Экспериментальные исследования гидродинамического взаимодействия КОР-1,0 с потоком

УДК 662.22 Н.В. Цугленок, А.А. Туркин

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОР-1,0 С ПОТОКОМ

Исследовано гидродинамическое взаимодействие запорно-регулирующего органа обратного клапана с потоком и определение закона распределения давления с учетом переменных факторов (h, Q, H). Разработана методика гидравлического расчета.

Исследования гидродинамического взаимодействия запорно-регулирующего органа обратного клапана с потоком проводились двумя методами:

1. Метод дренирования запорно-регулирующего органа обратного клапана со снятием давлений при помощи батарейного пьезометра [1-3].

Для этого запорно-регулирующий орган обратного клапана был снабжен штуцерами-отборниками давления. По снятым значениям строились эпюры распределения гидродинамических давлений, по которым определялось фактическое значение.

2. Метод непосредственного определения величины гидродинамического давления на запорно-регулирующий орган обратного клапана (рис. 1).

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования гидродинамического взаимодействия запорно-регулирующего органа обратного клапана с потоком: 1 - батарея пьезометров; 2 - пьезометр;

3 - задвижка; 4 - мерная емкость со штоком; 5 - шпиценмасштаб

Исследование гидравлических характеристик запорно-регулирующего органа обратного клапана, как элемента средств механизации защиты скважин от пескования, проводилось в соответствии с методикой [4, 5] в следующей последовательности.

Перед началом опытов фиксировалась величина открытия запорно-регулирующего органа обратного клапана (h) при помощи мерной иглы шпиценмасштаба. Величина открытие запорно-регулирующего органа обратного клапана h принималась кратной диаметру водовыпускного отверстия обратного клапана d Отношение h/d принималось: 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3; 0,35; 0,4; » (табл.). Затем на модельную установку подавалась вода открытием задвижки 3. Регулируя задвижкой 3 расход воды в трубопроводе 4, задавался определенный напор Н перед обратным клапаном. Вода через обратный клапан вытекала в водомерное устройство 1, где треугольным мерным водосливом измерялся пропускаемый расход. При помощи пьезометра 2 снимались значения напора до обратного клапана. Замеры проводились после того, как устанавливался неизменный расход истечения, то есть через 5-7 мин.

Замерив опытные данные, изменяли расход Q задвижкой 3. Опыты повторялись в той же последовательности. В такой же последовательности были проведены опыты при изменении напора от Hmin до Hmax. Затем изменяли величину открытия запорного клапана и опыты повторили в той же последовательности. По данным вычислялись коэффициенты расхода ¡л и гидравлического сопротивления £ по формуле (1), приведенные к площади œ кольцевой щели.

М =

Q

2 gH V2

Для иллюстрации выявления зависимости изменения ^ и £ были построены графики ^ = f1 (h/d) и £ = f2 (h/d), выраженные через площадь кольцевой щели.

Анализируя полученные данные, можно сделать следующие выводы:

1. Коэффициент расхода истечения через кольцевую щель, образуемую водовыпускным отверстием и запорным органом обратного клапана, незначительно изменяется [5,6] при изменении Н и h = const.

Непостоянство ^ объясняется тем, что при увеличении напора истечения струя стремится к отрыву от запорно-регулирующего органа обратного клапана, что ведет к объемному сжатию, и как следствие к уменьшению ^. Так как при изменении напора при одинаковом h/d отклонение ^ от ^СР не более 5%, то для каждого открытия h за расчетное принималось среднее значение ^.

2. Как видно из графика ^ = f (h/d), представленного на рисунке 2, коэффициент расхода ^ увеличивается с увеличением открытия h и наоборот.

3. На основании обобщения результатов [7, 8] исследований получена теоретическая зависимость для 0,05 < h/d s 0,4.

ц = - 0,034 + 3,25 (h/d) - 4,84 (h/d)2,

при этом отклонение от практических значений ^ не превышает 6,5%. Для расчета пропускной способности обратного клапана с регулируемым временем открытия коэффициент расхода воды рекомендуется принимать равным 0,505, а открытие h = 0,3 d.

Рис. 2. График зависимости коэффициента расхода и коэффициента сопротивления обратного клапана от величины открытия запорно-регулирующего органа

h/d 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

ЦотеРр 0,1245 0,2506 0,3569 0,4439 0,4937 0,5055 0,5081 0,5163

ЦОТВТЕОР 0,1164 0,2426 0,3446 0,4224 0,4760 0,5054 0,5106 0,4916

Ац % 6,50 3,19 3,45 4,84 3,59 0,0 0,50 4,87

62,75 16,25 7,65 4,63 3,23 2,5 2,03 1,72

Исследования гидравлического взаимодействия запорно-регулирующего органа обратного клапана с потоком воды проводились в соответствии с изложенной выше методикой.

В запорно-регулирующем органе по радиусу от центра к краю сверлились отверстия и при помощи штуцеров соединялись резиновыми трубками с батареей пьезометров для измерения пьезометрических напоров.

Учитывая, что подвод воды осуществляется снизу, характер истечения из обратного клапана является равномерным и симметричным. Разворот рабочего органа для определения напоров с каждой стороны не требуется (рис 3).

Величины открытия запорно-регулирующего органа обратного клапана h задавались по аналогии с исследованиями гидравлических характеристик. На установку подавался расход воды и фиксировались: напор, уровень воды в водомерном устройстве и гидродинамические напоры в точках отбора на поверхности рабочего органа обратного клапана. Затем менялся напор на входе в обратный клапан и измерения повторялись. Исследования проводились для h/d < Имлх/d и h/d > Іімлх/d.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки:

1 - насос; 2 - трубопровод; 3 - задвижка; 4 - обратный клапан с регулируемым временем открытия;

5 - лоток; 6 - водомерный бак с гасителем энергии и треугольным водосливом; 7 - сбросной

коллектор; 8 - сливной резервуар

По опытным данным были построены эпюры распределения гидродинамических давлений. На эпюрах по горизонтали откладывались координаты точек отбора давлений (напоров), по вертикали - гидродинамические напоры. Эпюры распределения гидродинамических напоров по сечению запорного органа обратного клапана при различных напорах для каждого открытия клапана представлены раздельно и показаны на рисунке 4.

Анализируя опытные данные - эпюры распределения гидродинамических напоров на плоскости запорно-регулирующего органа обратного клапана, можно сделать следующие выводы:

1. Г идродинамическое давление на запорно-регулирующий орган обратного клапана распределяется по его поверхности неравномерно. Имеет место нарастание гидродинамического давления от [9] центра запорно-регулирующего органа к его краю, а затем его падение (см. рис. 4).

Первое объясняется обтеканием рабочего органа, где происходит гашение напора потока, а второе -возрастанием скорости от центра к периферии.

В зоне отрыва потока гидродинамическое давление достигло отрицательной величины.

2. В исследуемых пределах измерения h/d в зоне взаимодействия запорно-регулирующего органа обратного клапана с потоком вакуумметрическая зона встречается только по краю запорно-регулирующего органа обратного клапана, что дает основание делать вывод об отсутствии вибрации, кавитации запорно-регулирующего органа и исключить необходимость учета этих явлений (см. рис. 4).

К запорно-регулирующему органу при помощи штока с фиксатором прикреплялась емкость. Величины открытия запорно-регулирующего органа принимались такие же, как в предыдущем опыте. На установку подавался расход воды, емкость наполнялась водой до момента начала движения запорно-регулирующего органа, при этом фиксировались: напор, уровень воды в водомерном устройстве и вес мерной емкости. По полученным результатам измерения определялось теоретическое значение результирующей силы гидростатического гидродинамического давлений на запорно-регулирующий орган обратного клапана по формулам [4-7]:

V2

рДОР = р^ , РСОРТ =Р8^

и сравнивалось с практическим гидродинамическим, равным весу воды в мерной емкости.

Анализируя полученные опытные данные гидродинамического давления, можно сделать вывод: величина результирующей силы на запорно-регулирующий орган обратного клапана может быть определена по формуле

р = р -----------КЛ------

1 ГД 1 ГСТ 2 .

2отвМотв

Рис. 4. Эпюры распределения гидродинамического напора по поверхности запорно-регулирующего органа обратного клапана с регулируемым временем открытия

Статический расчет должен вестись на максимальное гидростатическое давление, что с запасом обеспечивает работоспособность обратного клапана с регулируемым временем открытия.

Исследования проводились на экспериментальном стенде (см. рис. 3), где показана модель обратного клапана с регулируемым временем открытия.

В общем виде экспериментальная установка представляет собой закольцованную гидравлическую систему, включающую в себя насос 1, трубопровод 2 с задвижкой 3, обратный клапан с регулируемым временем открытия 4, лоток 5, водомерный бак с гасителем энергии и треугольным водосливом 6, сбросной коллектор 7 и сливной резервуар 8.

Мерный водослив с углом 90о был протарирован объемным способом. Емкость мерного бака при этом принималась из требований и равнялась W = 480 дм3 для расхода до 12 дм3. Время наполнения измерялось тарированным секундомером. Так как ошибка измерения расхода зависит от ошибки измерения времени, получаем

ЛЄ = W Л-,

г

где г= Q/W - время наполнении мерного бака, следовательно

ЛQ Лг  Q

Q W

Время по секундомеру I замерялось с точностью 0,1 с, но с учетом абсолютной погрешности АI = 0,3 с,

- 0 3

с относительной погрешностью & = Аг / г = ^—  100% = 0,7%.

40

Тогда при мерном баке 480 дм3 относительная погрешность составит

АQ/Q = —  Q = 0,3:12 = 0,0075 = 0,75% .

^ ^ ^ ^ 480

Учет возможной ошибки при измерении объема мерного бака составляет ± 0,5 дм3, следовательно

допускается погрешность измерения объема

М —  100% = 0,5 100 = 0,141%.

W 480

Суммарная относительная погрешность измерений составит

¿Q = 0,75 + 0,141 = 0,891% = ¿г+¿W.

Данная ошибка удовлетворяет требованиям [4]. Надежность полученных результатов опытов в соответствии с рекомендациями [6] составила 0,95%.

Данная экспериментальная установка работает следующим образом. При включении насоса вода по трубопроводу 2 поступает к обратному клапану 4, далее по лотку 5 в водомерный бак с гасителями энергии и треугольным водосливом 6 в сливной резервуар 8.

Моделирование осуществлялось по критерию гравитационного подобия [1-7].

Конечной целью физического моделирования является перенос опытных данных на натурные условия.

Последнее возможно уверенно сделать лишь при обеспечении подобия явления в натуре и на модели.

В этом случае значение натурных величин получается простым умножением опытных значений на соответствующий масштаб.

Минимально допустимый масштаб модели определяется из зависимости

8МШ =

где Vн - средняя скорость течения воды в трубопроводе в натуре, м/с;

RH - гидравлический радиус трубопровода.

На основании расчетных данных имеем

Vн = 0,026 м/с ; Rн = 0,05 м.

Подставив значения VH и RHв в формулу (10), получим ёмт = 10...6.

Нами, с учетом лаборатории, принят масштаб моделирования 6 = 1.

Для достижения заданной точности и измерения предельной ошибки проводились многократные измерения исследуемой величины в тождественных условиях. При выборе минимального числа отсчетов и полученных по ним опытных точек изучаемой функциональной зависимости использовалось следующее правило [6]: «Рассматривая сложную кривую как комбинацию прямых и простых кривых, описать перегиб кривой по меньшей мере тремя опытами, каждый участок, близкий к прямолинейному двумя опытами и близко к назначенным пределам поставить два . концевых опыта. Но если требуется установить не только общие закономерности, но и возможно более точное численное значение функции, каждый перегиб кривой должен быть описан минимум пятью опытами» [6].

С учетом изложенного повторность опытов принята не менее чем тройная. Более точное обоснование необходимого количества опытов, как известно, определяется надежностью Н и ошибкой А, взятое в зонах стандартного отклонения а[4, 8]. Надежность опыта зависит от характера исследований. При исследовании закономерностей достаточно принять надежность Р = 0,67. При измерениях, связанных с конструкцией, достаточна надежность Р = 0,9, а при определении деталей, закономерностей значений величин, являющихся основой для дальнейших расчетов, необходима надежность Н = 0,99.

Для большинства технических измерений, в силу известного инженерного правила «трех сигм», можно считать, что наибольшей ошибкой средней арифметической многократных измерений является абсолютная величина, равная плюс-минус три стандартных отклонений, т.е.

АП

В тех случаях, когда поисковые опыты не проводились и нет данных, по которым можно было бы установить значение среднего квадратичного отклонения, можно принять, что предельная ошибка равна наибольшей статической:

АП~ ± 3 а.

Относительная ошибка вычисляется как отношение к а, т.е.

АП (а) ± 3а

а

а

или в процентах

± 3а

100%.

а

а

Применяемые методы при обработке конкретных экспериментальных данных приводятся при измерении результатов исследований и их обобщения. Там же приводится порядок проведения экспериментов, а при необходимости детализация методики исследования. Таким образом, можно утверждать, что принятая методика, точность и аппаратура исследований позволяют обеспечить достоверную информацию при проведении экспериментальных исследований.

Для предотвращения обратного гидравлического удара при вторичном включении погружного электронасоса при водоотборе из водоносных скважин применяется клапан обратный с регулируемым временем открытия КОР-1,0, который работает следующим образом: пока погружной электронасос 10 выключен (рис.), запорно-регулирующий орган обратного клапана (7) перекрывает напорный патрубок 9 электронасоса. Рабочая полость 1 заполнена водой, при включении погружного электронасоса вода через импульсную трубку 8 поступает в рабочую полость, включая дроссельное устройство 4, чем обеспечивает временное регулирование открытия рабочего органа обратного клапана, в зависимости от рабочих характеристик погружного электронасоса. По достижении максимальной точки открытия запорно-регулирующего органа обратный клапан начинает работать с расчетной пропускной способностью.

При включении погружного электронасоса рабочий орган обратного клапана под действием гидравлических усилий и собственного веса герметично перекрывает напорный патрубок, исключая обратный ток жидкости. В этот момент рабочая полость заполняется водой через импульсную трубку. При повторном включении погружного электронасоса рабочий цикл обратного клапана повторяется.

Таким образом, при пусковых режимах предлагаемая модель обратного клапана с регулируемым временем открытия исключает гидравлический удар, а также турбулентный взмыв песка в скважине, обеспечивает плавное нарастание расхода до эксплуатационного значения, кроме того, при включении погружного электронасоса обратный клапан предотвращает движение воды из напорного трубопровода в скважину.

Он состоит из рабочей полости 1, включающей в себя верхнюю часть 2, выполненную в форме чаши, неподвижно соединенную с корпусом обратного клапана 3 и имеющую дроссельное устройство 4, регулирующее время открытия обратного клапана. Нижняя часть полости выполнена в форме диафрагмы 5 с жестким центром 6, соединенная с запорно-регулирующим органом 7 импульсной трубкой 8.

УДК 662.22

Н. В. Цугленок, А. А. Туркин

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ПАРАМЕТРЫ ОБРАТНОГО КЛАПАНА КОР-1,0

В статье приведены результаты расчетного и гидропневматического обоснования обратного клапана КОР-1,0, доказывающего облегчение непрерывности технологического процесса.