Исследование и разработка гидравлических регулирующих устройств с плавающим диском для регуляторов прямого действия

Интенсивное развитие комплекса отраслей, создающих техническую базу для автоматизации производства и управления, а также обострение проблемы экономии материальных и энергетических ресурсов обусловило возрастающую потребность в регулирующей и запорной арматуре для технологических линий и систем управления. Это вызвало быстрое развитие арматурной промышленности, которая, не успевая удовлетворять спрос народного хозяйства, ищет возможности создания новых регулирующих устройств, способных не только заменить старые, но и качественно превзойти их.

С увеличением удельного веса регулирующих устройств в оборудовании промышленных предприятий и с усложнением их функций изменяются требования, предъявляемые к этим устройствам со стороны потребителей. Особое внимание обращается на надежность, компактность, простоту обслуживания, стоимость и максимальную унификацию регулирующих устройств между собой.

Среди выпускаемой арматуры большой удельный вес имеют приборы и устройства, работающие без использования постороннего источника энергии. Высокая надежность, низкая стоимость, работа без высококвалифицированного обслуживания, простота наладки, монтажа и высокие метрологические характеристики таких регуляторов способствуют росту потребности в них в самых различных отраслях народного хозяйства. Среди этих приборов наиболее распространены устройства, осуществляющие непрерывные законы регулирования. Это регуляторы температуры, расхода, давления, уровня и т. д., которые стабилизируют регулируемые параметры путем дросселирования потока жидкости.

Основными потребителями регуляторов прямого действия являются газовая, нефтехимическая, нефтеперерабатывающая промышленности, дизелестроение, коммунальное хозяйство, строительство и др.

Увеличение добычи и транспортирования газа вызвало увеличение диаметров магистральных газопроводов, что, в свою очередь, вызвало потребность в регуляторах давления газа с большими диаметрами условного прохода. 35% добываемого в стране твердого топлива расходуется в настоящее время на отопительные нужды. Для снижения потребления в отопительных установках твердых видов топлива и мазута, существенно загрязняющих атмосферу, рекомендовано увеличить подвод к городам и поселкам природного газа, увеличить количество и номенклатуру газовых аппаратов, что влечет за собой увеличение потребности в регуляторах среднего и низкого давления газа.

СССР занимает первое место в мире по масштабам развития теплофикации. Потребление тепла в СССР каждые 15 лет удваивается. Учитывая, что при установке регуляторов температуры в системах теплофикации расход тепловой энергии сокращается более, чем на 20% [46], Госстроем СССР намечено повсеместно автоматизировать абонентские вводы. Поэтому потребность в регуляторах температуры для абонентских вводов возрастает в десятки раз.

В связи с высокими темпами развития дизелестроения и автомобильной промышленности потребность в регуляторах прямого действия для этих отраслей возросла за последние 3 года в 2 раза [69] .

Придавая большое значение вопросам повышения эффективности использования, надежности и качества регуляторов ЦК КПСС и СМ СССР приняли Постановления № 302−104 от 14.04.75 г., включающее разработку новых видов регуляторов с повышенным ресурсом. Приказом № 0074 от 19 ноября 1979 г. ряд работ по созданию новых видов регуляторов включены в план важнейших работ Минприбора. Эти обстоятельства обуславливают актуальность научных работ, направленных на дальнейшее развитие регуляторов прямого действия и исполнительных механизмов к ним.

Исходя из прогнозов развития отраслей потребителей, намечены основные направления научно-технического развития средств автоматизации, работающих без использования постороннего источника энергии:

— построение приборов на основе унифицированных типовых узлов, обеспечивающих общую технологическую базу и взаимозаменяемость;

— модернизация устаревших конструкций;

— расширение области применения приборов (расширение диапазона регулирования, повышение рабочих давлений, температуры регулируемой и регулирующей сред, повышение надежности);

— исследование и создание принципиально новых приборов.

Эти повышенные требования к автоматическим регуляторам привели к необходимости тщательного анализа возможных путей их развития. Одним из таких перспективных направлений оказалось использование в качестве регулирующего элемента плавающего диска.

Известно, что изменение параметров технологической среды осуществляется регулирующим органом, в качестве которого используются заслонки, клапаны, шиберы, золотники и т. д. Ввиду больших гидродинамических сил, воздействующих на регулирующий орган со стороны технической среды, для его перемещения используется жестко связанный с ним привод, который является промежуточным звеном между чувствительным элементом и регулирующим органом. Причем, при увеличении гидродинамических сил, воздействующих на регулирующий орган со стороны технологической среды, увеличивается и необходимая для его перемещения мощность.

Наличие жестких связей между приводом и регулирующим органом ставит ряд технологических трудностей, связанных с наличием трущихся поверхностей в направляющих регулирующего органа, и требует дополнительных источников питания для привода.

Использование плавающего диска в качестве регулирующего ор гана позволяет изменить схему построения регулятора, исключить жесткие связи между приводом и регулирующим органом и осуществить управляющее воздействие привода на регулирующий орган через технологический поток.

В настоящей работе рассматриваются результаты исследований, проведенных автором в процессе создания гидравлических регулирующих устройств с плавающим диском для регуляторов прямого действия.

На основе экспериментальных исследований выявлен характер распределения давлений на плоскостях диска, найдены зависимости, определяющие его гидравлические характеристики, и определены оптимальные геометрические соотношения дискового устройства.

Теоретические исследования послужили основой для разработки методики расчета и проектирования устройств.

Весь объем работы распределен по главам следующим образом.

В главе I дан обзор и анализ состояния гидравлических регулирующих устройств с дифференциальными элементами в качестве регулирующего органа, которые послужили преообразом рассматриваемого устройства, а также дан обзор литературы по методам их расчета.

В главе П изложены результаты экспериментального исследования гидравлических характеристик четырех вариантов моделей регулирующего устройства, выявлены параметры, влияющие на подъемную силу диска, и выведено уравнение статической характеристики устройства.

В главе Ш дан сравнительный анализ существующих численных методов расчета пространственных и плоских потоков жидкости в каналах са сложными криволинейными границами, выбран метод расчета и проведены теоретические исследования основных параметров дискового регулирующего устройства. Произведено сравнение экспериментальных и теоретических результатов.

В главе 1У приведен вывод дифференциального уравнения движения диска, определен вид переходного процесса и приведены результаты экспериментальных исследований динамических свойств дискового устройства.

В главе У приведены рекомендации по проектированию и методика инженерного расчета дисковых регулирующих устройств.

В главе У1 приведены данные о внедрении в производство и экономической эффективности результатов исследования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. На основе анализа и исследования предложен принципиально новый тип гидравлического регулирующих элемента в виде плавающего диска. Исполнительные механизмы, построенные на его базе, отличаются простотой, уменьшенными габаритами, большой надежностью и позволяют применять маломощные управляющие приводы.

2. Исследованы рабочие процессы формирования подъемной силы диска. Найдены оптимальные геометрические соотношения, обеспечивающие получение требуемых эксплуатационных характеристик.

3. Разработан метод расчета потока в проточной части дискового исполнительного механизма на основе метода конечных элементов. Метод реализован в виде комплекса ФОРТРАН-программ для ЭВМ серии ЕС и позволяет производить расчет потока практически для всех видов дисковых исполнительных механизмов. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными показало удовлетворительное совпадение характеристик потока.

4. Получено дифференциальное уравнение движения диска. Результаты расчета подтверждаются результатами эксперимента. При этом установлено, что дисковые исполнительные механизмы можно считать апериодическими звеньями первого порядка.

5. Рассмотрены наиболее важные для практики типы дисковых регуляторов температуры прямого действия. Дана методика их расчета и проектирования. 6. Результаты диссертационной работы использованы в НИИТехно-приборе при разработке ряда дисковых регуляторов температуры типа РТ-М-М по ТУ 25−10 (4С2.574.133)-81 взамен серийно выцускаемых Старорусским приборостроительным заводом регуляторов типа РТ-М, а также регуляторов типа РТ-2М взамен серийно выпускаемых Сафонов-' ским заводом «Теплоконтроль» регуляторов типа РТ. Регуляторы успешно прошли лабораторные, промышленные и междуведомственные испытания. Промышленное освоение регуляторов начато в 1982 г.

Ожидаемый экономический эффект составит не менее 1,5 млн.рублей.