Исследование расходной характеристики запорно-регулирующего устройства для формирования управляемого потока газа

Введение. Промышленная трубопроводная арматура является одним из важнейших элементов дозирования передаваемой энергии как внутри распространенных газораспределительных систем, так и органом прецизионного воздействия непосредственно на исполнительное устройство или механизм. Наиболее конкретизированными являются требования к запорнорегулирующим устройствам (ЗРУ), применяемым в отраслях промышленности, имеющих повышенную опасность, а также на прецизионных высокотехнологичных ответственных производствах. Значительную роль играет возможность изменения и диапазон регулирования расходной характеристики, а также быстродействие элемента, разделяющего две части сообщающейся системы. Применение ЗРУ для формирования потока инертного газа, согласно сформированному закону, является ключевым требованием к исполнительным элементам системы для изготовления деталей (материал которых находится, как правило, в наноструктурном состоянии) методом сверхпластической формовки (СПФ). Формирование требований к исполнительному узлу газораспределительной системы для осуществления операции СПФ определяется графиком, основанным на геометрии детали. В качестве исполнительного узла принят сильфонный запорный игольчатый клапан как оптимальный по конструкции ввиду используемого уплотнения, а также дозирующей иглы, позволяющей изменять проходное сечение канала. Методы и материалы. Моделирование и конечно-элементный (КЭ) анализ с целью определения расходных характеристик сильфонного запорного игольчатого клапана газораспределительной системы проводились с применением специализированного программного комплекса для сценариев поворота рукоятки управляющего штока на: 10°, 45° и 90° с учетом необходимых граничных условий, а проведение натурных испытаний с целью верификации расчетов методом конечных элементов (МКЭ) осуществлялось на стенде с использованием сильфонного запорного игольчатого клапана при требуемых параметрах элементов стенда. Результаты и обсуждение. Приводятся результаты конечно-элементного (КЭ) анализа и натурных стендовых испытаний для верификации результатов моделирования. В ходе проведения исследований установлено, что зависимость расхода рабочей среды от угла поворота рукоятки управляющего штока не является линейной. В диапазоне углов поворота рукоятки от 0° до 40° наблюдается стабильное увеличение расхода. При дальнейшем увеличении угла открытия рукоятки от 40° до 60° характер изменения расхода рабочей среды меняется. Наблюдаются скачкообразные перепады, которые можно объяснить относительно большим открытием седла корпуса. Это приводит к явлениям (срывы, завихрения потока и т.д.), вызывающим колебания расхода. После достижения угла поворота в 60° график расхода приобретает колебательный характер. На данном участке поток испытывает постоянное значительное воздействие турбулентных явлений и становится нестабильным, что затрудняет точное определение расхода рабочей среды. Заключение. Совместное проведение конечно-элементного моделирования и натурного эксперимента позволило провести верификацию расходной характеристики, полученной в ходе расчета МКЭ в специализированном программном комплексе с данными натурных стендовых испытаний сильфонного запорного игольчатого клапана. Расхождение результатов КЭ анализа с результатами, полученными в ходе натурных испытаний, находится в пределах 5 %, что позволяет использовать методику, приведенную в статье, для получения достаточно точных и достоверных результатов.