Стрекалов А.В. Математические модели гидравлических систем для управления системами поддержания пластового давления

Подождите немного. Документ загружается.

151

Рис. 3.30. Классификация устройств по управлению потоком текучей среды (подкласс «IIeA» – с непрерывным теле-

скопическим движением затвора золотниковая)

152

Рис. 3.31. Классификация устройств по управлению потоком текучей среды (подкласс «IIeB» – с непрерывным

телескопическим движением затвора клапанная)

153

Рассмотрим основные отличия представителей ЗА в рамках данной

классификации.

На текущий момент наибольшее распространение получила ЗА ти-

па “I” (см. рис. 3.23, 3.24 – 3.26). Устройства этого типа относительно

просты в изготовлении и сравнительно более универсальны по сравне-

нию с ЗА типа “II”. Из классификации Молчанова Г.В. к типу “I” от-

носятся задвижки, кл

апаны, краны, заслонки. Как видно, в предлагае-

мой классификации тело активного элемента ЗА типа “I” в переходные

процессы выполняет движение, при котором расстояния между всеми

его точками остаются по-

стоянными (т.е. отсутствует

деформация), и центр масс

не изменяет своего поло-

жения (см. рис. 3.32). Тип

“I” представлен ЗА с ак-

тив

ным элементом, тело

которого является моно-

литным, твердым и практи-

чески недеформируемым.

Это один из основных при-

знаков данного типа.

Данный тип ЗА отлича-

ется от типа “II” своей

простотой, которая выра-

жается в относительно не-

сложном характере взаимо-

действия активного и пас-

сивного элементов. Разли-

чия между представителя-

ми эт

ого типа в основном

сводятся к различиям в

форме затвора и взаимодействии с седлом.

Рассмотрим основные представители данного типа. Тип – “I” не

имеет классов и сразу подразделяется на два биниподкласса – “IA” и

“IB” и интерподкласс “IC”.

а) б)

в) г)

Рис. 3.32. Представители типа “I”: а – клапан

тарельчатый; б – шиберная задвижка; в –

игольчатый клапан; г – заслонка

154

а) б)

Рис. 3.34. Схемы движения активных элемен-

тов: а – шаровой кран; б – шаровой клапан

На рис. 3.33 показаны три представителя типа I. Каждое из рассмат-

риваемых устройств соответствует виду “τ”, группе “О”, подгруппе

“2”.

На рис. 3.34 и 3.35 представлены соответствующие схемы движе-

ния активных элемен-

тов рассматриваемых

представителей.

Как видно из

представленных схем,

между рабочими по-

верхностями активно-

го и пассивного эле-

ментов шарового кра-

на в пе

реходные про-

цессы имеет место

трение – скольжение.

А при полном откры-

тии потока поверхности активного элемента не взаимодействуют с

текучей средой в отличие от рабочих поверхностей шарового клапана,

которые при полном открытии находятся под разрушительным воздей-

ствием потока текучей среды, а трение – скольжение между затвором

и седлом отсутствует. На примере этих п

редставителей легко оценить

четкую полярность их эксплуатационных показателей.

На рис. 3.35 изображен общий вид запорного устройства с шаро-

вым затвором. Это устройство относится к подклассу “C” типа “I”, так

как оно сочетает в себе признаки подкласса “А” и “В“. Однако эта ЗА

является более совершенной с точки зрения баланса положительных и

трицательных признаков. Взаимодействие затвора, выполненного,

а) б) в)

Рис. 3.33. Представители ЗА типа “I”: а – шаровой кран (IAτО2);

б – шаровой клапан (IBτО2); в – шаровая задвижка (ICτО2)

155

как и в предыдущих случаях, в виде шара, с седлами в момент пере-

крытия потока (см. вид а) соответствует подклассу “В“, так как трение

между элементами отсутствует, и активный элемент может садиться на

седло под действием энергии потока (что характерно для подкласса

“В“). Однако, характер движения затвора и отсутствие воздействия

по

тока на него при полном открытии свойственны подклассу “А“.

Сравним эксплуатационные показатели рассмотренной ЗА (см.

табл. 3.4). Из таблицы видно, что из первых 10 рассмотренных основ-

ных показателей шаровой кран и клапан имеют по 5 положительных и

5 отрицательных, что уравновешивает их с точки зрения выбора об-

ласти применения. Те же показатели характерны для их п

одклассов в

целом. Что касается подкласса “С“, как мы видим на примере шаровой

задвижки, то его показатели не уравновешиваются, причем положи-

тельных больше, чем отрицательных: 8/3. Это свидетельствует о со-

вершенстве такого рода ЗА. Однако наряду с нивелированием отрица-

тельных признаков подклассов “А“ и “В“ в подклассе “С“ появляется

новый о

трицательный признак: сложность конструкции (11-й показа-

тель).

а) б)

Рис. 3.35. Схема движения активного элемента шаровой задвиж-

ки конструкции автора, патент № 2825 от 24 июня 1994 г. Заявка

№ 94023966: а – закрытое положение; б – открытое положение

156

Таблица 3.4. Сравнительная характеристика шарового крана,

шарового клапана и шаровой задвижки

№

по-

каза-

теля

Наименование

показателя

Ша-

ро-

вой

кран

«A»

Ша-

ровая

за-

движ-

ка

«C»

Ша-

ро-

вой

кла-

пан

«B»

Поток при полном открытии

не воздействует на затвор

+ + –

Поток не изменяет направ-

ление движения при полном

открытии потока

+ + –

Отсутствие трения скольже-

ния между запирающими

элементами

– + +

Возможность работы на за-

грязненных жидкостях

– + +

Низкое значение коэффици-

ента местного сопротивле-

ния при полном открытии

+ – –

Отсутствие заклинивания

затвора

– + +

Малые строительные габа-

риты

+ + –

8 Надежное запирание потока

– + +

Возможность пропуска при-

боров через корпус

+ + –

10 Малые габариты по высоте

– – +

11 Простота конструкции

+ – +

Из приведенного следует, что представители подкласса “С“ явля-

ются интертаксонами к представителям подклассов “А“ и “В“.

Объекты, возникшие в результате человеческой деятельности, так

же, как объекты естественного происхождения, делятся на бинитаксо-

ны с равным количеством отрицательных и положительных признаков

(в нашем случае подклассы “А“ и “В“). Это равновесие нарушается в

157

объектах (интертаксонах), занимающих промежуточное положение, с

числом положительных признаков, превышающих число отрицатель-

ных признаков (подкласс “С“). На примере рассматриваемых предста-

вителей УУ в интерподклассе “С“, представленном в виде оригиналь-

ного технического решения, появляются новые отрицательные при-

знаки, которые нивелируются сужением области применения.

С точки зрения моделирования отдельных представителей ЗА сле-

дует от

метить, что сложность математического описания увеличивает-

ся в соответствии с усложнением конструкции УУ. Следовательно,

моделирование движения текучей среды сквозь ЗА подклассов “А“ и

“В“ в промежуточных положениях активного элемента будет проще,

нежели чем у представителей подкласса “С“.

При выборе УУ типа “I”, в первую очередь, следует руководство-

ваться распределением положительных и о

трицательных эксплуатаци-

онных показателей его подклассов, представленных в таблице 3.4.

Один из основных показателей подклассов ”А”, ”В” и ”С” – поло-

жение затвора при полном открытии потока, которое определяет массу

ЗА, габаритные размеры и потери напора на местные гидравлические

сопротивления. Известно, что клапанные ЗА массивнее и габаритнее

золотниковых и имеют больший ко

эффициент местного сопротивле-

ния (5 ≤ ζ ≤ 9) в сравнении с золотниковыми (0 ≤ ζ ≤ 0,5). Однако, тре-

ние – скольжение в запирающих элементах золотникового подкласса

ограничивает выбор рабочей текучей среды ТГС. Например, для за-

движек, работающих на подтоварной воде, следует предусматривать

смазку трущихся поверхностей затвора и седла.

Как следует далее по классификации (рис. 3.23), п

одклассы ”А”,

”В” и ”С” делятся на самодействующие и управляемые. Большинство

самодействующих ЗА (вид – “τ”) относятся к подклассу ”В” (клапан-

ные), так как они без какого-либо усложнения конструкции перекры-

вают поток с помощью его же энергии. Эти устройства просты и удоб-

ны для данного вида. Однако, они не могут бы

ть использованы для

самодействующего дросселирования потока, что обычно и видно на

примере регуляторов расхода и давления. Из табл. 3.4 следует, что для

таких устройств больше подходит подкласс ”А” (золотниковые). В

этом подклассе вида ”τ”, в отличие от вида ”σ”, предусмотрены раз-

личные конструкции и схемы управления затвором. В классификации

эти схемы не рассмат

риваются, так как они не имеют отношения к ха-

рактеру перекрытия потока и эксплуатационным показателям ЗА. Но

для математического описания объектов такого вида эти схемы нема-

158

ловажны, и поэтому будут, так или иначе, рассматриваться в разделе

4.5 – «Модели элементов технических гидросистем». Одна из таких

схем представлена на рис. 3.10 – а, б.

Виды ЗА подразделяются на две группы: “П“ – ЗА с активным эле-

ментом в виде плоского тела, и “О“ – ЗА с активным элементом в виде

тела вращения. Здесь осн

овное внимание обращается не столько на

форму самого затвора, сколько на вид поверхностей контакта его с

седлом. Рассмотрим несколько тел, представляющих активные эле-

менты типа “I“, т.е. твердые недеформируемые тела.

Наиболее часто встречаемым телом затвора является плоский диск

(рис. 3.36 – а), который может быть образован движением круга или

вращением пр

ямоугольника. Несмотря на двоякость образования его

формы, ЗА с таким затвором по предлагаемой классификации нужно

относить к группе “П“ – с плоским затвором. Это следует из вида по-

верхности контакта затвора с седлом: она является плоскостью, очер-

ченной границами запирающих элементов. Например, для клапана

типа КОП (IBσП1), используемого для предотвращения об

ратного

вращения ротора насосов ЦНС, эта поверхность будет выглядеть так,

как показано на рис. 3.37 – а, а для плоскопараллельной задвижки типа

«Лудло» так, как показано на рис. 3.37 – б.

Аналогично для тел – б и в (рис. 3.36) в классификации – IA*П3

(рис. 3.24), IВ*П3 (рис. 3.25) и IС*П3 (рис. 3.26). Символ «*» оз

начает

здесь и далее любую категорию классификации, в данном случае – вид

“σ” или “τ”.

а) б) в)

г) д) е)

Рис. 3.36. Тела активных элементов УУ типа “I“: группа “П“:

а – подгруппа “1“; б – подгруппа “2“; в – подгруппа “3“. Груп-

па

“О“: г – подгруппа “1“; д – подгруппа “2“; е – подгруппа “3“

159

а) б)

Рис. 3.37. Вид поверхностей контакта запи-

рающих элементов типа “I”: а – клапан типа

КОП; б – задвижка типа «Лудло»

ЗА с плоскими активными элементами наиболее проста для типа

“I“ и широко применяется в неответственных участках ТГС. Это свя-

зано с тем, что плоские поверхности твердых тел не обеспечивают на-

дежного запирания потока загрязненных или коррозионных сред.

Что касается ЗА группы “О“, то можно сказать, что она несколько

сложнее предыдущих, но и бо

лее универсальна. Все затворы этой

группы являются телами вращения, и поверхности контакта запираю-

щих элементов являются

поверхностями 2-го и

выше порядков. Для ЗА

IB*O1 эта поверхность

будет сферической, для

IA*О2 – конической, а

для IA*О3 – цилин-

дрической, причем на пас-

сивном элементе

поверхность контакта об-

разуется отпечатком

поверхности затв

ора, а на

активном элементе повер-

хность контакта может

охватывать как всю по-

верхность тела затвора,

так и ее часть в зависимо-

сти от степени его

свободы в корпусе. Так,

затвор шарового обрат-

ного клапана IBσО1

свободно изменяет свою

ориентацию и при

многократной посадке на седло всей своей поверхностью к

онтактирует

с ним. В отличие от IBσО1 поверхность затвора шарового крана

IABσО1 контактирует с седлами не полностью: верхний и нижний

полюса шарового затвора не контактируют с пассивным элементом ЗА

(см. рис. 3.34 – а).

Если проводить сравнительную характеристику ЗА группы “О“ по

подгруппам “1“, “2“ и “3“, то следует ис

ходить из двух факторов:

1. формы поверхностей контакта;

2. подкласса устройства.

160

Например, цилиндрическая поверхность (цилиндрический затвор)

является самым неудачным выбором затвора для подклассов “В“ и

“С“, однако является вполне приемлемой для подкласса “А“. В под-

классе “С“ цилиндрическая поверхность пока не используется.

Коническая поверхность (затвор в виде конуса или усеченного ко-

нуса) является наиболее приемлемой для подкласса “В“ и наибольшее

применение по

лучила в игольчатых клапанах IB*О2. В подклассе “А“

применяется в пробковых кранах. В подклассе “С“ до сих пор не ис-

пользуется.

Сферическая поверхность (шаровой затвор) является наиболее уни-

версальной среди предыдущих подгрупп и подходит для всех подклас-

сов типа “I“.

Тело затвора может также иметь сложную форму, не похожую на

баз

овые фигуры. Отмеченные ранее. ЗА с такими формами затвора

относятся к подгруппе “0“. Например, к подгруппе “0” относится за-

твор клапана конструкции Стрекалова В.Е., Стрекалова А.В., отмечен-

ный в статье 1997 г. в сборнике трудов «Новые технологии в разработ-

ке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений Западной Си-

бири» ка

к «Равнопроходный клапан для КНС систем ППД» [120].

Как было отмечено ранее, применяемые в гидросистемах ППД За-

падной Сибири клапаны типа КОП не отвечают требованиям надежно-

го запирания потока. В связи с этим в г. Нижневартовске стали актив-

но внедрять клапаны тарельчатые. Они надежно запирают поток, од-

нако, имеют высокий коэффициент мест

ного сопротивления

= 7–9.

Тогда был предложен новый клапан [120], который разработан ис-

ходя из минимизации потерь давления на местное сопротивление. Ос-

новная задача при разработке такого клапана состояла в определении

профиля (формы в вертикальном сечении) корпуса при заданном про-

филе затвора. Уравнение профиля обтекателя должно отвечать наибо-

лее благоприятному условию обтекания затвора потоком текучей сре-

ды с м

инимальными потерями давления на гидравлическое сопротив-

ление.

Поставленная задача упрощается, если будет задано уравнение не-

которой осевой линии MN, по которой можно определить профиль

корпуса и обтекателя (см. рис. 3.38).

Линия МN есть геометрическое место точек (c

, c

…) пересече-

ния нормалей к профилям обтекателя A

и корпуса B

, причем для

всех точек осевой линии (MN) A

и т.д.