Методическое пособие 786

следования установлены гидравлические коэффициенты: местного сопротивления ζ, скорости φ, сжатия ε, расхода μ.

Рис. 1. Схема стенда для исследования гидравлических характеристик запорной пары при высоких давлениях: 1 — запорная пара; 2 —запорный кран; 3 — ротаметр 40 мм;

4 — ротаметр 15 мм; 5 — запорный кран; 6 — манометр; 7 — насос

Использование указанных приборов, элементов и методов исследования позволило разработать методику расчета запорной пары с проходным отверстием в форме изогнутой капли для водоразборной арматуры и получить статистически значимые и достоверные данные об изменении ее гидравлических характеристик.

2. Методика расчета площади проходного отверстия в форме изогнутой капли.

Расчетный расход воды через проходное отверстие в форме изогнутой капли определяется по формуле классической гидравлики:

где ω — площадь проходного отверстия запорного элемента; μ — коэффициент расхода проходного отверстия; g — ускорение свободного падения; H — напор перед запорным элементом.

Для условий регулирования целесообразно применять методику расчета площади проходного отверстия с учетом ее изменения в зависимости от степени открывания (от угла по-

61

Научный журнал строительства и архитектуры

ворота рукояти). Функциональная схема проходного отверстия в форме изогнутой капли представлена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема запорной пары с проходным отверстием в форме изогнутой капли:

a)положение «закрыто»;

b)положение «открыто» с поворотом на угол 1;

c)положение «открыто» с поворотом на угол 2

Условие формирования геометрических параметров проходного отверстия: OO1 = OO2 принято из необходимости симметричного (относительно оси вращения) расположения проходных отверстий в подвижном и неподвижном элементах. R1 = R2 приняты потому, что проходные отверстия должны быть одинаковы. R1 < OO1 и R2 < OO2, а также 2R1 < R и 2R2 < R приняты для обеспечения нахлеста между отверстиями в подвижном и неподвижном элементах.

ОО1 ОО2,

R1 R2,

R1 ОО1,

(5)

R2 ОО2,

2R1 R,

2R2 R.

Расчетная схема определения площади проходного отверстия представлена на рис. 3. Площадь полностью открытого проходного отверстия определяется по формуле

где ω — площадь полукруга АБС с радиусом R (рис. 3а); ωDEC — площадь криволинейного треугольника DEC; DO3E — площадь полукруга DO3E с радиусом R3.

Площадь полукруга ABC определяется по формуле

Площадь криволинейного треугольника DECопределяется по формуле

где ωOEC — площадь сектора OEC, образованного радиусом R1 и углом поворота луча (рис. 3a, b); ωODC — площадь криволинейного треугольника ODC, у которого сторона DC является дугой радиусом R1.

62

a)

b)

Рис. 3. Расчетная схема проходного отверстия в форме изогнутой капли

a) схема формы проходного отверстия; b) схема определения площади сектора OEC

Площадь сектора OEC определяется по формуле

Площадь криволинейного треугольника ODC определяется по формуле

Площадь полукруга DO3E определяется по формуле

63

Научный журнал строительства и архитектуры

При относительно небольших размерах проходного отверстия (применительно к водоразборной санитарно-технической арматуре R = 10−12 мм) и малом угле поворотаγ ≤ 10° (рис. 3) площадь криволинейного треугольника ωDEC составляет менее 1 % площади ω полукруга АВС. Пренебрегая малым значением площади криволинейного треугольника ωDEC, запишем уравнение (6) в упрощенном виде:

при определении расчетного расхода воды q по формуле (4).

При проектировании проходного отверстия в форме изогнутой капли и оптимизации его геометрических параметров необходим анализ изменения площади проходного отверстия в зависимости от его открывания (от угла поворота рукояти управления). Для решения указанной задачи площадь проходного отверстия определяется по формуле

Уравнение (13) позволяет определять параметры проходных отверстий запорных пар шайбового типа для вентилей и вентильных головок водоразборной арматуры любого назначения. При этом возможно два варианта решения задачи: 1) на основе имеющихся геометрических параметров определять площадь проходного отверстия; 2) задаваясь требуемой площадью, определять геометрические параметры проходного отверстия.

Таким образом, разработанное математическое описание позволяет определять площадь проходного отверстия запорного элемента шайбового типа для вентильных головок водоразборной арматуры различного назначения. Математическое описание позволяет решать обратную задачу: задаваясь площадью сечения, необходимой для пропуска требуемого расхода жидкости, определять параметры проходного отверстия.

По представленной методике авторами выполнен расчет площади проходного отверстия и ее геометрических параметров. В соответствии с расчетом изготовлены и испытаны опытные образцы. При проектировании запорной пары с плавно изменяющимся сечением проходного отверстия в форме изогнутой капли основное внимание уделено обеспечению минимального расхода воды при полностью открытом кране и давлении 0,05 МПа.

3. Экспериментальное исследование гидравлических характеристик проходного отверстия в форме изогнутой капли. Совершенствование регулирующей способности водоразборной арматуры является актуальной задачей и предполагает улучшение ее гидравлических характеристик. На основе теоретических и экспериментальных исследований авторами разработано техническое решение санитарно-технической водоразборной арматуры с высокими регулирующими характеристиками [7]. Запорный элемент водоразборной арматуры с проходным отверстием в форме изогнутой капли характеризуется технической новизной, а его гидравлические характеристики в настоящее время не изучены и представляют практический интерес для инженерных исследований.

Коэффициент местного сопротивления при истечении жидкости через отверстие определяется гидравлическими параметрами и геометрическими особенностями. Площадь проходного отверстия зависит от угла поворота запорного элемента вокруг центральной оси. В качестве геометрического фактора принято отношение площади проходного отверстия запорной пары к площади сечения трубы 0: n = / 0. Особенность проходного отверстия в форме изогнутой капли заключается в том, что его площадь всегда меньше площади трубы0, в которой оно расположено. Это необходимо учитывать при анализе получаемых результатов экспериментальных измерений и их сравнении с данными классической гидравлики.

64

Экспериментально установлено, что коэффициент местного сопротивления изменяется от ζmin = 24 при полностью открытом проходном отверстии (n = 0,22) до ζmax = 165787 при минимальной площади проходного отверстия (n = 0,01).

Коэффициент скорости изменяется от φmin = 0,0025 при минимальной площади проходного отверстия (n = 0,01) до φmax = 0,199 при полностью открытом отверстии (n = 0,22).

Одним из важнейших параметров расчета запорной пары плоского типа является коэффициент расхода . Коэффициент расхода μ изменяется в зависимости от давления Р и формы проходного отверстия [1].

В результате установлено, что коэффициент расхода на всем диапазоне опытных данных определяется по формуле

где Р — давление перед местным сопротивлением, МПа.

На основе анализа данных экспериментального исследования установлено, что при давлении Р = 0,05 МПа и полностью открытом проходном отверстии (n = 0,22) μmax = 0,205. При минимальной площади проходного отверстия (n = 0,01) коэффициент расхода

μmin = 0,011.

Из классической гидравлики известно, что коэффициент сжатия струи ε зависит от формы отверстия и давления перед ним и связан с коэффициентом местного сопротивления формулой

На основе анализа экспериментальных данных установлено, что для отверстия в форме изогнутой капли коэффициент сжатия при давлении P = 0,05 МПа изменяется от εmin = 0,171 при полностью открытом отверстии (n = 0,22) до εmax = 0,771 при минимальной площади проходного отверстия.

Главной гидравлической характеристикой запорного элемента вентильной головки является расход воды. Водоразборную арматуру проектируют так, чтобы при заданном давлении (как правило, Р = 0,05 МПа) и полностью открытом проходном отверстии запорного элемента был обеспечен требуемый (не менее 0,07 л/с) расход воды. Однако потребитель обычно регулирует подачу воды, устанавливая нужный ему расход. В процессе регулирования вода обычно не используется и удаляется в систему водоотведения. Так образуются потери воды в виде непроизводительных расходов. Чем больше времени затрачивается на регулирование, тем больше величина потерь воды. При более высоких давлениях перед водоразборной арматурой продолжительность регулирования увеличивается, и увеличиваются непроизводительные расходы воды. Следовательно, главной характеристикой запорного элемента является не только расход воды, но и его изменение в процессе регулирования — регулирующая способность.

Впроцессе исследования выполнен сравнительный анализ расходных характеристик вентильной головки с запорными элементами, имеющими различную форму проходного отверстия — секторов, сегмента и изогнутой капли (рис. 4).

Врамках настоящего исследования расходных характеристик водоразборной арматуры

спроходными отверстиями запорной пары уделено внимание оценке расхода воды при полностью открытом кране и давлениях Р = 0,05 МПа и Р = 0,3 МПа. На рис. 5 представлены диаграммы изменения расходов воды через проходные отверстия в форме секторов и сегмен-

65

Научный журнал строительства и архитектуры

та в зависимости от степени открывания (угла поворота рукояти). Диаграммы построены по средним значениям данных измерений, выполненных в соответствии с планом эксперимента.

Рис. 4. Вентильная головка и керамические запорные элементы:

a) вентильная головка: 1 — корпус; 2 — уплотнительное кольцо; 3 — запорный элемент; 4 — рукоять; 5 — поворотный шток; b) керамический запорный элемент с проходным отверстием в форме секторов; c) керамический запорный элемент с проходным отверстием в форме сегмента; d) керамический запорный элемент с проходным отверстием в форме изогнутой капли

Рис. 5. Изменение расходов воды в зависимости от открывания крана

Анализ диаграмм показывает, что расчетные расходы воды для запорных пар с проходными отверстиями в виде секторов и сегмента ниже требуемого по расчету минимального значения в среднем на 24 %. Характерной особенностью работы запорных элементов является наличие промежутка открывания, когда при повороте рукояти расход воды чрезвычайно мал. Этот промежуток открывания мы условно назвали «сухим ходом», который составляет около 20—30° поворота рукояти, после которого расход воды изменяется заметно для потребителя. Это особенно заметно на диаграммах при давлении Р = 0,3 МПа. Наличие так называемого сухого хода и резкого перехода к квадратичному закону увеличения расхода воды по мере открывания оказывает отрицательное влияние на регулирующую способность армату-

66

ры. Это можно объяснить тем, что потребитель поворачивает рукоять вентильной головки в ожидании воды, но на начальном участке хода ее не получает. В диапазоне поворота рукояти от 30° до 90° расход воды резко возрастает:

при давлении Р = 0,05 МПа:

для отверстия в форме сегмента — на 745 %, что составляет 12,4 % на один градус поворота рукояти;

для отверстия в форме секторов — 615 %, что составляет 10,2 % на один градус поворота рукояти;

при давлении Р = 0,3 МПа:

для отверстия в форме сегмента — на 1919 %, что составляет 31,9 % на один градус поворота рукояти;

для отверстия в форме секторов — 1756 %, что составляет 29,2 % на один градус поворота рукояти.

При дальнейшем открывании проходного отверстия расход воды изменяется:

при давлении Р = 0,05 МПа для отверстия в форме сегмента и в форме секторов — на 126 %, что составляет 1,4 % на один градус поворота рукояти;

при давлении Р = 0,3 МПа для отверстия в форме сегмента и в форме секторов — на 120 %, что составляет 1,3 % на один градус поворота рукояти.

Таким образом, при незначительном повороте рукояти вентильной головки расход воды резко увеличивается. При этом органы чувств потребителя не всегда позволяют ему адекватно реагировать на резкое увеличение потока воды, что приводит к непроизводительным расходам, которые увеличиваются с увеличением давления перед водоразборной арматурой.

Наиболее эффективной регулирующей способностью водоразборной арматуры является характеристика, при которой поворот рукояти вентильной головки приводит к линейному изменению расхода воды. На рис. 6 представлены диаграммы изменения расхода воды через проходное отверстие в форме изогнутой капли в зависимости от степени открывания (угла поворота рукояти). Диаграммы построены по средним значениям данных измерений, выполненных в соответствии с планом эксперимента.

Расчетный расход воды через проходное отверстие в форме изогнутой капли в среднем на 64 % больше требуемого по условию проектирования. В диапазоне поворота рукояти на первые 20° также характерно наличие сухого хода. После этого расход воды изменяется практически линейно. Линейное изменение расхода воды в зависимости от угла поворота рукояти вентильной головки (от открытия проходного отверстия) на всем диапазоне давлений в сетях внутреннего водопровода зданий позволяет потребителю значительно быстрее устанавливать необходимый расход воды с желаемой температурой.

При давлении Р = 0,05 МПа в диапазоне поворота рукояти от 30° до 90° расход воды возрастает на 492 % и составляет 8,2 % на один градус поворота рукояти, что на 51 % ниже, чем для проходных отверстий в форме секторов и сегмента.

При давлении Р = 0,3 МПа в указанном диапазоне поворота рукояти расход воды увеличивается на 396 % и составляет 6,6 % на один градус поворота рукояти, что на 55 % ниже, чем для проходных отверстий в форме секторов и сегмента.

В диапазоне поворота рукояти от 90° до 180° расход воды возрастает при давлении

Р= 0,05 МПа на 286 %, что составляет 3,2 % на один градус поворота рукояти. В указанном диапазоне поворота рукояти при давлении Р = 0,3 МПа расход воды увеличивается на 181 % и составляет 2 % на один градус поворота рукояти.

Таким образом, при открывании проходного отверстия (при повороте рукояти вентильной головки) в форме изогнутой капли расход воды увеличивается практически в линейной зависимости. Интенсивность нарастания величины расхода воды увеличивается при повышении давления, что вполне закономерно и соответствует принципам классической гидравлики истечения жидкости из отверстий в тонкой стенке.

67

Научный журнал строительства и архитектуры

Экспериментальная проверка водоразборной арматуры в эксплуатационных условиях показала ее высокую эффективность. Для домохозяйства из трех человек снижение водопотребления составляет 12—15 % в месяц при прочих равных условиях по сравнению с вентильными головками, имеющими запорную пару с отверстием в форме сегмента.

Выводы

1.Разработанная методика расчета запорной пары шайбового типа с плавно изменяющимся сечением проходного отверстия позволяет определять его площадь и геометрические параметры, а также, задаваясь значением расхода жидкости и геометрическими параметрами, определять требуемую площадь отверстия.

2.Стендовые испытания вентильной головки, снабженной плоской запорной парой с плавно изменяющимся сечением проходного отверстия показали высокую регулирующую способность арматуры, подающей воду с линейным изменением ее расхода в зависимости от открывания крана.

3.Установлены численные значения и закономерности изменения гидравлических характеристик истечения жидкости через разработанное отверстие в форме изогнутой капли

втонкой стенке для запорного элемента водоразборной арматуры.

4.Полученные гидравлические коэффициенты позволяют проектировать водопроводную арматуру с высокой регулирующей способностью.

5.При проектировании вентильных головок необходимо учитывать гидравлические характеристики не только отдельно взятой запорной пары, но и в комплекте изделия. Это позволяет определить геометрические параметры устройства, максимально соответствующие требуемым гидравлическим параметрам.

6.Проверка водосберегающей эффективности водоразборной арматуры в эксплуатационных условиях показала, что для семьи из трех человек экономия воды составляет 12— 15 % в месяц по сравнению с арматурой, в которой установлены плоские запорные пары с проходным отверстием в форме сегмента.

68

Библиографический список

1.Альтшуль, А. Д. Гидравлические сопротивления / А. Д. Альтшуль. — М.: Недра, 1982. — 224 с.

2. Квартенко, В. С. Экологические проблемы водоснабжения населения / В. С. Квартенко, А. П. Свинцов // Экология и промышленность России. — 2008. — № 9. — С. 24—27.

3.Кондратьев, А. С. Истечение жидкости из наружных цилиндрических насадков / А. С. Кондратьев // Вестник Московского городского педагогического университета. Сер.: Естественные науки. — 2010. — № 2. — С. 14—20.

4.Кузнецов, В. С. Влияние фаски на входной кромке отверстия в цилиндрическом насадке на его коэффициент расхода / В. С. Кузнецов, А. С. Шабловский, В. В. Яроц // Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Сер.: Машиностроение. — 2014. — № 5 (98). — С. 46—52.

5.Куличкова, Е. А. Снижение импульсной вибрации трубопроводной арматуры / Е. А. Куличкова // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. — 2016. — Т. 15,

№2. — С. 145—151.

6.Николаев, Н. А. Влияние местных сопротивлений на коэффициент истечения стандартной диафрагмы / Н. А. Николаев, А. Н. Сабирзянов, Р. А. Тырышкин, В. А. Фафурин, В. Б. Явкин // Законодательная и прикладная метрология. — 2010. — № 2 (105). — С. 20—23.

7.Пат. 2434170 Российская Федерация, МПК F 16 K 3/08. Вентильная головка / Свинцов А. П., Мукарзель С. А., Глебов Е. А., Шубин А. М., Щесняк Л. Е.; заявитель и патентообладатель Российский университет дружбы народов. — № 2010115956/06; заявл. 22.04.2010; опубл. 20.11.2011, Бюл. № 32. — 16 с.

№2. — С. 1—23.

9.Посохин, В. Н. К определению коэффициентов местных сопротивлений возмущающих элементов трубопроводных систем / В. Н. Посохин, А. М. Зиганшин, А. В. Баталова // Известия вузов. Строительство. — 2012. — № 9 (645). — С. 108—112.

10. Посохин, В. Н. К расчету потерь давления в местных сопротивлениях. Сообщение 1 / В. Н. Посохин, А. М. Зиганшин, Е. В. Варсегова // Известия вузов. Строительство. — 2016. — № 4 (688). — С. 66—73.

11.Рыбак, А. Т. Плоский клапан как элемент аппаратов автоматического регулирования и его коэффициент расхода / А. Т. Рыбак // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Сер.: Технические науки. — 2005. —

№3. — С. 3—4.

12.Рыбак, А. Т. Коэффициент расхода переменного гидравлического сопротивления типа «соплозаслонка» / А. Т. Рыбак, Р. А. Фридрих // Новые технологии управления движением технических объектов: сб. статей. — Новочеркасск, 2003. — С. 76—80.

13. Свинцов, А. П. Методика расчета вентильной головки для водоразборной арматуры / А. П. Свинцов, С. А. Мукарзель, Л. Е. Щесняк // Водоснабжение и санитарная техника. — 2013. — № 4. — С. 44—46.

14.Свинцов, А. П. Методика расчета площади проходного отверстия плоского клапана вентильной головки / А. П. Свинцов, С. А. Мукарзель, В. Н. Сученко, Е. А. Глебов // Водоснабжение и санитарная техника. — 2010. — № 4. — С. 40—42.

15.Фоминых, А. В. Определение гидравлических и кавитационных характеристик клеточного клапана / А. В. Фоминых, Е. А. Ильиных, И. Р. Чиняев, Е. А. Пошивалов // Вестник Курганской государственной сельскохозяйственной академии им. Т. С. Мальцева (Лесниково). — 2016. — № 1 (17). — С. 71—75.

16.Фоминых, А. В. Определение гидравлических характеристик запорно-регулирующих задвижек / А. В. Фоминых, Д. Н. Овчинников, И. Р. Чиняев // Аграрный вестник Урала. — 2013. — № 2 (108). — С. 27— 30.

17.Чиняев, И. Р. Определение пропускной характеристики задвижки шиберной запорно-регулирующей / И. Р. Чиняев, А. В. Фоминых, Е. А. Пошивалов, С. А. Сухов // Экспозиция Нефть Газ. — 2015. — № 2 (41). — С. 38—40.

18. Barringer, M. Manufacturing Influences on Pressure Losses of Channel Fed Holes / M. Barringer, K. A. Thole, V. Krishnan, E. Landrum // Journal of Turbomachinery. — 2013. — №136 (5). — Р. 051012-051012-10. — DOI: 10.1115/1.4025226.

19.Deo, R. Comparative Analysis of Turbulent Plane Jets from a Sharp-Edged Orifice, a Beveled-Edge Orifice and a Radially Contoured Nozzle [Электронный ресурс] / R. Deo // International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing Engineering. — 2013. — № 7 (12). — Р. 2584—2593. — Режим доступа: http://waset.org/publications/9996967.

20.Ghahremanian, S. Hear-field mixing of jets issuing from an array of round nozzles / S. Ghahremanian, K. Svensson, M. J. Tummers, B. Moshfegh // International Journal of Heat and Fluid Flow. — 2014. — Vol. 47. — P. 84—100. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2014.01.007.

69

Научный журнал строительства и архитектуры

DOI: https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2015.10.005.

22.Hussain, A. Discharge characteristics of sharp-crested circular side orifices in open channels / A. Hussain, Z. Ahmad, G. L. Asawa // Flow Measurement and Instrumentation. — 2010. — Vol. 21, Issue 3. — P. 418—424. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2010.06.005.

23.Hussain, A. Analysis of flow through lateral rectangular orifices in open channels / A. Hussain, Z. Ahmad, C. S. P. Ojha // Flow Measurement and Instrumentation. — 2014. — Vol. 36. — P. 32—35. — DOI: https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2014.02.002.

24.Hussain, A. Flow through lateral circular orifice under free and submerged flow conditions / A. Hussain, Z. Ahmad, C. S. P. Ojha // Flow Measurement and Instrumentation. — 2016. — Vol. 52. — P. 57—66. — DOI: https://doi. org/10.1016/j. flowmeasinst.2016.09.007.

25.Jog, C. S. Fluid Mechanics: Foundations and Applications of Mechanics / C. S. Jog. // Fluid Mechanics: Foundations and Applications of Mechanics. Vol. II. — 3 edition. — Cambridge UniversityPress, 2015. — Р. 1—570. — DOI: 10.1017/CBO9781316134030.

P. Marsik, P. Soudek, T. Hudcova, J. Syrovatka, T. Vanek // Water Practice and Technology. — 2015. — № 10 (3). — P. 564—572. — DOI: 10.2166/wpt.2015.065.

28. Svintsov, A. P. Method of Determining the Orifice Area of Valve Head Locking Pairs of Water Fittings / A. P. Svintsov, S. A. Mukarzel // Journal of Urban and Environmental Engineering. — 2016. — Vol. 10, № 1. — Р. 57—61. — DOI: 10.4090/juee.2016.v10n1.057061.

METHODS OF CALCULATING THE AREA

OF A THROUGH HOLE OF THE LOCKING ELEMENT OF VALVE HEADS AND DETERMINATION OF ITS HYDRAULIC CHARACTERISTICS

A. P. Svintsov1, N. K. Ponomarev2

Peoples' Friendship University of Russia (RUDN University) 1, 2

Russia, Moscow

1D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Architecture and Civil Engineering, tel.: 8-905-582-69-10, e-mail: svintsovap@rambler.ru

2PhD in Engineering, Assoc. Prof., Prof. of the Dept. of Architecture and Civil Engineering, tel.: (495)997-22-18, e-mail: ponomarev_nk@rudn.university

Statement of the problem. The task of calculating the area of a through hole having a smoothly varying shape (such as «a curved drop») made in a thin wall of a valve element of a valve head as well as determining the patterns of change and quantitative values of hydraulic characteristics of a liquid flowing through it is discussed.

Results. The method of the calculation of gate pairs having a smoothly varying shape of the hole that allows one to define the area and the geometrical parameters of the hole is developed. As a result of the study, the numerical values and patterns of change in the hydraulic characteristics of liquid flowing through a hole in the shape of «a curved drop» made in a thin wall of the locking element of valve head are identified. Regularities of change of the water flow rates are obtained and the flow characteristics of the valve head with shut-off elements having a different shape of through hole are compared.

Conclusions. The results of the study allow us to conclude about a significant supplyof a linear change in water consumption depending on the opening of the faucet locking element water valves with an aperture in the form of «a curved drop.» Hydraulic coefficients which were obtained allow one to design the plumbing fittings valve type with a high regulating capacity.

Keywords: water fittings, valve head, hydraulics, consumption, pressure, regulation, water saving.

70