Визуализация газодинамических процессов в самодействующих клапанах

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012

УДК 62151 А. Ю. ЗАИКИН

А. А. НОВИКОВ С. Н. ЛИТУНОВ И. П. АИСТОВ

Омский государственный технический университет

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В САМОДЕЙСТВУЮЩИХ КЛАПАНАХ

Статья посвящена вопросам влияния геометрии проточной части самодействующих клапанов на газодинамические характеристики потока, а также исследованию газодинамических характеристик самодействующих клапанов с использованием численной визуализации. Представлены результаты численного моделирования газодинамических процессов в самодействующих клапанах с различными вариантами проточной части с использованием программного комплекса А№У5 СРХ.

Ключевые слова: газодинамика, самодействующий клапан, газодинамические характеристики, численное моделирование, визуализация.

При проектировании компрессоров объемного действия одними из наиболее важных узлов являются клапаны [1, 2]. В настоящее время результатом совершенствования самодействующих клапанов являются либо меньший перепад давления на полностью открытом клапане в рамках одного типоразмера, либо больший расход воздуха через клапан при одинаковом падении давления.

В данной работе выполнена визуализация газодинамических процессов в самодействующих клапанах и исследовано влияние геометрии проточной части клапана на его газодинамические характеристики. Исследуется пять видов проточной части. Во-первых, стандартный кольцевой клапан. Во-вторых, перфорированный клапан, в котором проточная часть седла и ограничителя подъема выполнена в виде отверстий одного диаметра (далее вариант 1) (рис. 1а). В-третьих, перфорированный клапан, в котором проточная часть седла и ограничителя подъема выполнена в виде отверстий двух разных диаметров, причем отверстия большего диаметра расположены на периферии клапана (далее вариант 2) (рис. 1б). В-четвертых, перфорированный клапан, в котором поточная часть седла и ограничителя подъема выполнена в виде отверстий разного диаметра, при этом их диаметр увеличивается от центра к периферии клапана (далее вариант 3) (рис. 1в). И в-пятых, перфорированный клапан, представленный на рис. 1а, но со снятием фасок на входных и выходных кромках проточных отверстий (далее вариант 4). В данном случае величина фаски принята 2,5 % от диаметра проточных отверстий. Исследования проводятся в программе ANSYS CFX.

Основные геометрические параметры кольцевого клапана: посадочный диаметр — 34 мм, ширина проточек в седле — 5 мм, средний диаметр кольца — 23 мм, толщина кольца — 1 мм, высота поднятия запорного органа — 1,8 мм. Основные геометрические параметры перфорированных клапанов: посадочный диаметр — 34 мм, ширина базовых проточек

в седле — 2 мм, ширина увеличенных проточек в седле — 2,4 мм, толщина кольца — 0,5 мм, высота поднятия запорного органа — 1 мм.

Для упрощения расчетной модели клапан размещен в трубе, причем длина входного участка — 68 мм, а выходного — 170 мм. В ходе исследования запорный орган кольцевого клапана фиксировался на девяти высотах подъема от 0,125 мм до 1,8 мм; перфорированного клапана на девяти высотах от 0,05 мм до 1 мм. При моделировании продувок при каждом варианте высоты подъема обеспечивали неизменный режим течения газа в седле. Алгоритм построения расчетной модели и выполнения расчетов представлял собой следующую последовательность:

1. Для каждой высоты подъема запорного органа в программе SolidWorks строится модель потока (рис. 2).

2. На следующем этапе происходит конвертирование геометрии модели в среду ANSYS и формирование расчетной сетки. Сначала формируется поверхностная сетка. Причем для каждой высоты поднятия запорного органа количество конечных элементов различно: чем меньше расстояние между запорным органом и седлом (ограничителем), тем больше конечных элементов. После построения поверхностной сетки на ее основе происходит формирование объемной сетки. Для различных потоков количество конечных элементов объемной сетки составляло от 770 тыс. элементов до 2 млн (рис. 3).

3. Далее происходит задание физических свойств рабочего вещества, граничных условий и параметров расчета. В качестве газа, продуваемого через самодействующие клапаны, взят атмосферный воздух при температуре 25 °С.

В данной задаче использовалось три типа граничных условий:

— в сечении подачи газа во входной патрубок задавалось граничное условие типа Inlet, то есть вход. На входе задавался массовый расход газа, который был равен 0,03 к/с. Расход сохранялся постоянным

а) б) в)

Рис. 1. Схемы распределения проточных отверстий: а) перфорированный клапан по варианту 1; б) перфорированный клапан по варианту 2; в) перфорированный клапан по варианту 3

Рис. 2. Геометрическая модель потока кольцевого клапана:

1 — течение во входном канале; 2 — течение в проточной части клапана; 3 — течение в выходном канале

Рис. 3. Расчетная сетка

для каждой высоты поднятия запорного органа. Таким образом, мы поддерживаем постоянный режим течения газа через седло;

— в сечении выхода газа из отводящего патрубка. В данном случае задавалось граничное условие типа Outlet, то есть выход. На выходе задавалось давление. Давление, так же как и расход, не изменялось;

— на всех оставшихся поверхностях задавалось граничное условие типа Wall, то есть стенка. Стенка задавалась гладкой, без проскальзывания потока.

В расчете применялась модель турбулентности k-e. Критерий сходимости по невязкам устанавливался на 10-4.

4. Далее осуществляется непосредственно расчет модели. Сходимость модели происходила на 47 — 100 итерации.

5. После расчета происходит снятие необходимых результатов и обработка полученных данных.

В нашем случае, при фиксированной площади проходного сечения в седле оценивалось давление

на входе в клапан, на поверхностях запорного органа и на выходе из клапана.

Одним из важных результатов является то, что перфорированные клапаны с высотой поднятия запорного органа 1 мм обеспечивают такое же падение давления, которое возникает в кольцевом клапане при высоте поднятия запорного органа около 1,5 мм. Следствием этого является снижение скорости соударения запорного органа перфорированного клапана о седло и ограничитель подъема по сравнению с кольцевым, что существенно увеличивает его ресурс.

На рис. 4 представлены результаты численной визуализации характера течения газа через клапан, для следующих модификаций перфорированного клапана: верхний поток — для перфорированного клапана по варианту 1, нижний поток — для перфорированного клапана по варианту 3. Видно, что процесс вихреобразования происходит непосредственно у поверхности ограничителя и можно гово-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012

%

Рис. 4. Течение газа через клапан

а) перфорированный клапан по варианту 1;

б) перфорированный клапан по варианту 4

а)

б)

Рис. 5. Течение газа в зазоре между седлом и запорным органом: а) перфорированный клапан по варианту 1; б) перфорированный клапан по варианту 4

Рис. 6. Зависимость падения давления от отношения h/d:

1) кольцевой клапан; 2) перфорированный клапан по варианту 1;

3) перфорированный клапан по варианту 2;

4) перфорированный клапан по варианту 3;

5) перфорированный клапан по варианту 4

рить о практически полном выравнивании потока на расстоянии одного диаметра от выходного сечения. Полученные результаты свидетельствуют о лучшем выравнивании потока при варианте 3. В частности, снижается доля макровихрей и, соответственно, величина диссипативных потерь [3].

Также было рассмотрено влияние фасок на эффективность проточной части перфорированного клапана. Отказ от острых входных кромок проточных отверстий предполагает увеличение коэффициента расхода. Однако влияние фасок на коэффициент расхода должно оцениваться при условии сохранения минимального расстояния между кромками соседних отверстий. Следовательно, при применении фасок необходимо уменьшать диаметр проходного сечения, что, в свою очередь, в рамках одного типоразмера может привести к снижению эквивалентной площади проходного сечения и, как следствие, увеличению перепада давления. Именно такой эффект наблюдается в нашем случае. На рис. 5 представлены линии тока в зазоре между седлом и запорным органом полностью открытого перфорированного клапана. Видно, что скорость потока газа в перфорированном клапане по варианту 4 выше, чем в клапане по варианту 1, соответственно, и потери давления в данном клапане выше.

Оценка величины потерь давления, в зависимости от отношения высоты поднятия запорного органа к определяющему размеру проточек в седле, приведена на рис. 6. Исходя из полученных данных, можно сказать, что величина потерь давления существенно различается в момент открытия клапана, на малых высотах подъема запорного органа и практически не отличается в полностью открытом клапане [4].

Таким образом, представленные теоретические результаты хотя и требуют экспериментального подтверждения, однако, на качественном уровне свидетельствуют о влиянии конструктивных особенностей проточной части перфорированного клапана на его газодинамические характеристики и о необходимости учета этих особенностей при разработке самодействующих клапанов такого типа [5, 6].

Библиографический список

1. Пластинин, П. И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчет / П. И. Пластинин. — М. : Колос, 2000. — 456 с.

2. Френкель, М. И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и основы проектирования / М. И. Френкель. — М. : Машиностроение, 1969. — 744 с.

3. Самойлович, Г. С. Гидрогазодинамика / Г. С. Самой-лович. — М. : Машиностроение, 1990. — 384 с.

4. Заикин, А. Ю. К расчету коэффициента давления кольцевого клапана в программной среде ANSYS CFX / А. Ю. Заикин, О. В. Бут // Омское время — взгляд в будущее : матер. Регион. молодежн. науч.-техн. конф., 14—15 апр. 2010 / ОмГТУ. - Омск, 2010. - Кн. 1. - С. 21-24.

5. Заикин, А. Ю. Методика газодинамического расчета самодействующих перфорированных клапанов в программной среде ANSYS CFX / А. Ю. Заикин // Техника и технология современного нефтехимического и нефтегазового производства : матер. 1-й науч.-техн. конф. аспирантов, магистрантов, студентов нефтехимического института ОмГТУ и учащихся старших классов, посвященной 10-летию нефтехимического института ОмГТУ / ОмГТУ. - Омск, 2011. - С. 291-297.

6. Заикин, А. Ю. Самодействующие перфорированные клапаны для быстроходных поршневых компрессоров / А. Ю. Заикин // Динамика систем, механизмов и машин : матер. VII Межд. науч.-техн. конф., 10-12 нояб. 2009 г. / ОмГТУ. - Омск, 2009. - Кн. 2. - С. 89-93.

ЗАИКИН Александр Юрьевич, аспирант кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».

НОВИКОВ Алексей Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов». ЛИТУНОВ Сергей Николаевич, доктор технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой «Оборудование и технологии полиграфического производства».

АИСТОВ Игорь Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры «Промышленная экология и безопасность».

Адрес для переписки: zaikin_aleksandr@mail.m

Статья поступила в редакцию 19.12.2011 г.

© А. Ю. Заикин, А. А. Новиков, С. Н. Литунов, И. П. Аистов

Книжная полка

Боровский, Г. В. Справочник инструментальщика / Г. В. Боровский, С. Н. Григорьев, А. Р. Маслов. - М. : Машиностроение, 2005. - 464 с. - ISBN 5-217-03284-7.

Помещены справочные данные, необходимые для конструирования и рациональной эксплуатации режущего и абразивно-алмазного инструмента. Приведены сведения о современных инструментальных материалах, режущих и вспомогательных инструментах, в том числе об инструментальной оснастке станков с ЧПУ, методах модификации рабочих поверхностей металлообрабатывающего инструмента, режимах термообработки, методах затачивания, контроля, маркировки, консервации и упаковки инструмента. Предназначен для инженеров-конструкторов и технологов машиностроения, может быть полезен студентам технических университетов, обучающихся по специальности «Технология машиностроения, металлообрабатывающие станки и инструменты».

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ