II 1971 1 АВАРИЙНЫЙ КЛАПАН, РАССЧИТАННЫЙ НА БОЛЬШИЕ

УЧЕНЫЕ
Том
удк
II
ЗАПИСКИ
ЦАГИ
ом
1971
1
629.7.018.1
АВАРИЙНЫЙ КЛАПАН, РАССЧИТАННЫЙ НА БОЛЬШИЕ
РАСХОДЫ ГАЗА
А. Л. Искра, В. Е. Попов
Рассмотрена схема быстродействующего аварийного клапана на
большие расходы газа. Приведена методика расчета движения запи­
рающего органа (стакана) клапана. Приведены результаты испытания
клапана с диаметром проходного сечения 0,5 М. Показано, что резу ль­
таты испытания и расчета совпадают с достаточной для практики
точностью.
для аэродинамических труб периодического действия, работающих от балло­
нов высокого давления, существенной проблемой является предохранение эле­
ментов трубы от воздействия высокого давления. Предохранительные устройства
должны быть надежными и достаточно быстродействующими. Существующие типы
таких устройств не удовлетворяют указанным требованиям при больших величи­
нах расхода газа через предохранительное устройство: они либо инерционны
(весовые или пружинные
клапаны),
J
//J
либо ненадежны (разрывные диафрагмы). Предлагаемый в настоящей статье
двухседельный
быстродействующий
клапан
лишен
этих
недостатков.
Схема клапана представлена на
фиг. 1. Клапан состоит из корпуса {j
7
с выпускными окнами 3 и седлами 1
и 4, регулятора давления 8, трубки 10,
запирающего стакана 12 с опорными
о
кронштейнами 11 и 13, направляющих
роликов 2 и 9, амортизаторов 7.
В рабочем
положении
клапан
5
~
удерживается
силой
давления
газа в.
полости А, величина которого опреде-
.J
ляется соотношением диаметров верх­
него
и
нижнего
предельно
2
седла
и
допустимого
величиной
давления
в
полости Б. давление газа в полости А
поддерживается
с
помощью
давления
малого
8
и трубки
с
газгольдером.
10,
Клапан
давления
Фиг.
126
1
на
заданном
стандартного
уровне
регулятора
проходного
сечения
соединяющей полость А
срабатывает,
газа
на
стакан
если
со
сила
стороны
полости Б становится больше силы
давления газа со стороны полости А_
В атом случае стакан отрывается от гнезд и
под
действием
разности
атих сил
начинает двигаться вверх, открывая выпускные окна. Одновременно через щель
5, образованную верхним кронштейном 13 и боковой поверхностью корпуса, вы­
брасывается газ из полости А. При атом результирующая сила, действующая на
стакан, быстро растет, что и обеспечивает необходимое быстродействие клапана.
Как только давление газа в полости Б сравнивается с атмосферным, стакан
клапана под действием собственного веса занимает исходное положение.
Если. пренебречь силой трения
роликов
о направляющие корпуса клап ана,
то уравнение движения стакана клапана можно записать следующим образом:
(1)
-
Здесь т
масса стакана; х
седла клапана;
и Б; РА ,
FЕ -
время; Р А'
't -
-
координата, отсчитываемая вверх от верхнего
РЕ -
давление
газа соответственно в полостях А
площади стакана, на которые действует давление газа РАИ РЕ.
Давление газа в полости Б, соединенной с фор камерой трубы, за время откры­
тия
клапана
практически
не
меняется
и
его
можио
считать
постоянным.
Для определения давления в полости А воспользуемся уравнениями изме­
нения массы и анергии газа в объеме А. Уравнение изменения массы можно
записать
в
виде
d
di (р У) = Рщ V щ Fщ ,
(2)
г де р, V - плотность и объем газа в полuсти А, Fщ - постоянная площадь щеле­
вого зазора 5 (см. фиг. 1), Рщ, V щ - плотность и скорость газа в щелевом зазоре.
Процесс изменения состояния газа в полости А можно считать адиабатиче­
ским. В атом случае вместо уравнения изменения анергии можно воспользоваться
уравнением
изантропы
РА
= (~)X-l,
РА,
где
?t
=
2 -
C
v
(3)
То
отношение теплоемкостей газа при постоянном давлении и объеме.
Объем полости А определяется соотношением
V=
сота полости А.
Уравнения (1) -
мощью уравнения
РА (Н - х), где
Н-
вы­
(3) полностью описывают движение стакана клапана. С по­
(3)
и известного из газовой динамики соотношения
1
)х-l Ро a
pV=?t+1
(
RT *,
o
2
где а*
-
скорость звука в щели, уравнение
(2)
приводится к виду
(4)
Введем безразмерные переменные:
+
т=т
I-,- )X_~- ;I,(.:. . F_E_V,ао.: .
_H_(,-?t-=-+_2,-__
РЕ Р Е
1
)-'-1 VЕ а
:; _ ,~ (' -2,"1.
1
*_0-,-)_2
-F
*0,.
o
Fщ
Fщ =-;
РЕ
127
Тогда уравнения
(1)
и
(4)
примут вид:
(5)
(6)
в качестве примера на фиг. 2 и 3 (сплошные линии) представлены резуль­
таты решения уравнений (5) и (6) на ЭЦВМ дЛЯ зна чений Fщ = 1,04 ·10-'2; ~ =
= 1,14 и двух значений т = 590 и 360.
для проверки работоспособности клапана и справедливости выбранной схе­
мы расчета был испытан клапан с диаметром проходного сечения 0,5 м. В ходе
испытаний ИЗr.Jерялись давление газа в полостях А и Б и ускорение стакана кла­
пана. Результаты записывались с помощью
ность
в измерении
давления
составляла
шлейфового
около
в
3%,
осциллографа.
измерении
Погреш­
ускорения-
10-15%.
iii=JD!/
- t/z
!1i=,j'§//
--рuсvС'm
l' tiU;ш 2
tfё
1,0 .f +--+--f--т-~-"-'-r-,;.C.,I
.I
---.JlfсuС'рнмС'нm
•
Ji"
1,// .f +-+--+--,.-г-....-r-.н------1t, 4.
11.6 4.
-+---+--+-f--+-~---J
8,5 J
+---+--'!~'IP"4---J,f+--l
//J J
1.2
1.0
1I.4.1~~~~~~~H
11.4. 2
Il,d
11,1 /
1/1 I
11,5
8,6
-t--Ail"--t-~,~ --t7"7'~"""
//
//
Фиг.
На фиг.
стакана
~
2
и
клапана
3
i' D,1f
Фиг.
2
3
пунктирными линиями приведены зависимости скорости и хода
от
времени,
полученные
численным
интегрированием
осцилло­
грам ускорения .. Видно, что имеется некоторое расхождение между аксперимен­
тальными и расчетными кривыми. Однако величины максимальной скорости
стакана и время полного открытия
интерес
при
проектировании
клапана, которые
клапана,
совпадают
представляют наибольший
с достаточной для практики
точностью.
Приведенные расчетные и акспериментальные данные показывают, что пред­
ложенная схема клапана удовлетворяет требованиям, предъявляемым к предохра­
lIительным устройствам для аародинамических труб.
Рукопись поступила
3/IV 1970
г.