Основы конструирования и расчета предохранительных устройств с пилотным управлением Арматуростроительный форум

Арматуростроительный форум
г. Москва, 14-16 апреля 2015 г.
Основы конструирования и расчета
предохранительных устройств с
пилотным управлением
Волков М.В.
1
Клапан предохранительный пилотный.
Технические характеристики АМ215.100.160.33Х1
1. Ду 100 PN160
2. Фланцы по ГОСТ 12815-80
3. Давление полного открытия 1,02
от давления настройки.
4. Давление закрытия 0,95 давления
настройки.
5. Коэффициент расхода по газу 0,83.
6. Давление рабочей среды до 160 атм.
7. Среды и диапазон температур:
Воздух, метан и др. неагрессивные газы
-40...+200 град.
или -60...100 град.
Агрессивные газы -20...+200 град.
2
Принцип работы пилотного предохранительного клапана
1. Давление во входном патрубке и
под колпаком равное – клапан
закрыт за счет разности площадей
седла и поршня
2. Давление поднимается выше
давления начала открытия и
открывается
выпускное
седло
пилота, а перепускное закрывается
и давление под колпаком падает –
поршень поднимается
3.
Давление
под
колпаком
определяет давление закрытия
основного клапана и как только оно
достигнуто затвор захлопывается.
4. Если за один цикл клапан не
может сбросить давление до
давления настройки, то цикл
повторяется
3
Устройство клапана
1 – Направляющее
кольцо
2 – Уплотнение поршня
3 – Корпус
4 – Пилот
5 – Поршень
6 – Золотник
7 – Седло
8 – Гильза
9 – Крышка
10 - Пружина
4
Устройство пилота
1 – Корпус
2 – Седло
3 – Гайка
4 – Уплотнительное кольцо
5 – Прокладка
6 – Винт стопорный
7 – Кольцо регулировочное
8 – Кольцо золотника
9 – Шток перепускного седла
10 – Опора
11 – Золотник
12 – Шток
13 – Пружина
14 – Крышка
15 – Винт регулировочный
16 – Гайка стопорная
17 – Колпак
5
Расчетная схема клапана
Примем давление закрытия
основного клапана равным
95% от давления настройки, а
давление полного открытия
больше на 2%
1.Условие
работоспособности
(1)
2.Давление закрытия
пилота
(2)
3. Равновесие золотника пилота
(3)
4.Сила от разности давлений в зеленой и красной ветках
(4)
5. Условие полного открытия основного клапана
(5)
6
Моделирование течения газа
Уравнение движения для любой скалярной величины
(1)
Уравнения сжимаемого газа
(2)
(4)
(5)
(6)
(3)
Закон сохранения энергии
Закон сохранения импульса
(8)
(7)
Уравнение непрерывности
(9)
Модель турбулентности – К-Е
(10)
(11)
(12)
(13)
7
Расчет усилия закрытия золотника основного клапана
1. Модель турбулентности K-Е
2. Среда – идеальный газ
(воздух)
3. Температура среды – 20 град.С
4. Граничные условия
Вход – полное давление 0,95*Pн
Выход – атмосферное давление
5. Цель – усилие на золотнике
8
Расчет коэффициента расхода
1. Модель турбулентности K-Е
2. Среда – идеальный газ (воздух)
3. Температура среды – 20 град.С
4. Граничные условия
Вход - скорость
Выход – полное давление
5. Цель – массовый расход через
клапан и полное давление на
входе
Плотность газа при рабочих условиях по ГОСТ 30319.1-96
(1)
Коэффициент расхода
(2)
9
Расчет коэффициента местного сопротивления
1. Модель турбулентности K-Е
2. Среда – идеальный газ
(воздух)
3. Температура среды – 20
град.С
4. Граничные условия
Вход - скорость
Выход - полное давление
5.Цель – полное давление на
входе
Коэффициент местного сопротивления
(1)
10
Расчет шума
1. Модель турбулентности K-Е
2. Среда – идеальный газ (воздух)
3. Температура среды – 20 град.С
4. Применена модель широкополосного шума
5. Цель – уровень звукового давления
11
Расчет корпуса основного клапана на прочность
1. Расчет половины
корпуса
2. Материал -12Х18Н9ТЛ
3. Температура 20 град.С
4. Нагрузка – давление
испытательное 240 атм
для входного патрубка, 60
атм для выходного
5. Закрепления –
фиксированный нижний
фланец и скользящий
верхний
6. Цель – эквивалентные
напряжения
12
Расчет усилия закрытия золотника пилота
1. Среда – идеальный газ (воздух)
2. Граничные условия:
Вход – давление, обеспечивающее закрытие основоного клапан на
0,95Рн – 10 Мпа
Выход – атмосферное давление
3. Цель - усилие не золотник пилота
13
Расчет корпуса пилота на прочность
1. Материал -12Х18Н9Т
2. Температура 20 град. С
3. Нагрузка – давление
испытательное 240 атм.
4. Закрепления –
фиксированный нижний
торец
5. Цель – эквивалентные
напряжения
14
Расчет времени срабатывания
Массовый расход через седло пилота
(1)
Масса газа в цилиндре в начальный момент времени
(2)
Масса газа в полости под колпаком после закрытия пилота
(3)
Время срабатывания
(4)
15
Сравнительная характеристика предохранительных
клапанов
Параметр
Температура
Давление начала открытия
Давление закрытия
Коэффициент расхода по
жидкости
Коэффициент расхода по газу
Диаметр седла
Габариты
Пилотный клапан
Пружинный
клапан
-40...+200 град. С
или -60...100 град. С
-60…600 град. С
Агрессивные газы -20...+200 град. С
1,02Рн
1,05-1,07Рн
0,95Рн
0,85Рн
-
0,6
0,83
=DN
-20% от пружинных
0,8
=0,4…0,7DN
100%
16
Спасибо за внимание
17