СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЧАЛА КАВИТАЦИИ В РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНАХ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК G01M10/00 F16K1/00 

Изобретение относится к области гидравлики и может быть использовано при разработке регулирующих клапанов (РК) и гидравлической арматуры различного назначения, а также исследовании гидравлических характеристик различных местных сопротивлений (в дальнейшем изложении они объединены термином РК).

Критерии, определяющие границы начала кавитации в РК, являются одним из важнейших показателей, характеризующих как особенности течения среды, так и надежностные характеристики конкретного РК, в связи с чем численные значения их заносятся в формуляры или паспорта готовой продукции.

Известен способ, исключающий кавитацию в зонах контакта седел штока с седлами корпуса двухседельного клапана, реализуемый по патенту РФ 2056562, заключающийся в том, что бескавитационный режим седел штока обеспечивается уменьшением перепада давлений на их регулирующих кромках за счет срабатывания большей части перепада на специальных дросселях, работающих в режиме кавитации.

К недостаткам реализованного в клапане способа относятся:
- невозможность фактического определения бескавитационного перепада на седлах профильных дросселей из общего перепада давлений, срабатываемого на клапане;
- работа седел штока происходит в парогазовой среде, образуемой входным дросселем, работающим в режиме кавитации, что приведет к нестабильности гидравлических характеристик клапана;
- наличие кавитации в непрофилированных дросселях, в связи с чем (кроме их кавитационного износа) неизбежна вибрация и акустический шум клапана в целом;
- проблема поддержания работоспособности за счет периодической замены разрушенных при кавитации элементов клапана - дросселей.

Известны гидравлические способы исключения процесса кавитации в РК и местных гидравлических сопротивлениях, в обеспечении реализации которых необходимо, чтобы параметры потока или перепады в РК отвечали требованиям определенных чисел или коэффициентов кавитации.

Первый из них (число кавитации) определяется по значениям критических чисел кавитации (представляющих собой удвоенное значение критерия Эйлера), при которых происходит резкое увеличение значений коэффициентов сопротивления РК, [1], Арзуманов Э.С. Кавитация в местных гидравлических сопротивлениях. М., "Энергия", 1978, стр.144, рис.4-32.

Наиболее распространенным при практическом использовании и близким по технической сущности является гидравлический способ определения коэффициентов кавитации Кс РК, при котором для фиксированного положения его затвора по значениям критических перепадов давлений, соответствующих отклонению квадратичной зависимости (расхода среды в функции квадратного корня из величины перепада давлений) от линейного закона определяются значения упомянутых коэффициентов кавитации Кс; [2] РТМ 108.711.02-79. Арматура энергетическая. Методы определения пропускной способности регулирующих органов и выбор оптимальной расходной характеристики, 1979, стр.33, черт.2.

Недостатками указанных способов является предпосылка, что при появлении кавитации и соответствующих парогазовых "пузырей" увеличивается гидравлическое сопротивление РК с соответствующим нарушением линейности квадратичной расходной характеристики. Однако сама линейность зависимости соблюдается только при постоянстве гидравлического сопротивления РК в бескавитационном режиме, т.е. применение известных способов ограничено областью турбулентного течения среды (при значениях чисел Рейнольдса, превышающих определенную для данного РК величину).

На практике используются различные РК, в том числе и достаточно больших размеров, в которых процесс начала кавитации не приводит к изменению гидравлического сопротивления в пределах, величину которых возможно замерить даже в лабораторных условиях. Кроме того, значительное количество РК эксплуатируются не в турбулентной, а в переходной области чисел Рейнольдса (от ламинарного к турбулентному режиму), где даже при бескавитационном течении среды не соблюдается постоянство значений коэффициентов гидравлического сопротивления при изменении перепада давлений на РК, [3], Благов Э.Е., Ивницкий Б. Я. Дроссельно-регулирующая арматура в энергетике. М., "Энергия", 1974, стр.38.

Т. е. известные гидравлические способы имеют крайне ограниченную область возможного их использования. Это подтверждается и встречающимся на практике несоответствием полученных указанными выше способами чисел и коэффициентов кавитации фактическим процессам в различных местных гидравлических сопротивлениях и РК. Например, в работе [3], стр.41 подчеркивается, что "нередко область течения рабочей среды в арматуре совпадает с переходной областью". В работе [1] , стр. 161 со ссылкой на работы ряда авторов отмечается, что "начало отклонения расходной характеристики от квадратичного закона соответствует тяжелым условиям кавитации, при которых наблюдаются значительные вибрации, шум и эрозионное разрушение материала. Таким образом, если при конструировании РК для бескавитационной работы пользоваться значениями коэффициентов кавитации Кс с определением критического перепада Δp_кав по нарушению линейности части зависимости то на этой стадии развития кавитации может иметь место максимальное разрушение материала РК и соединительных трубопроводов. Фактическая кавитация возникает при расходах и перепадах давлений ниже точки отклонения расхода от линейного закона".

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа определения коэффициентов кавитации клапанов разных Dу при работе их в любом (без ограничения) диапазоне изменения чисел Рейнольдса с целью разработки бескавитационных РК.

Известно ([1], раздел 1.2), что первопричиной кавитации в любом местном сопротивлении и РК является процесс "схлопывания" с большой скоростью парогазовых пузырьков, образовавшихся в зоне проточной части с минимальным давлением, и выделением при этом большого количества энергии, что вызывает вибрацию элементов проточной части и корпуса РК. Т.е. наиболее достоверным способом определения как начала, так и характера изменения процесса кавитации является фиксация характера изменения вибрации РК.

Исходя из изложенного, для решения поставленной задачи предлагается способ определения начала кавитации в РК, заключающийся в том, что замеряются давления среды на входе и выходе клапана при фиксированном положении затвора РК и изменении перепада давлений на нем, в котором режимы проводятся при постоянных значениях давления среды на выходе РК с определением вибрационных характеристик клапана в функции перепада давлений на нем при гидродинамическом и кавитационных режимах, по координате отклонения которых друг от друга фиксируется соответствующий критический перепад давлений на клапане, по которому и значениям давлений на входе РК и насыщенных паров жидкости при температуре потока определяется фактическое значение коэффициента кавитации; способ, в котором режимы проводятся при постоянных значениях давления среды на выходе РК с определением дополнительно к вибрационным зависимостям уровней акустического шума клапана в функции перепада давлений на нем при гидродинамическом и кавитационных режимах, по координате отклонения уровней акустического шума друг от друга фиксируется соответствующий критический перепад давлений на клапане, по которому и значениям давлений на входе РК и насыщенных паров жидкости при температуре потока определяется фактическое значение коэффициента кавитации.

В первом из указанных режимов при определенном постоянном давлении р₂ на выходе из РК и изменении перепада давлений на нем за счет увеличения давления перед РК - фиг.1 (p₁) в бескавитационных режимах, фиксируется зависимость величин уровней вибрации L_в РК в функции перепада давлений на нем L_в = f(Δp). Аналогичная зависимость L_в = f(Δp) при неизменном положении затвора определяется в кавитационном режиме. Последний обеспечивается соответствующим уменьшением величины давления после РК (р₂).

По координате отклонения указанных зависимостей L_в = f(Δp) друг от друга определяется соответствующий ей критический перепад давлений на РК Δp_кав = (p₁-p₂). По значениям перечисленных выше параметров по нижеприведенной формуле (2) рассчитывается величина коэффициента кавитации Кса РК для заданного положения затвора.

Таким образом, при практической реализации предлагаемого способа в произвольно выбранной точке корпуса РК определяются на фиксированной частоте (например, f=10 кГц) функции вида:
L_в = f(Δp), (1)
где L_в - уровни вибрации в дБ;
Δp - перепад давлений на РК в кгс/см²
при:
- гидродинамическом режиме работы РК без кавитации;
- кавитационном (режиме) течении среды с фиксированным значением давления на выходе РК (фиг.2),
по координатам отклонения которых между собой, как отмечалось выше, фиксируются значения критических перепадов с последующим расчетом по этим данным коэффициентов кавитации Кса. Указанный расчет выполняется по формуле, структура которой аналогична формуле Стайлса, [2] стр.31:

где Кса - коэффициент кавитации, определяемый предлагаемым вибрационным способом;
p₁ и р₂ - абсолютные давления среды на входе и выходе РК, кгс/см²;
Δp_кав - предельный перепад давлений на РК, до которого имеет место бескавитационное течение, кгс/см²;
р_н - давление насыщенных паров жидкости при температуре потока, кгс/см².

На фиг.2 показан характер изменения зависимостей L_в = f(Δp) одного из РК (работающего в переходной области чисел Рейнольдса) при гидродинамическом (р₂≈30 кгс/см²) и кавитационных течениях среды (последние получены при фиксированных значениях давлений на выходе РК р₂=5,0; 10 и 20 кгс/см²).

Точки на кривой L_в = f(Δp), характеризующей гидродинамический режим течения в РК (описываемый логарифмическим уравнением), с которых начинается процесс кавитации, фиксируются как Δp_кав - предельный перепад давлений на РК, до которого имеет место бескавитационное течение. По полученным значениям p₁ и Δp_кав по формуле (2) определяется вибрационный коэффициент кавитации Кса.

При проведении рассмотренных выше режимов РК при гидродинамическом (бескавитационном) и кавитационном течении среды возникающая вибрация является первопричиной акустического (воздушного) шума L_а, создаваемого РК, величина которого для конкретного положения затвора РК и перепада давлений на нем может быть зафиксирована соответствующим измерительным микрофоном. Пример такой схемы замера уровня акустического шума приведен на рис.3-31, стр.104 работы [1].

Учитывая отмеченную зависимость уровней акустического шума от уровней вибрации РК, полученный в данном случае характер изменения зависимостей L_a = f(Δp) практически повторяет характер рассмотренных выше вибрационных зависимостей L_в = f(Δp). В качестве примера на фиг.3 приведены результаты определения вибрационных и акустических зависимостей L_в = f(Δp) и L_a = f(Δp) PK клетковой конструкции, в цилиндрической "юбке" затвора которого (в одной плоскости) реализовано 18 сопел М4. На фиг.3 шкала значений уровней акустического шума нанесена по оси ординат с левой стороны, а уровней вибрации - с правой. Экспериментально полученные точки зависимостей L_в = f(Δp) нанесены в виде точек и тонких линий, а для зависимостей L_a = f(Δp) в виде треугольников.

Анализ представленных на фиг.3 данных подтверждает следующее.

1. Характер изменения уровней акустического шума от перепада на PK L_a = f(Δp_po) при турбулентном потоке с достаточной для практики точностью описываются логарифмическими уравнениями, по структуре аналогичными, рассмотренными выше, для вибрационных кривых L_в = f(Δp_po) - уравнение типа (1).

2. Разница в положении зависимостей L_a = f(Δp_po) и L_в = f(Δp_po) по оси ординат фиг. 3 объясняется структурой выражений, по которым определяются величины уровней вибрационных и акустических колебаний.

3. Для фиксированных величин противодавления р₂ при увеличении Δp_po на PK с определенного значения перепада, определяемого как Δp_кав, появляется кавитация, обусловливающая увеличение не только вибрации, но соответственно и уровня акустического шума, величина которого увеличивается с ростом перепада давлений.

4. Учитывая эквидистантость зависимостей L_a = f(Δp_po) и L_в = f(Δp_po), а также то, что в соответствии с приведенной выше формулой Стайлса (2) численные значения коэффициентов кавитации Кса определяются только по параметрам давлений перед и после PK, возможно определение значений Кса по характеру кривых акустического шума L_a = f(Δp_po).
В случае данных фиг.3 значение критического перепада Δp_кав = (p₂-p₁) = 13,12 кгс/см², откуда соответственно Кса=0,69.

Необходимо еще раз отметить, что сам акустический шум является следствием вибрации корпуса испытываемого прибора и его составных элементов, т.е. вторичным критерием, что может вносить некоторую погрешность в получаемые результаты. Кроме того, корректность замера уровня акустического шума связана с трудностями, обусловленными возможными помехами и явлениями интерференции звуковых волн в измерительном помещении (что исключено при замере вибрационных характеристик). В то же время акустический способ определения численных значений коэффициентов кавитации Кса достаточно прост в реализации.

Изобретение относится к области гидравлики и предназначены для использования при разработке клапанов (РК) и гидравлической арматуры различного назначения, а также при исследовании гидравлических характеристик различных местных сопротивлений. Способ определения начала кавитации в регулирующем клапане заключается в том, что замеряются давления среды на входе и выходе клапана при фиксированном положении затвора и изменении перепада давлений на нем. Режимы проводятся при постоянных значениях давления среды на входе РК с определением вибрационных характеристик клапана в функции перепада давлений на нем при гидродинамическом и кавитационном режимах. По координате отклонения последних друг от друга фиксируется соответствующий критический перепад давлений на клапане. По критическому перепаду и значениям давлений на входе РК и насыщенных паров жидкости при температуре потока определяется фактическое значение коэффициента кавитации. Второй вариант определения фактического значения коэффициента кавитации повторяет все этапы первого способа, за исключением того, что вместо вибрационных характеристик клапана берется уровень акустического шума клапана. Указанные способы просты для клапанов различных условных проходов и конструктивного исполнения при работе их в любом диапазоне изменения чисел Рейнольдса с целью разработки бескавитационных РК. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения начала кавитации в регулирующем клапане, заключающийся в том, что замеряются давления среды на входе и выходе клапана при фиксированном положении затвора и изменении перепада давлений на нем, отличающийся тем, что режимы проводятся при постоянных значениях давления среды на входе РК с определением вибрационных характеристик клапана в функции перепада давлений на нем при гидродинамическом и кавитационном режимах, по координате отклонения которых друг от друга фиксируется соответствующий критический перепад давлений на клапане, по которому и значениям давлений на входе РК и насыщенных паров жидкости при температуре потока определяется фактическое значение коэффициента кавитации. 2. Способ определения начала кавитации в регулирующем клапане, заключающийся в том, что замеряются давления среды на входе и выходе клапана при фиксированном положении затвора и изменении перепада давлений на нем, отличающийся тем, что режимы проводятся при постоянных значениях давления среды на входе РК с определением уровней акустического шума клапана в функции перепада давлений на нем при гидравлическом и кавитационном режимах, по координате отклонения которых друг от друга фиксируется соответствующий критический перепад давлений на клапане, по которому и значениям давлений на входе РК и насыщенных паров жидкости при температуре потока определяется фактическое значение коэффициента кавитации.