Численное моделирование поршневых насосов и пневматических двигателей
Жидкости / Обработка твердых тел
Моделирование позволяет обеспечить надлежащего проектирования и производительность. Проверки могут быть сделаны за возможные проблемы, такие, как кавитация, и насос и система может быть изменена в целях предотвращения неприятностей.
Пневматических насосов наблюдался значительный рост использования в последние годы. Есть два основных типа: пневматический поршень и мембранные насосы. Такие насосы обеспечивают значительные преимущества по сравнению Электрический мотор driven насосы. Эти функции включают в себя:
- Насосы могут быть включены или выключены с регулирующим клапаном. Они не перегреваются, и не они нуждаются в обход или мощность, когда отключается.
* Пневматических поршневых насосов могут перекачивать вязкие жидкости свыше Я млн. СПЗ при давлениях до 50 раз предложения атмосферного давления. Пневматические мембранные насосы, как правило, применяются жидкости низкой вязкостью (примерно до 10 000 сП) и давление равно давлению поставки воздухе.
* Скоростей жидких относительно низком уровне при помощи насоса и меньше деградации сдвига чувствительных жидкостей по сравнению с центробежных насосов.
* Диафрагма насосы классифицируются как без уплотнений насосов.
Пневматические двигатели состоят из одно-или многоступенчатой воздушного клапана и две воздушные камеры, которые поочередно заполнить и измученный воздух под высоким давлением (например, 100 фунтов на квадратный дюйм). Воздушный клапан может быть сконфигурирован для обработки потоков, которые: (1) поочередно подключен к воздушной камере, а затем исчерпаны в атмосферу, или (2) всегда подключен к источнику питания или воздуха в атмосферу.
Диафрагма и поршневые насосы могут быть смоделированы аналогичным образом. Диафрагма типов, как правило, размера так, что воздух действует на той же площади, как в жидкости разделе. Таким образом, мембранные насосы обычно достижения максимального давления жидкости равно давлению наддува воздуха. Поршневые насосы часто используют меньше рабочей области в разделе жидкости, чем в воздушной секции. Этот район разница используется для получения более высокого давления отношения с соответствующим сокращением в потоке жидкости за один такт.
Работы поршневых насосов и двигателей воздушных производит нестационарных потоков в страну и из различных камер. Чтобы размер клапанов, внутренних проходов и камер, в насос и двигатель воздуха, численная имитационная модель является полезным. Камеры и клапана размеров, а также геометрию различных внутренних пути потока, играют важную роль в оптимизации производительности. Расход связанных неустойчивости могут возникать из-за неправильного дизайна в воздухе двигатель, насос, или обоих.
Уравнений для нахождения параметров системы, которые представлены здесь, взяты из основных термодинамики, механики жидкости и кинематики. Ключевым моментом для инженеров-технологов в том, что численное моделирование правильный подход для исследования динамики reciprocatingpump и взаимодействия с насосных систем (например, вибрации).
Там может быть взаимодействие между насосом и systemthat производить пульсаций давления, кавитации и неисправности клапанов и других компонентов. Имитационная модель представлена здесь, что включает в себя одного насоса в простой системе с переменным размером входе-andoutlet и длины. В общем, пневматических насосов на довольно низком уровне энергии насосы (т. е. менее чем о 50 л.с.) и зачастую не работали параллельно из-за пульсации взаимодействий.
Насосы и работе двигателя
Диафрагма и поршневые насосы могут быть смоделированы аналогичным образом. Оба используют поршневых двигателя, который содержит воздух клапан, который попеременно герметиков и выхлопа объемы по обе стороны от пневматического поршня (или диафрагмы). Одностороннего действия насоса разрядов жидкости на один удар и проходит всасывания (заполнения) процесс с другой стороны, в то время как двойного действия насос насос и инсультов. Поршневой насос может быть одно-или двойного действия. Двойной мембранный насос содержит диафрагмы в два насосных камер (рис. 1). Каждая камера одностороннего действия.
Дважды мембранного насоса
Мембранного насоса на рисунке 1 показана с диафрагмами движущихся по левому краю. В этой части цикла, жидкостную камеру 1 исполняет. Впускной клапан проверить в этой жидкости камера закрыта, а ее выполнять обратный клапан открыт, в то время как вторая камера заполнения. Воздух камеры 1 в стадии наполнения сжатым воздухом, и воздушные камеры, 2 переносится в атмосферу, в воздухе двигатель. С другой удар, клапан позиции поменялись местами.
Насос и двигатель моделирования
Дифференциальные уравнения описывают течения жидкости и движение частей. Из-за нестационарных характера этого типа насоса и двигателя, решение этих уравнений требует численного процедура, в которой интегрирование уравнений на каждом шаге. Основных переменных, которые входят в имитационной модели:
* Объем всех камер и размер отверстия, соединяющего камеры
* Местности различных поршни и клапаны частей, которые действовали на любой воздуха или жидкости давление
- Авиа-и жидких камеры давлениях и температурах
* Впуска воздуха и жидкости давлениях и температурах
* Теплообмена коэффициентов
* Шаг по времени для интеграции
* И скорость двигателя и насоса.
Скорость выбрана в качестве входной переменной. Это могло бы определяться набором вниз по течению жидкости давления, однако это требует более сложных решений процедуры. Модель содержит простой вход и опорожнения системы. Объемы и размеры клапанов и трубопроводов, содержащихся на входе и сливных систем являются переменными.
Решения, используя язык программирования, таких как C или Visual Basic начинается с использования начальных значений для всех переменных и последующего интегрирования дифференциальных уравнений, связанных с каждым. Предложил интеграции обычного использования 4-го порядка Рунге-Кутта. Используя этот метод, каждая переменная вычисляется 4 раза на каждом шаге. Это не только точные и легко программируемые процедура, но она вмещает взаимозависимости параметров (таких, как давление жидкости клапана и расход через клапан).
Air-работы двигателя
Данные сравниваются с предсказаниями
Цель создания имитационной модели заключается в понимании физики участвуют. Модель позволяет разработчикам вносить изменения в геометрии и увидеть влияние на производительность. По сравнению с тестовыми данными, эта модель может обеспечить инженер возможность определить влияние поворотов, отводов, сокращения и расширения, и чтобы убедиться, что коэффициенты в литературе, являются разумными. Данные из двух различных насосов представлены на рисунках 4 по 8. Для инженер-технолог, такой анализ был использован для решения насоса / системы взаимодействия проблем, таких как вибрация, на заводе (см., например. 3).
Сравнение производилось с различными значениями коэффициента-оф-разряда в воздухе камер (рис. 4). Этот коэффициент поворотах охватывает и разложения, а также сокращений. Предсказал и проверить данные по сравнению коэффициентов разряда = 0,8 и 0,6, и показали хорошее совпадение.
Давление в 1 жидкостную камеру (рис. 5) имеет отклик, чем это в первую очередь затрагиваются эффективный модуль объемной, П. Давление переходных во время открытия и закрытия клапана проявляются в тестовой и прогнозируемые данные, однако, реакция несколько отличается между испытания и прогнозируемые данные. Можно ожидать, что затухающие, вынужденные колебания происходят во время открытия клапана и закрытие переходных процессов. Подробнее изысканный моделирования разряда система может обеспечить более точный прогноз переходных. Падение давления в камере практически до нуля, как ожидается, предсказать, так как открытия клапана может быть небольшим из-за короткий срок действия, используемые в прогнозировании программы. Этот перепад давления не могут быть записаны на испытание из-за времени отклика приобретения.
Атмосферное давление в течение цикла накачки остается у входящего давления на малые части основного золотника и циклов между давлением подачи воздуха и атмосферного давления на большей стороне основного золотника (рис. 6). Катушка является цилиндрическую форму движущихся частей внутри воздушного клапана. Полное описание этого типа клапана и двигатель находится в работе. 5. Ответ под давлением поступает в маленький конец золотника колеблется от измеренных данных во время клапан переключения передач. Чем больше измеряется перепад давления может быть связано с наличием регулятор воздуха, которое не было включено в модель.
Давление воздуха в камере 3-в. мембранного насоса ведет себя, как, что в меньших 2-в. насос (рис. 7). Прогноз и проверить значения находятся в хорошем согласии.
Температура внутри камеры воздух и в воздухе переход на самых местах сужения в выхлопных прохода (рис. 8) предсказаны в том числе тепло-передачи модель для термопар. Даже при небольшой термопары (примерно 0,010 в. Диаметр). Существует значительный перенос тепла через провода за относительно короткий переходных процессов. Температурно-временных истории достаточно хорошо представлены с помощью модели.
Решение проблемы операционной
Обратите внимание, что не может быть и насоса и системы взаимодействия, которые производят пульсаций давления, кавитации, клапанов и других проблем компонента. Во многих случаях, имитационное моделирование может дать представление о причинах и корректировки этих проблем, например, изменить размер проходов или компонентов. Описанная здесь модель имеет простой входе и выходе системы, что является обычной ситуацией. Тем не менее, дальнейший анализ, необходимые для насосов, установленных параллельно или в более сложных системах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Zucrow, MJ, и доктора Хоффмана ", газовой динамики, том I," John Wiley, Нью-Йорк (1976).
2. Cengel, Y. А. и М. А. Boles, "Термодинамика: инженерный подход", McGraw Hill, Нью-Йорк, раздел 4.4 (1994).
3. Сингх, П. и Н. К. Madavan, "Полный анализ и моделирование поршневых насосов, включая систему трубопроводов", в сб. Четвертого Международного симпозиума насос, добавление, Turbomachinery лаборатории, штат Техас
4. Фокс, RW, и AT Макдональд, "Введение в механике жидкости", 4 изд., John Wiley, Нью-Йорке (1992).
5. Карасик, И. J. и др., ред. "Помпа Справочник", 3-е изд .. McGrawHill в Нью-Йорке (2001).
Стивен Д. ABLE Ingersoll-Rand
Стивен Д. ABLE, PE, является главным инженером Ingersoll-Rand (ARO один центр, Брайан, OH 43506, телефон: (419) 633-13o6, факс: (419) 633-1764; Email: <A HREF = "Посылка : steve_d._able irco.com @ "> steve_d._able @ <irco.com />). Он работает в компании с 1989 года и занимал различные должности в качестве жидкости для обработки технического руководителя и старшего технического консультанта, в дополнение к своим нынешним названием. Он дает напряжение и потока жидкости анализа, а также общей помощи инженерно-конструкторской и наставничества для инженеров дивизии. Ранее он был с Sundstrand за 15 лет, достигая положения технический руководитель. На Sundstrand, он работал в производственном существующих продуктов и дизайна нового продукта, служил шума и вибрации специалист, и несет ответственность за обоих инженерных продуктов и маркетинговых функций для 1 подразделения в своей окончательной позиции. Способный служил в ВМС США, занимает 9 патентов США и профессионального инженера в штате Огайо. Он является ведущим автором раздела 3,6 ", мембранные насосы," в 3-е изд. из "Справочника насос" и автором / соавтором ряда статей о насосах. Он имеет BSME из Univ. Колорадо, MS (Eng) Пердью Univ. и степень магистра Univ, Денвер ..
