Проектирование стенда гидравлических сопротивлений. НИР №1 Брянцев Л.М. Э5-13М. Отчет по научноисследовательской работе на тему Разработка стенда для замера гидравлических сопротивлений газодинамических приспособлений, арматуры и нетипичных изделий
 Скачать 0.8 Mb.
|
ФАКУЛЬТЕТ «ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИЕ» КАФЕДРА «Компрессорная и вакуумная техника (Э5)» ОТЧЕТ ПО НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ НА ТЕМУ: «Разработка стенда для замера гидравлических сопротивлений газодинамических приспособлений, арматуры и нетипичных изделий» Студент Э5-13М _________________ _Брянцев Л.М. (Группа) (Подпись, дата) (И.О.Фамилия) Руководитель _________________ Чернышев А.В. (Подпись, дата) (И.О.Фамилия) Консультант _________________ Чернышев А.В. (Подпись, дата) (И.О.Фамилия) Москва 2022 г. Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой Э5 ______________ А. В. Чернышев « _____ » ____________ 2022 г. ЗАДАНИЕ на выполнение научно-исследовательской работы по теме: «Разработка стенда для замера гидравлических сопротивлений газодинамических приспособлений, арматуры и нетипичных изделий» Студент группы Э5-13М ___Брянцев Леонид Михайлович___________________________ (Фамилия, имя, отчество) Направленность НИР (учебная, исследовательская, практическая, производственная, др.) ____________________________исследовательская_________________________________ Источник тематики (кафедра, предприятие, НИР)_____кафедра, предприятие___________ Техническое задание __________________________________________________________ обосновать актуальности темы научно-исследовательской работы, сформировать цели и задачи исследования, выявить объект и предмет исследования, сформировать план работы, сформировать перечень источников, которые должны быть использованы в приоритетном порядке. Оформление научно-исследовательской работы: Расчетно-пояснительная записка на _____ листах формата А4. Перечень графического (иллюстративного) материала (чертежи, плакаты, слайды и т.п.) _______________________________________________________________________________слайды презентации, использованные при защите результатов НИР______________ _________________________________________________________________________ Дата выдачи задания «9» сентября 2022 г. Руководитель НИР _________________ ___Чернышев А.В.__ (Подпись, дата) (И.О.Фамилия) Студент _________________ ___Брянцев Л.М.___ (Подпись, дата) (И.О.Фамилия) РЕФЕРАТ В данной научно-исследовательской работе на тему: «Разработка стенда для замера гидравлических сопротивлений газодинамических приспособлений, арматуры и нетипичных изделий» содержится: Пояснительная записка: 8 рисунков, 24 страницы, 1 таблицу, 10 источников. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: СТЕНД ДЛЯ ЗАМЕРА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ, ПРОДУВОЧНЫЙ СТЕНД. В НИР была рассмотрена проблема разработки стенда для замера гидравлических сопротивлений. Целью настоящей работы является: Рассмотреть и изучить проблему разработки стенда для замера гидравлических сопротивлений, рассмотреть возможность сборки стенда и изучить потенциал к переориентированию стенда в зависимости от специфики конкретной задачи. СОДЕРЖАНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ В настоящей работе применены следующие сокращения: ЗЭл — запирающий элемент: К – компрессор; КПД – коэффициент полезного действия; НИР – научно-исследовательская работа; ПС – Пневмосистема; Р – распределитель; РЭл — регулирующий элемент; КП – клапан предохранительный; ТЗ – техническое задание. В настоящей работе применены следующие обозначения: DN — номинальный диаметр; PN — номинальное давление; ВВЕДЕНИЕ Не сегодняшний день гидравлическое и газодинамическое оборудование выполняет множество технических задач. Оно используется как в относительно маленьких системах, таких как баллон-потребитель, так и в весьма объемных системах. Каждый элемент гидравлической или пневматической системы является источником гидравлического сопротивления. Современные инженерные методы расчета условно можно поделить на две группы: Расчеты «от руки» – основанные на справочной информации, интерпретируемой в зависимости от задачи; Расчеты автоматизированные – проведенные с помощью симуляции в различных комплексах программного обеспечения, так как Dassault Systèmes Solidworks Flow Simulation, Ansys Fluent, Simcenter STAR-CCM+ и др. В большинстве случаев погрешность таких расчетов полностью устраивает и инженеров, и заказчиков, поскольку питающее оборудование чаще всего берётся «с запасом» и дороговизна проекта от этого сильно не возрастает. Однако на современном рынке газодинамического оборудования существуют продукты, для разработки которых подобная погрешность становится критичной. К примеру, газотурбинная генераторная установка перестает выдавать до 50% мощности при возрастании сопротивления на выхлопе всего в 1000 Па. Так же встречаются проекты, в которых инженеру будет экономически нецелесообразно строить опытный образец с привлечением реальной системы для проработки конструкции, но в то же время необходимо изготовить продукт, с прецизионно точным значением гидравлического сопротивления. В таких случаях ученые часто прибегают к физически существующим стендам, которые позволяют увидеть на практике, как ведут себя те или иные параметры объекта изучения. В рамках этой работы будет изучаться и проектироваться стенд для замера гидравлических сопротивлений газодинамических приспособлений, арматуры и нетипичных изделий. Испытания на стенде позволяют: Проверить правильность расчетов критичность тех или иных допущений на практике без существенных затрат Предсказать возможные слабые места в изделии; Сократить количество брака; Снизить затраты энергии на производстве Согласно многим источникам, ремонт оборудования обходится гораздо дороже, чем его изготовление. Поэтому необходимо предотвращать отказ или поломку оборудования, чтобы избежать больших затрат на ремонт и исправление неисправностей оборудования. Второй экономической причиной проведения практических испытаний является предотвращение производства бракованной продукции. Проводя испытания оборудования, можно выявить отклонения характеристик оборудования от паспортных данных, тем самым защищая производство от выпуска бракованной продукции. Также неисправное оборудование может привести к несчастным случаям и опасным ситуациям, что также недопустимо на производстве, поскольку представляет прямую опасность для жизни человека. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ Разработка стенда для замера гидравлических сопротивлений газодинамических приспособлений, арматуры и нетипичных изделий является очень актуальной темой, поскольку позволяет инженеру решить несколько фундаментальных проблем механики жидкости и газов: Получение более четкой расчётной формулы. Большой проблемой для инженера является отсутствие теоретического решения расчета потери давления в местных сопротивлениях. Это обусловлено: Отсутствием законченной теории турбулентности; Неоднозначности влияния шероховатости на турбулентное движение; Дополнительные вихреобразования; Срывы потоков; Сложная геометрия нестандартных изделий. В настоящий момент инженеры используют для расчетов теорию подобия, где определяемым критерием подобия является критерий подобия Эйлера, а определяющим является число Рейнольдса. Подобие всегда вносит определенную погрешность и в большинстве случаев этой погрешностью можно пренебречь, однако далеко не всегда. Более четкое рассмотрение взаимного влияния (интерференции) местных сопротивлений. Дело в том, что при расчётах падения давления обычно считают, что на входе в местное сопротивление поток стабилизирован, откуда получают формулу ζсум=( ζ1+ ζ2+ ζ3+… ζn ). На самом же деле в каждое новое сопротивление поток входит с определенной долей завихрений, что делает неверной вышеуказанную формулу, однако ввиду отсутствия конкретных данных, этой разницей так же пренебрегают, создавая следующую долю погрешности. Настройка математической модели и калибровка её в соответствии с экспериментально полученными данными. ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК Для качественной оценки перспективности и новизны в области развития пневмоавтоматики проведено патентное исследование. На Рис.1 мы можем наблюдать ощутимую непрекращающуюся заинтересованность в направлении исследований внутри Российской Федерации. Статистика производилась на основании запроса: «Стенд гидравлических сопротивлений», что изначально сужало область поиска.  Рисунок 1 - График количества поданных заявок на регистрацию патента за последние 10 лет, по запросу «Стенд гидравлических сопротивлений» На Рис.2 показаны результаты поиска, когда мы изменили запрос на: «hydraulic test», чтобы понять, насколько тема актуальна в мире и кто ей наиболее активно занимается. Как видно с огромным отрывом лидирует Китай. На втором месте республика Корея, которая подала 828 патентов. Далее в списке Соединенные Штаты Америки, Япония и Российская Федерация.  Рисунок 2 - График подачи заявок на регистрацию патента по странам, по запросу «Hydraulic test» На Рис. 3 мы можем наблюдать сильный рост количества проведённых исследований, и соответственно поданных патентов за последние 10 лет по странам мира, в области изучения и инноваций компрессорной техники.  Рисунок 3 - График количества поданных заявок на регистрацию патента за последние 10 лет, по запросу «Hydraulic test» Ввиду всего вышеизложенного, можно сделать вывод о перспективности исследований в этой области. Эмпирические модели, хоть и кажутся рудиментарным инструментом в современной технике, на самом деле являются самым весомым аргументом и самым достоверным инструментом инженера. Как видно из патентного поиска, развивающиеся страны сильно заинтересованы в опытной проверке продукции в процессе проектирования, либо на этапе выпуска. И целью данной работы будет создание принципа построения стенда для измерения коэффициента гидравлического сопротивления. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩЕЙ ИНФОРМАЦИИ Основой данной работы является ГОСТ 33257-2015 «Арматура трубопроводная. Методы контроля и испытаний». Относительно интересующих нас моментов ГОСТ гласит следующее: В зависимости от функционального назначения арматуры определяют следующие гидравлические характеристики: - для запорной арматуры: коэффициент сопротивления - для регулирующей арматуры: условную пропускную способность Kv пропускную характеристику Kv = f(h); диапазон регулирования Д; кавитационные характеристики. - для регуляторов давления: условную пропускную способность Kvу. зону регулирования; динамические характеристики; - для обратной, невозвратно-запорной и невозвратно-управляемой арматуры: коэффициент сопротивления при полном открытии ζ; зависимость коэффициента сопротивления от скоростного давления. - для предохранительной арматуры (при давлении полного открытия Рп0): коэффициент расхода α (для сжимаемых сред — α1, для несжимаемых сред — α2); эффективную площадь αF (для сжимаемых сред — α1F, для несжимаемых сред — α2F). Определение гидравлических характеристик проводят на расходных стендах по специальным методикам. При отсутствии возможности проведения испытаний по определению гидравлических характеристик допускается проводить оценку характеристик посредством расчетов, моделирования, испытанием модельных образцов и др. В качестве испытательных схем ГОСТ рекомендует следующие конфигурации:  а) схема стенда для испытания арматуры с корпусами проходными (с патрубками на одной оси и со смещенными осями патрубков)  б) схема стенда для испытания арматуры с угловыми корпусами 1 - испытуемая арматура; 2 - насос (допускается применять другие технические средства); 3 - обратный клапан; 4 - емкость для забора и слива воды; 5, 6, 11 - запорно-регулирующий клапан; 7, 8 - средства измерения для измерения давления; 9 - расходомерное устройство; 10 - мерная колба или другое техническое средство измерения утечек в затворе; 12 - трубопровод до испытуемой арматуры DN=DN; 13 - трубопровод после испытуемой арматуры DN=DN Рисунок 4 - Рекомендуемые схемы расходного стенда для испытаний арматуры, предназначенной для жидких рабочих сред, на герметичность затвора и проверку функционирования, а также для определения гидравлических характеристик. Примечания 1 Расстояние от испытуемой арматуры до мест контроля (отбора) давления регламентируется только при определении гидравлических характеристик. 2 Измерение давления следует проводить двумя независимыми показывающими средствами измерения, имеющими одинаковую точность и пределы измерения. Помимо указанных схем ГОСТ снабжает нас информацией о требованиях безопасности, возможностях замены рабочих сред и других особенностях проведения испытаний для замера гидравлических сопротивлений газодинамических приспособлений, арматуры и нетипичных изделий. Разумеется, все они будут учтены в процессе формирования более четкого ТЗ на конструирование испытательного стенда. Отметим важный недостаток данных схем для проведения испытаний гидравлических сопротивлений газодинамических приспособлений – отсутствие термометров. Газодинамические системы в отличие от гидравлических довольно часто тесно связаны с широким диапазоном температур. И влияние температуры на сопротивление сложно переоценить. Одна и та же конструкция элемента арматуры при одном и том же объёмном расходе может иметь на порядок различающиеся перепады давления, что важно учитывать при проектировании стенда и обработке результатов эксперимента. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СТЕНДОВ Разумеется, данная работа не является первооткрывателем стендов для измерения коэффициентов гидравлических сопротивлений. Исаак Евсеевич Идельчик ещё в 1954 году издал первый справочник под названием «Гидравлические сопротивления», что говорит о возможности создания стенда уже в те годы. Однако возраст идеи не противоречит её актуальности. Сейчас стенды производят такие компании, как «MANN+HUMMEL» в Людвигсбурге (Германия), «Endress+Hauser GmbH Co» (Швейцария), «Rotobo» (Япония). В Российской Федерации учебные стенды производят такие компании, как Maeslab, Учтех-Профи, Профи-стенд и другие. Однако все эти стенды исследуют гидравлические системы, в которых хоть и сохраняются общие черты механики текучих сред, но не учитываются особенности газовых систем, такие как сжимаемость газа, обратная взаимосвязь вязкости и сопротивления движению и т.д. Пример схемы такого стенда представлен на Рис.5  Рисунок 5 - Принципиальная гидравлическая схема стенда для измерения гидравлического сопротивления. Представленный на Рис.5 стенд представляет собой двухконтурную установку с принудительной циркуляцией рабочей среды по обоим контурам. Для определения гидравлических потерь в состав стенда входят электромагнитный расходомер (диапазон измерения 0÷125 л/мин, погрешность измерения не более 1% от измеряемой величины) и преобразователь дифференциального давления (диапазон измерения 0÷30 кПа, погрешность измерения ±12 Па) Основные характеристики стенда сведены в табл. 1. Таблица 1
Недостатком данного стенда в рамках настоящей научно-исследовательской работы является его ориентированность именно на гидравлические элементы, рабочим телом которых является жидкость. Однако существенным достоинством является использование преобразователя дифференциального давления, что: Существенно облегчает снятие показаний с датчика при проведении эксперимента. Позволяет привести результаты в электронный формат с минимальными искажениями. Другой стенд гидравлических испытаний приведен на рисунке 6: |
