Разработка метода контроля вибрации судовой трубопроводной арматуры по результатам испытаний модельных аналогов

Актуальность темы

.

Объективная необходимость повышения производительности труда и интенсивного наращивания темпов промышленного производства ставит целый ряд новых проблем и, как следствие, необходимость их безотлагательного и эффективного решения.

Из всего ряда проблем необходимо выделить задачу снижения, вплоть до полного исключения, нетерпимого искажения и деформации окружающей среды в производственной и бытовой сферах, в части шума и вибрации, приводящих к заболеваниям, физическому и эмоциональному напряжению и снижению эффективности, качества и производительности труда персонала.

Рост энерговооруженности предприятий, технологического оборудования, производственных мощностей, увеличение рабочих скоростей машин и механизмов приводит к значительному возрастанию шума и вибрации, в результате чего ухудшается здоровье человека [16], снижается производительность труда, происходит процесс нарастания акустического загрязнения производственной и систематически обитаемой среды.

Одной из важнейших проблем при этом является необходимость эффективного снижения вибрации и шума всего поставляемого на корабли и суда оборудования [45, 53]. Среди этого оборудования особое место занимают судовые трубопроводные системы. Это обусловлено тем обстоятельством, что судовые трубопроводные системы насыщены большим количеством разного комплектующего оборудования и элементов.

Снижение шума и вибрации, которыми сопровождаются различные регламентные режимы работы трубопроводных систем и оборудования, существенно улучшают условия работы и отдыха обслуживающего персонала, что является особенно важным при управлении и обслуживании оборудования кораблей, судов, технических средств общепромышленного назначения и атомной энергетики, являющихся объектами повышенной ответственности.

На основных эксплуатационных и экономичных режимах использования кораблей и судов акустический шум и вибрация в обитаемых помещениях и местах отдыха в значительной степени формируются за счет источников, связанных с работой механизмов, оборудования и трубопроводных систем. Снижение шумо-виброактивности современных судовых механизмов и создание эффективных средств их вибро и звукоизоляции [11, 12, 17, 21, 41, 74, 75, 76], а также вибродемфирования [19, 41] привели к тому, что вклад трубопроводных систем в формирование вредных акустических воздействий на современных плавсредствах становится определяющим.

В состав любых, эксплуатируемых на кораблях и судах трубопроводных систем, входят источники (насосы, вентиляторы, компрессоры и т. п.), сообщающие проводимой среде необходимую энергию, потребители (механизмы, оборудование, теплообменные аппараты и т. д.), использующие эту энергию, и сеть трубопроводов, по которым эта энергия от источников передается к потребителям. В судовых трубопроводах, естественно, применяется соответствующая трубопроводная арматура, регулирующая режимы работы системы, а также, при необходимости, изменяющая параметры проводимой среды (давление, температура, расход) т. е. энергосодержание.

Целенаправленные работы по снижению виброактивности машин и механизмов, входящих в состав судовых трубопроводных систем [12, 37, 53, 59, 60, 83, 85], привели к тому, что виброактивность систем на современных и, тем более, перспективных кораблях и судах в основном определяется виброшумовыми характеристиками их элементов, в первую очередь, характеристиками трубопроводной арматуры. Виброактивность этих элементов формируется при взаимодействии транспортируемой среды с обтекаемыми внутренними поверхностями деталей и элементами проточной части.

Акустическая энергия, излучаемая элементами трубопроводных систем в сопрягаемые конструкции и окружающее пространство, обусловлена следующими, принципиально различными процессами:

— образованием турбулентных пульсаций давления (ТПД) в пограничном слое проточной части изделий;

— взаимодействием поля турбулентных пульсаций давления с обтекаемыми внутренними поверхностями и формированием поля динамических сил, действующих на эти поверхности;

— возбуждением вибрации и гидродинамического шума в трубопроводных системах и в комплектующем их оборудовании;

— распространением акустического возмущения как по структурному, так и по жидкостному трактам трубопроводных систем и взаимодействием их между собой;

— излучением акустической энергии в окружающее пространство.

Эти процессы можно условно поделить на две группы:

— первая группа — процессы, свойственные любым источникам в системе, т. е. это процессы, приводящие к возбуждению в машинах и механизмах вибрации и гидродинамического шума, их распространение по трубопроводам и излучение в окружающее пространство;

— вторая группа — процессы, связанные с формированием полей скоростей турбулентных пульсаций давления и динамических сил при обтекании акустически невозмущенной проводимой средой поверхностей деталей проточной части трубопроводной арматуры.

Первая группа процессов в настоящее время изучена достаточно полно.

Исследования собственно насосов, вентиляторов, а также машин и механизмов, входящих в состав трубопроводных систем, как источников механических колебаний, гидродинамического и воздушного шума проводились Г. А. Хорошевым, Ю. И. Петровым, а также другими авторами в ряде работ [20, 42, 61, 82, 83].

Многочисленные результаты выполненных исследований позволили E.H. Афонину и К. С. Новожилову разработать метод прогнозирования уровней гидродинамического шума центробежных насосов по их известным энергетическим параметрам [4], что позволило на стадии проектирования оценить вклад данного параметра в общую шумовую картину.

Вибрация трубопроводов под действием акустического возмущения рассматривалась в работах [9, 10, 43, 67, 84].

Взаимодействие между собой акустического возмущения, распространяющегося в трубопроводах по жидкостному и структурному трактам, рассматривалось в ряде опубликованных работ В. И. Голованова, C.B. Будрина, Я. А. Кима, Э. Г. Берестовицкого, Ю. Н. Завьялова и других авторов в статьях и монографиях [13, 14, 22, 31, 35, 36, 85]. Ими же предложены некоторые средства и мероприятия, направленные на снижение акустической энергии, распространяющейся по трубопроводам судовых систем [15, 48, 66].

Вторая группа процессов имеет самостоятельное значение, закономерности их формирования в настоящее время до конца не разработаны и недостаточно изучены.

Сравнительно недавно начали исследоваться вопросы проявления акустического возмущения при наружном обтекании поверхности каких-либо конструкций. Спектр мощности турбулентных пульсаций давления в пограничном слое при обтекании несжимаемой средой гладких бесконечных пластин получен A.B. Смольяковым и В. М. Ткаченко на основании обобщения большого количества опытно-экспериментальных данных [69, 70, 71].

Динамическое взаимодействие потока с обтекаемыми поверхностями конструкций определяется распределением поля турбулентных пульсаций давления, которое характеризуется взаимным пространственным спектром мощности. Потому объектом исследований является взаимный пространственный спектр мощности турбулентных пульсаций давления пограничного слоя, описание которого также базируется на обобщении известных экспериментальных данных.

Акустическое возмущение, формируемое полем турбулентных пульсаций давления при обтекании поверхностей с некоторыми «простыми» неоднородностями, вызывающими деформации потока, отрывное его течение исследовалось различными авторами, в основном, экспериментально [26, 90].

Для систематизации и возможного обобщения большого объема результатов экспериментальных исследований течений в каналах сложной формы рассматривались возможные критерии подобия, в частности, критерии Рейнольдса [91] и Фруда [65, 89], при этом было показано, что область их применения весьма ограничена.

Только после того как в экспериментальных установках удалось в канале с неоднородностями уменьшить шум собственно потока (так называемый «псевдозвук»), возбуждаемого скачкообразным изменением давления на препятствии, были проведены первые исследования зарождения звуковых волн при наличии и отсутствии препятствий потоку транспортируемой среды. В работах [89, 90] было экспериментально доказано существование звуковых волн, порождаемых турбулентностью в отрывных струях в трубе вниз по потоку позади внезапного увеличения площади поперечного сечения, то есть на выходе традиционно используемой в трубопроводах дроссельной шайбы.

Полученные Э. Г. Берестовицким и В. И. Головановым результаты экспериментальных исследований полей турбулентных пульсаций давления в проточных частях некоторых элементов судовых систем, приведены в [6].

Методы оценки спектра мощности турбулентных пульсаций давления в проточных частях типовых элементов трубопроводных систем предложены С. В. Будриным и В. И. Головановым в работах [13, 14].

Результаты выполненных исследований показали, что снижение акустической энергии, формирующейся в элементах трубопроводных систем при течении в них акустически невозмущенной среды, возможно только совершенствованием проточных частей. При этом в первую очередь необходимо принять меры для исключения возможной кавитации в проточных частях различных элементов трубопроводных систем. Возможные меры по устранению кавитационных явлений в проточных частях рассмотрены в работах [3, 51, 52, 58, 62, 63].

Ряд предложений по созданию перспективных конструкций трубопроводной арматуры предложен В. И. Головановым, С. В. Будриным, Ю. Н. Завьяловым и другими авторами [15, 48].

Основные направления создания современной и перспективной арматуры предложены в работах [28 — 35].

Энергию, излучаемую всеми элементами систем, в том числе и арматурой, необходимо учитывать при расчетах воздушного шума и вибрации на постах и в обитаемых помещениях кораблей и судов. Это требует создания методов не только расчета, но и контроля вибрационного возмущения трубопроводной арматуры, обусловленного протекающей по ней акустически невозмущенной проводимой средой.

Создание малошумной трубопроводной арматуры невозможно без наличия современной стендовой базы, которая позволяет проводить поиск и всестороннюю отработку технических решений, а также достоверный контроль спецификационных и виброакустических характеристик разработанных изделий [7, 8].

Для этого во всех основных центрах были созданы специализированные стенды для исследований, контроля и сдачи как спецификационных, так и виброакустических характеристик арматуры.

Первично были созданы гидравлические стенды на основных предприятияхпоставщиках арматуры. На базе НПО «Аврора» был создан насосный стенд, а на базе ЦКБ «Знамя Октября"-головного разработчика различной судовой трубопроводной арматуры (в настоящее время КБ «Армас» ОАО «ЦТСС») — расходный стенд вытеснительного действия [73]. По мере роста объёмов, габаритов, параметров проектируемой арматуры и её производства номенклуры контролируемых изделий, аналогичный стенд был создан на базе ОАО «ПО «Севмаш» .

Возможности этих стендов позволяют проводить исследования значительного состава судовой трубопроводной арматуры, подлежащей контролю на соответствие заданным жестким виброшумовым характеристикам (ВШХ).

Однако необходимо отметить реальную потребность судостроения в так называемой болынепроходной судовой арматуре, которую невозможно проконтролировать на существующих в отрасли стендах. В первую очередь это относится к болынепроходной арматуре [37], то есть к арматуре большого условного прохода БМ > 200, которую невозможно смонтировать для проведения отработки, испытаний и проверок на существующей в отрасли стендово-испытательной базе.

Вопрос контроля такой трубопроводной арматуры, которую невозможно проконтролировать на существующих стендах, требует разработки специальных методов или создания новых дорогостоящих современных, технически оснащенных стендов. Разработка методов контроля таких изделий возможна лишь на основе совместного моделирования как гидродинамических параметров потока, так и механических характеристик проточной части.

Именно это и обуславливает актуальность настоящей работы.

Вопросы моделирования гидродинамических параметров потока с применением критериев подобия известны достаточно давно [1, 2, 26, 40, 46, 88], однако в литературе практически отсутствуют сведения о возможности моделирования спектров мощности турбулентных пульсаций давления в «каналах» сложного, переменного по сечению профиля.

Вопросы моделирования механических структур достаточно полно изучены [41, 47, 68, 87]. Однако в этих работах не рассматривается вопрос возможного моделирования механических колебаний деталей проточной части арматуры. Эти колебания возбуждаются полем динамических сил, которое распределено по всей внутренней обтекаемой поверхности изделия. Оно обусловлено турбулентными пульсациями давления, которые формируются при взаимодействии корпуса и потока акустически невозмущенной транспортируемой среды.

Решение этих задач в значительной степени усложнено отсутствием достаточного объема экспериментальных исследований, описывающих закономерности течения в каналах сложной формы.

В обеспечение решения этих вопросов предложено отрабатывать профиль проточной части болынепроходной арматуры на маломасштабных моделях, добиваясь при этом максимально возможного снижения коэффициента гидравлического сопротивления [34, 35]. После такой отработки проточной части необходима отработка методики пересчета уровней вибрации с модельных образцов на полномасштабные натурные образцы.

Настоящая работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованиям гидродинамических и вибрационных характеристик общесудовой трубопроводной арматуры различного условного прохода, выявлению связи между этими характеристиками при различных скоростях потока транспортируемой среды, обоснованию возможности пересчета вибрационных характеристик с модельного на натурный образец и разработке на этой основе метода контроля характеристик болыпепроходной арматуры.

Цель работы.

Целью данной работы является научное обоснование и разработка метода контроля вибрации судовой трубопроводной арматуры по результатам испытаний и проверок модельных аналогов.

Для достижения указанной цели в работе было выполнено следующее:

— на основе анализа характеристик, параметров изделий и стендовой базы определены предельные параметры судовой арматуры, которая может быть испытана на существующих стендах;

— уточнена физическая модель связи среднеквадратичной вибрации арматуры с усредненными по внутреннему объему параметрами турбулентных пульсаций давления проводимой среды;

— предположена и экспериментально подтверждена независимость связи между вибрацией корпуса арматуры и турбулентными пульсациями давления в потоке проводимой среды от среднерасходной скорости её потока;

— спроектированы и изготовлены маломасштабные модели судовой арматуры для проведения экспериментальных исследований;

— экспериментально исследованы и проанализированы механические характеристики корпусных конструкций различной судовой трубопроводной арматуры;

— разработан метод контроля вибрации судовой арматуры, основанный на результатах испытаний масштабных образцов.

Объект исследований.

Объектом исследований является общесудовая трубопроводная арматура различного типа и назначения.

Методологическая и теоретическая оценка исследования.

Методы расчета, примененные в работе, основаны на использовании традиционного математического аппарата и законов физики.

Экспериментальные исследования вибрационных характеристик арматуры проводились по действующим аттестованным и многократно опробированным методикам и программам с применением современной измерительной и анализирующей акустической аппаратуры. Обработка результатов выполнялась на персональных компьютерах, с применением современных программных продуктов.

Достоверность и обоснованность полученных экспериментальных результатов обеспечена их внутренней непротиворечивостью, повторяемостью, а также воспроизводимостью на различных стендах.

Научная новизна.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в том, что впервые получены следующие результаты:

1. Уточнена и экспериментально опробирована физическая модель связи среднеквадратичной вибрации арматуры с усредненными по внутреннему объему параметрами турбулентных пульсаций давления проводимой среды.

2. Подтверждена и многократно опробирована обширными экспериментальными данными независимость связи между вибрацией в проточной части арматуры и турбулентными пульсациями давления от скорости потока проводимой среды.

3. Предложен и успешно применён метод определения вибрационных характеристик арматуры по результатам испытаний модельных аналогов.

Практическая значимость работы.

При непосредственном участии автора был разработан, выпущен и согласован с заинтересованными предприятиями ряд руководящих документов, регламентирующих порядок определения вибрационных и гидравлических характеристик типовых представителей судовой арматуры на базе результатов испытаний отдельных модельных образцов:

— «Временная методика определения уровней ВШХ затворов переборочных ДЫ 150 — 350 на базе результатов испытаний типового представителя», выпуск 33 665 ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова;

— «Методика определения ВШХ малошумных дроссельных устройств на основе результатов испытаний отдельных представителей», выпуск 38 988 ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова;

— «Методика расчетно-экспериментальной оценки гидравлических характеристик болыпепроходных малошумных дроссельных устройств разработки СМП», ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова.

Под руководством и при непосредственном участии автора был выполнен большой объем работ по созданию болыпепроходных малошумных захлопок главных циркуляционных трасс. Результаты их испытаний полностью подтвердили правильность предложенных методов их создания.

Практическая значимость выполненной работы подтверждена соответствующими актами, которые приведены в приложении.

Основные положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

1. Уточненная физическая модель связи среднеквадратичной вибрации арматуры с усредненными по внутреннему объему параметрами турбулентных пульсаций давления в проводимой среде.

2. Результаты экспериментальных исследований связи между гидравлическими характеристиками потока проводимой среды и механическими характеристиками проточной части арматуры.

3. Метод пересчета вибрации болынепроходной трубопроводной арматуры с масштабного модельного образца на натурный образец, созданный на базе выполненных экспериментальных исследований.

Апробация работы.

Диссертационная работа заслушана и одобрена 22 февраля 2012 г. на расширенном заседании научно-технического совета ОАО «ЦТСС».

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

— секции научно-технического совета конструкторского бюро «Армас»;

— расширенном заседании научно-технического совета открытого акционерного общества «Центр судостроения и судоремонта» (ОАО «ЦТСС»).

Результаты работы докладывались и обсуждались на двух отраслевых конференциях и заседаниях научно технического совета.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано четыре статьи, из них одна в рецензируемом научном журнале, одна в соавторстве, доля автора не менее 50%. Результаты были опубликованы в материалах НТС и в материалах конференции предприятий судостроительной отрасли.

8. Основные результаты работы нашли внедрение в разработанных ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова» документах:

8.1 «Временная методика определения уровней ВШХ затворов переборочных flN 150 — 350 на базе результатов испытаний типового представителя», выпуск 33 665 ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова»;

8.2 «Методика определения ВШХ малошумных дроссельных устройств на основе результатов испытаний отдельных представителей», выпуск 38 988 ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова»;

8.3 «Методика расчетно-экспериментальной оценки гидравлических характеристик болыпепроходных малошумных дроссельных устройств разработки ОАО «ПО «Севмаш»;

8.4 При определении вибрационных характеристик захлопок DN 300, 400 и 750 для проектов ОАО «ЦКБ МТ «Рубин» и ОАО «СПМБМ «Малахит»;

8.5 При создании типоряда переборочных затворов диаметром условного прохода от DN 150 до DN 350 для систем вентиляции и кондиционирования воздуха.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненная работа направлена на совершенствование методов определения вибрационных характеристик современной и перспективной болыпепроходной судовой трубопроводной арматуры, характеристики которой не могут быть определены на существующей в настоящее время стендовой базе.

Проведенные исследования позволили получить качественно новые результаты и сделать ряд выводов, которые в основном сводятся к следующему:

1. Проанализированы возможности существующей в настоящее время стендовой базы, предназначенной для исследований и контроля вибрационных характеристик современной и перспективной судовой трубопроводной арматуры, по результатам анализа показано, что существуют отдельные виды арматуры, вибрационные характеристики которой не могут быть экспериментально определены на имеющейся в отрасли стендовой базе.

2. Выдвинуто и обосновано предположение, что связь между усредненными по всему внутреннему объему проточной части арматуры значениями турбулентных пульсаций давления и вызываемой ими вибрацией является постоянной величиной, т. е. величиной, которая не зависит от скорости движения проводимой среды.

3. Разработаны и изготовлены модели, на которых проведены собственные экспериментальные исследования связи между уровнями турбулентных пульсаций давления в проводимой среде и уровнями вызываемой ими вибрации арматуры. Исследования такой связи проводились на проводимой среде «вода» на различных стендах при разных скоростях потока проводимой среды.

4. Выполненный анализ известных и вновь полученных результатов показал: экспериментально полученные результаты подтверждают отсутствие закономерной зависимости связи между уровнями турбулентных пульсаций давления в проводимой среде и уровнями вызываемой ими вибрации арматуры от скорости потока проводимой среды. То есть связь между уровнями турбулентных пульсаций давления в проводимой среде определяется только механическими характеристиками корпуса.

5. Показана возможность определения механических характеристик корпуса арматуры по результатам испытаний геометрически подобных маломасштабных моделей.

6. Предложено определять вибрационные характеристики болыпепроходной арматуры расчетно-экспериментальным методом, используя в качестве исходных данных результаты вибрационных испытаний геометрически подобных маломасштабных моделей такой арматуры.

7. Разработаны основные принципы метода расчетно — экспериментального определения уровней вибрации болыпепроходной судовой трубопроводной арматуры, которые подтверждают корректность сопоставления расчетных и экспериментально полученных результатов.