой жидкостью;

Рис.2 Расчетная область

- рабочее тело подчиняется уравнению Менделеева — Клапейрона;

- течение рабочего тела — дозвуковое;

- режим течения рабочего тела — турбулентный. Математическая модель включает следующие уравнения:

- уравнения движения для сжимаемой среды:

В уравнении (5) компоненты тензора напряжений г|уи тензора скоростей деформации :

, _ 2 8ик — „ 1 ди, Зи

, 8Ц - символ Кронекера. (6)

где х,- оси декартовой системы координат (/=1, 2, 3); и,- проекция вектора скорости и на ось хр- статическое давление; /- время; ц. динамическая вязкость, р - плотность, £ . источник объемных и поверхностных сил.

Турбулентные напряжения - ри\и\, обусловленные наличием пульсационных составляющих вектора скорости и] определяется по следующим зависимостям:

= + (7)

— уравнение неразрывности:

= (8)

— уравнение сохранения энергии:

81 дх^'' " 81 ' х ■ дху дх; Рг, х1 '

где Л — удельная энтальпия; Л - коэффициент теплопроводности; Т -температура; 2 - объемный источник тепла; РЪ1- диффузионный поток

тепла, число Прантля, турбулентного (Рг,) равно 0,9.

Проведен анализ имеющихся моделей турбулентности. Рассмотрено 15 однопараметрических и двухпараметрических моделей. Для моделирования процессов турбулентного переноса в пневматической системе с УГПД обоснован выбор 8БТ к-со модели турбулентности, которая записывается через к (кинетическая энергия турбулентности) и со (удельная скорость диссипации кинетической энергии турбулентности) и включает уравнение для кинетической энергии турбулентности (10) и уравнение для скорости диссипации кинетической энергии турбулентности (11).

Ы дх, дх,

, ч дк

дх,.

д(ра) д(ри,а>) у . д

81 дх, V, дх,

, хде>

(10)

+ (11)

а> дх, дх, 4 '

Коэффициент турбулентной динамической вязкости:

_ ра^к

Уравнение состояния Менделеева— Клапейрона;

(13)

где р - генерационный член в уравнении переноса;/?',^,/?,а, -

полуэмпирические коэффициенты для 8БТ к-со модели турбулентности, Л -универсальная газовая постоянная.

Областью определения системы уравнений (5... 13) является расчетная область Г2 (рис.2), определяемая положением радиус-вектора в декартовой системе координат г(х,,х2,х3,г)еП. Граничные условия сведены в Таблицу 1.

Таблица 1.

Граничные условия_

Граница расчетной области Уравнение движения Уравнение энергии

Вход(К*1.*г>*э.')е^,) P(r) = Pt т(г)=та

Внешние границы (r(xt,x2,x,,t)er2)

Выход (К*,, *2«*з >'),) P(r) = P2

Для сокращения временных затрат на моделирование рабочих процессов в пневматической системе с УГПД, обусловленных необходимостью расчета переходных режимов при выходе рабочих процессов в пневматической системе на установившийся режим течения, процесс моделирования был разбит на два этапа.

На первом этапе система дифференциальных уравнений (5... 13) решается в предположении, что течение рабочего тела является стационарным т.е. решение не зависит от времени дФ/St = 0 (гдеФ -обобщенная переменная величина (щ,и2,и,,р,к ,а и т.д.)). В качестве начального приближения газообразная среда считается неподвижной (т.е. й = 0) и задано равномерное распределение температуры и давления по объему газообразной рабочей среды Р(г) = Р^, т(г) = т„ .

Для получения численного решения система нелинейных дифференциальных уравнений (5... 13) сводится к системе линейных алгебраических уравнений с помощью метода контрольного объема. Для получения численного решения исходной системы дифференциальных уравнений использовались итерационный алгоритм SIMPLE.

На втором этапе система дифференциальных уравнений (5... 13) решается в предположении, что течение рабочего тела является нестационарным т.е. решение зависит от времени: дФ/St # 0, и требуется решать уравнения (5... 13) в полном виде.

На втором этапе расчета в качестве начальных условий рассматриваются распределения скоростей, давлений и температуры в расчетной области, соответствующие режиму установившегося течения, полученные на первом этапе расчета. Условием окончания численного исследования является достижение времени расчета заданного значения. Для получения численного решения исходной системы дифференциальных уравнений на втором этапе расчета используется итерационный алгоритм PISO.

Особенностью разработанной теории и метода расчета рабочих процессов в пневматических системах с УГПД являются значительные трудозатраты, необходимые для их реализации, а так же большая вероятность совершения ошибок при выполнении многочисленных операций в рамках предложенного подхода. Для учета указанных особенностей разработан алгоритм моделирования рабочих процессов в пневматической системе с УГПД и соответствующее программное обеспечения. Алгоритм включает в себя все этапы построения компьютерной модели начиная от постановки задачи исследования, параметризации геометрии расчетной области, построения структурированных гексаэдрических сеточных моделей расчетной области и заканчивая обработкой результатов расчетного исследования для получения значений Д и ¡¡ рассмотренной пневматической системы с УГПД. Для удобства работы на основе предложенного алгоритма также разработаны пользовательские панели (интерфейс) и соответствующее ПО, реализованное в рамках программного комплекса STAR-CD с применением языков программирования FORTRAN и JAVA и внутренних возможностей среды pro-star. Созданный алгоритм и ПО позволяют значительно сократить трудозатраты, необходимые для реализации разработанных математических моделей и методов расчета рабочих процессов, а также исключить возможность возникновения ошибок в ходе расчетных исследований, обусловленных субъективными причинами.

В третьей главе представлены результаты численного исследования рабочих процессов в пневматических системах с УГПД, проведенного с использованием разработанной теории расчета и соответствующего ПО.

С целью уменьшения степени неопределенности результатов моделирования был проведен анализ влияния размерности сеточной модели О), шага расчета по времени (Д/), временного интервала моделирования рабочих процессов (Г) в пневматических системах с УГПД и координаты установки датчика давления на результаты моделирования рабочих процессов в пневматической системе. На основе проведенного анализа выбраны и обоснованы следующие параметры компьютерной модели: и =1,5+2,0 млн. расчетных ячеек, Дг=1-10-5с, 7"=0,бс.

В соответствии с поставленными задачами проведена проверка адекватности разработанной теории расчета реально существующим рабочим процессам в пневматической системе с УГПД на основе сопоставления результатов численного моделирования с данными экспериментальных исследований, опубликованных в открытой печати. Проверка адекватности

прогнозирования Д проводилась на основе моделирования рабочих процессов в экспериментальной установке, приведенной в исследований Готовцева A.M., где рассмотрено влияние различных генераторов пульсации давления и УГПД на величину среднеквадратичных пульсаций давления (ДР ). Для проверки адекватности прогнозирования £ пневматической системы моделировались рабочие процессы на участке трубопровода круглого поперечного сечения с одиночным перфорированным листом, с переходом с меньшего диаметра трубопровода на больший, а так же на участке трубопровода с поворотным коленом, экспериментальные данные для которых приведены в работе Идельчика И.Е. Сопоставление результатов экспериментальных исследований с результатами численного моделирования, выполненного в рамках работы, показало что расхождение результатов не превышает 7% по величине среднеквадратичных пульсаций давления (АРср) и 5% по коэффициентам гидравлического сопротивления (Q. Что позволяет говорить об адекватности моделирования рабочих процессов в пневматической системе с УГПД с использованием разработанной теории и метода расчета.

С использованием разработанной теории и метода расчета проведено численное исследование влияния геометрических параметров (диаметра основного трубопровода D; диаметра камеры УГПД Dk; длины камеры УГПД Lk; толщины решетки УГПД S; относительной площади живого сечения решетки F = fOT,//•;,„ (где F„„ - суммарная площадь отверстий в решетке; FcyM - площадь поперечного сечения камеры) в УГПД; типа решетки в УГПД (щелевые и перфорированные решетки); расстояния между УГПД и генератором пульсации давления L) пневматической системы на ее эффективность, т.е. на параметры Д и F. Для этого проведено моделирование рабочих процессов более чем для 250 вариантов расчетной области пневматической системы.

На первом этапе расчетного исследования в качестве генератора пульсаций давления рассмотрено поворотное колено. В результате численного моделирования получены распределения плотности, скорости, давления и температуры в пневматических системах с УГПД в каждый момент времени. В качестве примера результатов расчета на рис.3 приведены распределения статических давлений и скорости на 0,1 с. расчета для Dt/D=l,5; S/D= 0,15; Lk/Dk= 0,5; L/D= 1; F= 0,36. После обработки результатов численного исследования получены зависимости коэффициентов гидравлического сопротивления (9 и степени гашения УГПД (Д) от геометрических параметров пневматической системы. В качестве примера на рис.4 приведены зависимости КГС (поз.1, рис.4) и степени гашения пульсаций давления УГПД (поз.2, рис.4) от относительной толщины решетки УГПД (рис.4,а), отношения габаритных размеров камеры (рис.4,б), относительного расстояния между УГПД и генератором пульсаций давления (рис.4,в) и от относительного диаметра камеры УГПД (рис.4,г).

i к »

X

О 0,05 0,10 0,15 OJO s/D а

........ч

—|

I ">Ч

8,5 1,0 Lt/Dk

' ■ .........•"'•"'......|

1 i

Рис.3 Распределение избыточных статических давлений и скоростей в пневматической системе с УГПД и генератором пульсации давления в виде поворотного колена

4 6 Б

S L/D

—L4 -

UkD

Рис. 4 Зависимости С, и А от геометрических параметров пневматической системы с УГПД

По результатам анализа полученных в ходе исследования зависимостей можно сделать ряд рекомендаций по проектированию эффективных УГПД:

• необходимо избегать использования в составе УГПД решеток с крупными отверстиями (например щелевых решеток), поскольку они могут усилить величину амплитуд пульсации давления;

• рационально использовать УГПД, включающие решетки с относительной площадью живого сечения F =0,4^0,6. При этом, чем меньше характерные размеры отверстий в решетке, тем выше степень гашения д ;

• наиболее эффективны УГПД комбинированного типа с диаметром камеры Dk на 25-50% больше диаметра основного трубопровода D и диаметром камеры Dt в 1,5-2 раза больше ее длинны Lk;

• необходимо отказаться или уменьшить количество диффузорных каналов в составе УГПД и организовать конфузорное течение на выходе из камеры УГПД;

• наибольший эффект дает установка УГПД на расстоянии 2 D + 6 О за генератором пульсации давления.

Для анализа работоспособности конструкции УГПД, спроектированной на основе изложенных рекомендаций, в пневматической системе с более высоким уровнем пульсации давления, чем за поворотным коленом, проведено моделирование рабочих процессов в пневматической системе с генератором пульсаций в виде шиберной задвижки с различными степенями открытия Fu, (Fu, = 100 ■ F¡/F0, где Ft - площади проходного сечения шиберной задвижки; FcyM - площадь проходного сечения трубопровода). В качестве примера результатов расчета на рис.5 приведены распределения скоростей и статических давлений и на 0,1 с расчета для LID =3; F.=21%; F=0,17.

Расчетные исследования проводилось для УГПД с различными относительными площадями живого сечения перфорированных решеток ¥ (0,17; 0,27; 0,39; 0,53), расположенных на различных расстояниях Ь (20, 3£>, 41), 5 О, 60, Ю) от шиберной задвижки со степенью открытия ^=21%,^,=35% и ^=50%. Анализ полученных зависимостей (рис. 6) показал эффективность работы рассмотренного УГПД при условии, что расстояние между УГПД и шиберной задвижкой будет не более шести гидравлических диаметров.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию рабочих процессов в пневматических системах с УГПД, проведенному с целью подтверждения результатов численных исследований. Для этого на кафедре «Вакуумная и компрессорная техника» МГТУ им Н.Э. Баумана была разработана экспериментальная установка, пневматическая схема которой представлена на рис.7. Конструкция рабочего участка экспериментальной установки полностью соответствует расчетной схеме, представленной на рис.1 с генератором пульсаций в виде шиберной задвижки. Внешний вид экспериментальной установки приведен на рис.8.

Конструкция и компоновка экспериментальной установки позволяет минимизировать влияние пульсаций давления и вибраций, генерируемых компрессором, на результаты экспериментального исследования. При этом величина среднеквадратичной амплитуды пульсаций давления на входе в рабочий участок составляет всего 30 Па. Конструкция рабочего участка позволяет исследовать рабочие процессы в пневматических системах с различными генераторами пульсаций давления и УГПД. Для сокращения временных затрат на изготовление комплектующих экспериментальной установки часть деталей рабочего участка была выполнена из полимеров с применением технологии быстрого прототипирования (ЯР).

Программно-аппаратный комплекс реализован на базе аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Сигнал с датчиков, расположенных в проточной части экспериментальной установки поступает на АЦП (Е14-140А), в затем на персональный компьютер, где обрабатывается в программе, написанной в среде ЬаЬ\Че\у 8.2. Программа автоматически обрабатывает данные измерений и представляет в виде осциллограмм и таблиц с последующим сохранением полученной информации в необходимом формате. Обработка результатов экспериментального исследования показала, что максимальная величина относительной погрешности косвенных измерений величин С, и А не превышает 5,5 % при уровне доверительной вероятности Р=0,95.

Экспериментальные исследования проводились при условиях, принятых при проведении численных исследований, результаты которых приведены на рис.5 и рис.б. Сопоставление результатов численного моделирования с результатами экспериментальных исследований показало, что расхождение при определении С, и А численно и экспериментально в среднем составило 5 -ь 8% с локальными выбросами до 18%.

Распределение избыточных

статических давлений и скоростей в

продольном осевом разрезе

пневматической системы с УГПД и генератором пульсации давления в виде шиберной задвижки

атмосфера

2 3 4 5 6 ш.

Рис. 6 Зависимость параметра эффективности Б (при =к, =0,5] от Ь/О, для различных значений площади живого сечения Р и степени открытия задвижки /?„,

атмосфера

КМ1 ВН1 Р1 (ЛМ1 ВН2 ФІ (7)М2(7)МЗ(7)М4 (ЛМ5(ЛМб(АТ1

Рис. 7 Пневматическая схема экспериментальной установки. КМ1 -вихревой вакуум компрессор ВВК-2М; ВН1 - вентиль; Р1-расходомер

воздуха РР2А_Н;М1 - датчик давления 40РС015С1А; ВН2 - имитатор шиберной задвижки; Ф1 -УГПД комбинированного типа; М2-^М6 - датчики давления 40РС001В2А; Т1 - датчик температуры КТУ11-5

С

Рис.8 Внешний вид экспериментальной установки

2 3 4 5 6 Ы) б

Рис. 9 Зависимости С, трубопровода с УГПД (а) и Д УГПД (б)

3 4 5 6 Ш

а

В качестве примера на рис.9 показано сопоставление результатов экспериментальных и расчетных исследований для пневматической системы с различными степенями заполнения перфорированных решеток F (F =0,17 (поз.1); F =0,27 (поз.2); F=0,39 (поз.З); F=0,53 (поз.4)) расположенных на различных расстояниях L от шиберной задвижки со степенью открытия Fw =21 %, где сплошными и пунктирными линиями показаны результаты численного эксперимента, а точками - результаты натурного эксперимента. Вероятной причиной расхождения между результатами расчетных и экспериментальных исследований является наличие шероховатости внутренней поверхности рабочего канала, отличной от эталонных значений, лежащих в основе разработанной математической модели рабочих процессов в пневматических системах с УГПД, а так же достаточно большие погрешности измерения параметров потока (до 5,5 %), обусловленные особенностями измерений в области с большими значениями амплитуд пульсации давления.

Разработанные в рамках работы теория, метод и алгоритм моделирования рабочих процессов в пневматических системах внедрены в практику проектирования новых высокоэффективных УГПД в ОАО «ВНИИАЭС» и применены для оценки надежности и эффективности работы пневматической системы завода Michelin.

В результате совместных исследований в ОАО «ВНИИАЭС» разработан ряд новых конструкций УГПД комбинированного типа, позволяющих снизить сопротивление пневматической системы с УГПД с одновременным увеличением степени гашения пульсации давления УГПД более чем в 3 раза по сравнению с имеющимися аналогами (патент на полезную модель №119062, 10.08.2012; заявка на патент RU 2012142558, 08.10.2012). В настоящее время проводится изготовление с последующим испытанием предлагаемых устройств для внедрения их на АЭС.

Анализ рабочих процессов в пневматической системе завода Michelin с применением предложенных теории и метода расчета позволил оценить величину напряжений в стенках пневмопровода, обусловленных наличием пульсаций давления, и выдать ряд рекомендаций по модификации пневматической системы завода Michelin.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана теория и метод расчета рабочих процессов в пневматической системе с УГПД, позволяющие описывать изменение распределения давлений, скоростей и температур газа в элементах пневматической системы во времени, а так же оценить параметры, определяющие эффективность пневматической системы с УГПД: степень гашения пульсаций давления (Д) и коэффициент гидравлического сопротивления пневматической системы (Q.

2. Разработан алгоритм расчета рабочих процессов в пневматических системах с УГПД для сокращения трудоемкости и продолжительности процесса моделирования. Алгоритм расчета реализован в среде

программного комплекса STAR-CD с применением языков программирования FORTRAN и JAVA.

3. Проверена адекватность разработанной теории и метода расчета рабочим процессам в пневматической системе с УГПД путем сопоставления экспериментальных данных, приведенных в открытых источниках печати с результатами расчетных исследований. Расхождение не превысило 7%;

4. Проведены численные исследования для определения влияния геометрических параметров пневматических систем с УГПД комбинированного типа на эффективность пневматических систем и получены новые знания, на основе которых даны рекомендаций по проектированию эффективных УГПД.

5. Проведены экспериментальные исследования рабочих процессов в пневматических системах с УГПД, которые подтвердили результаты численных исследований.

6. На базе основных положений диссертационной работы в ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам эксплуатации атомных электростанций» (ОАО «ВНИИАЭС») разработан ряд новых высокоэффективных УГПД.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ рецензируемых журналах и изданиях

1. К вопросу о рациональной форме седел регулирующих клапанов паровых турбин /A.B. Мешкова (Николаева) [и др.] //Тяжелое машиностроение. 2007. №10. С. 2-6. (0,7 п.л./ 0,4 пл.).

2. Повышение эффективности пневматических систем с устройствами гашения пульсации давления /A.B. Николаева[и др.] //Компрессорная техника и пневматика. 2012 . №4. С. 34-40. (0,9 п.л./0,7 п.л.).

3. Исследование рабочих процессов в пневматических системах с устройствами гашения пульсации давления /A.B. Николаева[и др.] //Компрессорная техника и пневматика. 2012. №5. С.42-48. (0,9 п.л./ 0,6 п.л.).

4. К вопросу о прогнозировании амплитуд пульсации давления в системах трубопроводов /A.B. Николаева[и др.] //Вестник МГТУ. Машиностроение. 2012. №3 (88). С.3-16. (1,1 п.л./ 0,9 п.л.).

В других изданиях

5. Применение ПК STAR-CD для повышения эффективности пневматических систем с устройствами гашения пульсации давления /Николаева A.B. [и др.] //STAR Russia 2012: Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассообмена и прочности: Тез. докл. международной конференции. Нижний Новгород. 2012. С.19. (0,07 п.л./0,06п.л.).

6. Николаева A.B., Зарянкин А.Е. Расчетно-экспериментальное исследование нестационарных течений в вихрегасителях различных конструктивных исполнений //Будущее машиностроения России: тез. докл. Всероссийской конференции. Москва. 2011. С.204-205.(0,14п.л./0,12 п.л.).

7. Николаева A.B., Белова О.В., Скибин А.П. Применение CFD-моделирования для проектирования вихрегасителей //Курчатовская молодежная научная школа: Сборник трудов. Москва. 2011. С. 46-47. (0,08п.л./0,06п.л.).

8. Николаева A.B., Белова О.В., Скибин А.П. Проектирование и анализ систем гашения пульсаций давления в паропроводах на основе трехмерного гидродинамического расчета //Научная сессия НИЯУ МИФИ-2012: тез. доклов. Т.З. Москва. 2012. С. 160. (0,07 п.л/0,05п.л.).

9. Николаева A.B., Белова О.В., Скибин А.П. Разработка виртуального стенда для оптимизации вихрегасителей по месту их установки в пневматических системах //Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Международной конференции. Т.4. Москва. С 292-294. (0,14п.л./0,1п.л.).

Ю.Николаева A.B., Чернышев A.B. Расчетно-экспериментальное исследование рабочих процессов в пневматических системах с устройствами гашения пульсации давления //Будущее машиностроения России: тез. докл. Всероссийской конференции. Москва. 2012.— С.195-197. (0,14п.л./0,07 п.л.)

П.Николаева A.B., Чернышев A.B. К вопросу о проектировании эффективных устройств гашения пульсации давления //Будущее машиностроения России: сборник докл. Всероссийской конференции. Москва. 2012. диск. 8 с. (0,5 п.л./0,4 п.л.).

12.Николаева A.B., Скибин А.П., Волков В.Ю. Разработка единой методики проведения CFD-расчетов //Курчатовская молодежная научная школа: Сборник трудов. Москва. 2012. С.37. (0,07 п.л./0,03 п.л.).

13.Устройство для гашения пульсаций давления: а.с. №119062 /A.A. Крутиков, A.B. Николаева, А.П Скибин, заявл. 24.01.12, опубл. 10.08.2012.

14.Устройство для гашения пульсаций давления: заявка RU 2012142558 /A.A. Крутиков, A.B. Николаева, А.П. Скибин, C.J1. Соловьев, заявл. 08.10.2012.

Подписано к печати 15.03.2013 г. Формат 60*84\16. Усл. печ. л. 1,25. Заказ16/25. Тираж 100 экз. Оперативная типография ООО «Арт-Фортис». 420126, Казань, Лаврентьева, 8А, оф. 1

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

На правах рукописи УДК 533.22; 621.6

04201356202

Николаева Анна Владимировна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С УСТРОЙСТВАМИ ГАШЕНИЯ ПУЛЬСАЦИИ ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.04.06 - Вакуумная, компрессорная техника и

пневмосистемы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор А.В.Чернышев

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ.............5

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................7

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА...........................................15

1.1. Пульсации давления и последствия их появления в пневматических системах.................................................................................15

1.2. Причины появления пульсаций давления в пневматических системах..............................................................................................................21

1.3. Методы гашения пульсаций давления в пневматических системах..............................................................................................................27

1.4. Критерии эффективности устройств гашения пульсации давления..............................................................................................................30

1.5. Особенности конструктивных исполнений УГПД.......................31

1.5.1. Особенности конструктивных исполнений УГПД активного типа...............................................................................................32

1.5.2. Особенности конструктивных исполнений УГПД реактивного типа...........................................................................................35

1.5.3. Особенности конструктивных исполнений УГПД комбинированного типа................................................................................38

1.6. Методы расчета рабочих процессов в пневматических системах с устройствами гашения пульсации давления...............................40

1.7. Постановка цели и задач исследования..........................................45

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ С УСТРОЙСТВОМ ГАШЕНИЯ ПУЛЬСАЦИИ ДАВЛЕНИЯ............................................................48

2.1. Объект исследования........................................................................48

2.2. Расчетная область.............................................................................50

2.3. Выбор критериев эффективности УГГТД........................................53

2.4. Математическая модель рабочих процессов в пневматической системе с УГПД.................................................................................................55

2.4.1. Допущения..................................................................................56

2.4.2. Расчетные зависимости.............................................................57

2.4.3. Условия однозначности............................................................61

2.4.4. Метод решения...........................................................................62

2.5. Разработка автоматизированного алгоритма для моделирования рабочих процессов в пневматических системах с УГПД ..68

2.5.1. Построение сеточной модели расчетной области..................68

2.5.2. Разработка алгоритма автоматического построения сеточных моделей пневматических систем с УГПД..................................73

2.5.3. Алгоритм моделирования рабочих процессов в пневматических системах с УГПД и его программная реализация.........76

2.6. Выводы по главе 2............................................................................83

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ С УГПД......................84

3.1. Проверка адекватности прогнозирования параметров рабочих процессов в пневматической системе с УГПД при использовании разработанной математической модели..........................................................84

3.1.1. Оценка влияния параметров компьютерной модели на результаты численного моделирования......................................................84

3.1.2. Проверка соответствия разработанной математической модели реально существующим процессам...............................................93

3.2. Численное исследование рабочих процессов в пневматических системах с генератором пульсации давления и УГПД комбинированного типа..................................................................................104

3.2.1. Численное исследование рабочих процессов в пневматических системах с генератором пульсации давления в

виде поворотного колена............................................................................104

3.2.2. Численное исследование рабочих процессов в пневматических системах с генератором пульсации давления в виде шиберной задвижки.....................................................................................112

3.3. Выводы по главе 3..........................................................................120

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С УГПД И РАЗРАБОТКА НОВЫХ ЭФФЕКТИВНЫХ УГПД....................................................................................122

4.1. Описание экспериментального стенда.........................................122

4.2. Методика проведения эксперимента............................................130

4.3. Обработка результатов эксперимента..........................................132

4.4. Сопоставление результатов расчетного и экспериментального исследований....................................................................................................134

4.5. Внедрение результатов исследования и разработка новых эффективных УГПД........................................................................................137

4.6. Выводы по главе 4..........................................................................141

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.............................................142

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................143

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

А — абсолютная погрешность;

с — удельная теплоемкость;

Б, Ь, и т.д. — геометрические параметры расчетной области;

Б — площадь сечения;

g — ускорение свободного падения;

М — число Маха.

р — давление;

Рг — число Прандтля;

щ,и2,и3 ~ скорость в проекциях на оси х,,х2,х3;

и — вектор скорости;

Я — универсальная газовая постоянная;

Яе — число Рейнольдса;

Т — температура;

I — время;

V — объем;

е — относительная погрешность;

£ — коэффициент гидравлического сопротивления (КГС);

Я — коэффициент теплопроводности;

М — динамическая вязкость;

1/ — 1синрмятниргь-яа наэ^псти-

у «. IV 1 и/и«»V/V х.

Р — плотность;

(3,ах,р*,у и т.д. — коэффициенты модели турбулентности.

а — среднеквадратическая погрешность;

со — удельная скорость диссипации кинетической энергии

турбулентности;

Д — степень гашения пульсаций давления.

Подстрочные индексы:

атм — атмосферные параметры;

к — камера;

н.у. — Нормальные условия;

ср — среднее значение;

сум — суммарное значение;

i — текущее значение индекса;

max — максимальное значение;

min — минимальное значение;

t — турбулентный;

оо — параметры невозмущенного потока.

Сокращения:

АЭС — атомная электростанция;

КГС — коэффициент гидравлического сопротивления;

МКО — метод контрольных объемов;

МКР — метод конечных разностей;

МКЭ — метод конечных элементов;

ПК — программный комплекс;

РВП — регенеративный воздухоподогреватель;

УГПД — устройство гашения пульсаций давления;

PC — персональный компьютер (personal computer).

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования

Трубопроводы - один из самых распространенных элементов различных пневматических систем, предназначенных для транспортировки газообразных сред. По общей протяженности сетей трубопроводов РФ уступает только США. К безопасности, надежности и уровню ' гидравлического сопротивления трубопроводов предъявляются высокие требования.

В силу особенностей компоновки и условий работы систем трубопроводов почти невозможно полностью исключить появление в них вибраций, вызванных наличием нестационарных гидродинамических вихревых течений, что по статистике в 60% случаев является причиной их поломок. Аспект пульсации давления в системах трубопроводов особенно важен для паропроводов энергетического оборудования, магистралей для транспортировки природного газа, трубопроводов авиационной и космической промышленности, а также для технологических воздухопроводов.

Сильными источниками возмущений потока в системах трубопроводов являются арматура, поворотные колена, тройники, диффузоры, турбооборудование, насосное и компрессорное оборудование. Практически в каждой системе трубопроводов можно найти по меньшей мере один из перечисленных выше источников нестационарных гидродинамических вихревых течений. Индикатором наличия вихревых течений в проточной части трубопровода являются фиксируемые измерительными приборами пульсации давления перекачиваемой среды.

Вследствие наличия пульсаций давления перекачиваемой газообразной среды снижается пропускная способность трубопроводов, а гидравлическое сопротивление и внутреннее трение при этом значительно возрастают из-за больших мгновенных скоростей потока. При колебаниях давления в

трубопроводных сетях ухудшаются условия работы запорной и регулирующей арматуры, увеличиваются нагрузки на элементы тракта трубопровода и на детали присоединенного к нему оборудования, искажаются показания измерительных приборов и нарушается работа систем регулирования. Колебания давления в сети вызывают вибрацию трубопроводов, которая ведет к генерации шумов, повреждению трубопроводов, элементов присоединенного оборудования и арматуры, нарушению герметичности уплотнений, что особенно опасно при работе систем трубопроводов со взрывоопасными, воспламеняющимися, токсичными, радиоактивными газообразными средами и со средами при высоких температурах и давлениях.

Для гашения пульсаций давления в трубопроводах до сих пор используют такие методы и средства, как изменение компоновки и размеров трубопроводов, а также рациональное конструирование и компоновка сетей трубопроводов. Эти меры, как правило, предназначены для обеспечения отстройки собственных частот трубопроводов от частот возмущающих сил. Но в процессе эксплуатации частотная характеристика системы в целом меняется, поэтому резонанс, устраненный при одних частотах, возникает при других. Кроме того, указанные меры не влияют на амплитуды пульсации давления в трубопроводах, которые в некоторых случаях составляют несколько десятков атмосфер в условиях нормальной эксплуатации. Традиционные меры борьбы с пульсациями давления позволяют избежать повреждений трубопроводов, но присоединенное оборудование работает в нерасчетном режиме, что приводит к потере его работоспособности.

При работе трубопроводов с высоким уровнем пульсации давления газа часто идут на увеличение толщины стенок трубопровода, что при работе с газами при высоких температурах приводит к необходимости увеличения времени выхода на режим для уменьшения температурных напряжений в стенках трубопровода, т.е. к снижению маневренности оборудования.

Устранение этого недостатка может обеспечить применением устройств гашения пульсации давления (УГПД). Однако, разработчики УГПД сталкиваются с серьезными проблемами, связанными с оценкой технических характеристик УГПД на этапах проектирования. В основном это обусловлено тем, что имеющиеся полуэмпирические методики не позволяют выбрать эффективные УГПД для произвольной системы трубопроводов с учетом особенностей источника возмущений потока (или генератора пульсаций давления), поэтому окончательная доводка конструкции УГПД, как правило, осуществляется на основе большого количества экспериментальных исследований. Поэтому, сегодня проектирование УГПД является длительным и дорогостоящим процессом, в результате которого полученное устройство работоспособно лишь при определенных условиях эксплуатации в конкретной системе трубопроводов. Это обстоятельство препятствует широкому распространению УГПД применительно к системам трубопроводов для транспортировки газообразных сред.

Поэтому актуальной задачей является создание математических моделей и обоснованных методов расчета, позволяющих проводить исследования, необходимые для разработки эффективных УГПД для установки в произвольной системе трубопроводов для транспортировки газообразных сред с учетом особенностей пневматической системы, удовлетворяющих современным требованиям науки и техники.

Объект исследования

Объектом исследования являются пневматические системы с УГПД. Предмет исследования

Предметом исследования являются рабочие процессы, протекающие в пневматических системах с УГПД, определяющие их технические и эксплуатационные характеристики. Цель работы. Создание новых эффективных УГПД.

Научная новизна

1. Впервые в приложении к пневматическим системам с УГПД создана теория расчета протекающих в них рабочих процессов с учетом распределенных термодинамических параметров состояния и реальной геометрической конфигурации проточной части пневматической системы с УГПД.

2. Впервые предложен критерий для оценки эффективности работы УГПД в пневматических системах на основе определения степени гашения пульсации давления Д для исследуемых УГПД и величины коэффициента гидравлического сопротивления (КГС) ^ пневматической системы.

3. Впервые численно исследовано влияние геометрических параметров пневматической системы с УГПД на эффективность работы УГПД.

4. Впервые на основе численных исследований даны рекомендации по выбору геометрических параметров пневматических систем с УГПД для разработки новых эффективных УГПД.

Практическая ценность

1. Создана теория и метод расчета рабочих процессов в пневматических системах с УГПД, позволяющая повысить эффективность проектирования подобных систем, а так же сократить сроки их разработки, за счет возможности внесения изменений в конструктивную схему систем на всех этапах проектирования.

2. Даны рекомендации по выбору параметров пневматических систем с УГПД, а именно по выбору геометрических параметров УГПД и взаимному расположению УГПД и генератора пульсации давления в пневматической системе, позволяющие повысить эффективность пневматических систем с УГПД.

3. Разработан алгоритм и соответствующее программное обеспечение (ПО) для определения степени гашения пульсации давления исследуемых

УГПД и величины гидравлического сопротивления пневматической системы, позволяющие повысить эффективность проектирования подобных систем, а так же сократить сроки их разработки за счет автоматизации процесса моделирования.

4. Теория расчета внедрена в практику проектирования УГПД во Всероссийском научно-исследовательском институте по эксплуатации атомных электростанций (ОАО «ВНИИАЭС»), г. Москва и внедрена ООО «Инновационные технологии» при проверке эффективности и надежности пневматической системы на предприятии ООО Michelin, М.О., Орехово-Зуевский район, дер. Давыдове.

5. Разработан ряд новых конструкций УГПД, позволяющих снизить КГС пневматической системы с УГПД с одновременным увеличением степени гашения пульсации давления более чем в 3 раза по сравнению с имеющимися аналогами. Конструкции внедрены в ОАО «ВНИИАЭС».

Достоверность полученных данных обеспечивалась применением сертифицированного и поверенного измерительного оборудования, современной вычислительной техники и лицензионного программного обеспечения, отвечающих современным требованиям науки и техники, повторяемостью результатов исследования и хорошим совпадением результатов расчетных исследований с результатами экспериментальных исследований, выполненных в рамках работы, а так же с результатами экспериментальных исследований, опубликованных другими авторами.

Положения, выносимые на защиту

Теория и метод расчета рабочих процессов в пневматических системах с УГПД. Результаты теоретических и экспериментальных исследований рабочих процессов в пневматических системах с УГПД

Содержание работы

В первой главе проанализированы причины и последствия появления пульсаций давления в пневматических системах и сделан обзор пневматических систем, для которых характерно явление пульсаций давления. Обоснована необходимость гашения пульсаций давления в пневматических системах, представляющих собой трубопроводы сложной пространственной конфигурации для транспортировки газообразных сред. Рассмотрены основные методы гашения пульсаций давления и особенности конструктивных исполнений устройств гашения пульсаций давления (УГПД). Выделено три основных типа УГПД по способу их воздействия на структуру потока: активного типа, реактивного типа и УГПД комбинированного типа. На основе анализа достоинств и недостатков УГПД различных типов показана перспективность создания новых УГПД комбинированного типа. Приведены основные методы расчета УГПД и подходы, применяемые к их проектированию. Сделан вывод, что имеющиеся методы расчета пневматических систем с УГПД разработаны недостаточно и не позволяют спроектировать эффективное УГПД с учетом особенностей генератора пульсации давления в пневматической системе. Показана необходимость разработки новой теории и метода расчета трубопроводов с УГПД учитывающих нестационарные и трехмерные пространственные эффекты. Обоснован выбор численных методов решения систем дифференциальных уравнений, описывающих непрерывное распределения параметров рабочего тела в расчетной области и являющихся основой разработанной теории математиче�