где АрПр — предельное значение перепада давления на диафраг ме; ат — предел текучести материала диафрагмы при рабочей температуре [для большинства марок сталей ат = (220+300) МПа].
За значение диаметра d отверстия надо принимать среднее значение не менее четырех измерений диаметра, расположенных Нод приблизительно равными углами. Результаты отдельных измерений не должны отличаться от среднего значения более чем на 0,05 % . Значения е или Е, измеренные в любом месте, не должны различаться между собой более чем на 0,001 D.
При угловом методе возможны два варианта отбора давле ний: точечный (рис. 15, а) с помощью двух отверстий, просвер ленных во фланце трубопровода, и камерный (рис. 15, б). В послед нем случае диск диафрагмы зажимается между двумя кольце выми обоймами, в которых проточены прямоугольные кольцевые 'камеры. В камеру давления р\ и Р2 поступают через кольцевые щели толщиной с и через отдельные отверстия, расположенные н& внутренней поверхности каждой из обойм, имеющей диаметр DK, удовлетворяющий неравенству D < DK< 1,0 D, где D — внут ренний диаметр трубопровода. Из кольцевых камер производит ся отбор усредненных давлений р\ и Р2-
Учитывая резкое изменение давлений pi и Р2 вблизи плоско стей диафрагмы, диаметр отверстий с (рис. 15, а), а также ширину кольцевых щелей или отверстий для отбора (рис. 15, б), надо брать по возможности меньше. Согласно стандарту 5167 для Р < 0,65 требуется иметь с в пределах от 0,005 D до 0,031), а для р > 0,65 — в пределах от 0,011) до 0,021).
Вместе с тем, чтобы слишком малые отверстия не засорялись, размер с никогда не должен быть меньше 1 мм, а для пара и сжиженных газов — не меньше 4 мм (при отборе давлений через отдельные отверстия). Верхний же предел с во всех случаях — не более 10 мм.
Все указанные значения относятся к чистым измеряемым веществам.
Для эффективности усреднения р\ и Р2 надо, чтобы площадь сечения кольцевой камеры аЬ была не менее половины площади кольцевой щели FDC или площади отверстий п/, где п — число отверстий и f — площадь одного отверстия. Наименьшее число отверстий, расположенных на равном расстоянии друг от друга, равно четырем. Ширина корпуса кольцевой камеры I не должна быть более 0,5D. При трубах, имеющих!) более 400-500 мм, при менять кольцевые камеры нерационально из-за их большой мас сы. В этих случаях необходимое усреднение давлений pi и Р2 достигается путем четырех отдельных сверлений отверстий, рас положенных до и после диска диафрагмы на равных расстояни ях друг от друга, которые с помощью трубок соединяются в два расположенных снаружи коллектора, откуда и отбираются ус редненные давления р\ и Р2-
37
Отбор давления в двух точках (рис. 15, а) пригоден только для осесимметричных потоков, которые образуются лишь при доста точно длинном прямолинейном участке трубопровода. Поэтому в большинстве случаев камерный отбор давления обеспечит боль шую точность отбора. Другой недостаток точечного отбора — невозможность обеспечить перпендикулярность отверстий свер ления к оси трубопровода у диска диафрагмы.
Конструкция камерной диафрагмы, показанной на рис. 15, б, целесообразна при давлениях до 10 МПа. Для давлений до 20 МПа имеются конструкции фланцев, в которых вытачиваются усред няющие камеры, сообщающиеся через пазы с пространствами до и после дисковой диафрагмы, зажимаемой между фланцами. При еще более высоких давлениях применяют линзовые уплотнения.
Диафрагма с фланцевым отбором давлений показана на рис. 16. Номинальные расстояния осей отверстий отбора давления li и 1% после диафрагмы равны 25,4 мм. Они должны быть выдержаны с допуском ±0,5 мм при D < 150 мм и (3 > 0,6. Во всех остальных случаях, т. е. при Р< 0,6 или Р> 0,6 и 150 < D < 1000 мм, имеется допуск ±1 мм. Диаметры отверстий для отбора давлений должны быть не более 0,132) и не более 13 мм. Минимальный диаметр отверстий определяется вероятностью засорения и обеспечени ем удовлетворительных динамических характеристик. Кромки отверстий должны быть заподлицо с внутренней поверхностью трубопровода.
У диафрагмы с радиальным (трехрадиусным) отбором давле ний номинальное расстояние li от диафрагмы до оси отверстия для отбора давления pi равно 12), но может находиться в преде лах от 0,92) до 1,12). Номинальное расстояние 12 от диафрагмы до оси отверстия для отбора давления Р2 равно 0,52), но может нахо диться в следующих пределах:
от 0,482) до 0,522) при (3 < 0,6; от 0,492) до 0,512) при (3 > 0,6.
Требования к размерам отверстий для отбора давлений те же, что и для фланцевого метода, поэтому диаметры отверстий не должны превосходить 0,132) и 13 мм.
При недостаточной длине прямых участков трубопровода и необходимости усреднения давлений р\ и р2 при фланцевом и
Рис. 16. Диафрагмы с фланцевым отбором давления: а — во фланцах; б — в обойме
38
трехрадиусном методах каждое из давлений р\ и Р2 отбирается через четыре отверстия, расположенных на равном расстоянии друг от друга и соединенных трубками с наружными коллекторами.
Достоинства фланцевого и особенно трехрадиусного методов заключаются в большей пологости кривых давлений в местах отбора по сравнению с угловым методом и отсутствии в связи с этим необходимости применения малых диаметров отверстий для Отбора давлений.
Для установки и выемки диафрагм без выключения трубо провода разработаны особые устройства. Они состоят из камеры, снабженной фланцами для установки в трубопроводе. Камера имеет две полости: нижнюю, в которой размещается дисковая диафрагма, и верхнюю, отделенную от нижней разделительным краном. Для выемки диафрагмы открывают клапан, выравнива ющий давление в обеих полостях, после чего поворотом раздели тельного крана соединяют полости друг с другом. Затем (с помо щью двойной рейки и шестерни) диафрагма перемещается из нижней полости в верхнюю. Последняя отключается краном от нижней, а давление в ней снижается до атмосферного. Открыва ют крышку верхней камеры и вынимают диафрагму. Для цент ровки и уплотнения диафрагмы при ее установке нижний край диафрагмы вводят в прорезь кольца круглого сечения, изготов ленного из особой резины. Предложены и другие конструкции устройств для смены диафрагм.
Профиль стандартного сопла ИСА 1932 по ГОСТ 8563-97 и ИСО 51679 показан на рис. 17. Сопло состоит из плавно сужаю щейся входной части, образованной дугами двух радиусов = * 4 /5 и г2 = d /3, и цилиндрической части на выходе длиной I~ 0,3d. Общая длина сопла равна 0,6041d. Кроме того, для предохране ния выходной кромки сопла, которая должна быть острой (без заусенцев, фасок или вмятин), служит защитный кольцевой выс туп, имеющий длину не более 0,03d и внутреннюю расточку диа метром l,06d. При d/D < 2/3 дуга радиусом г* = d/5 по каса тельной сопрягается с входной плоскостью сопла (рис. 17, а), об-
Рис. 17. Стандартное сопло: а —- при т < 0,444; б — при т > 0,444
39
разуя входную торцевую плоскость сопла. При d/D = 2/3 ширина этой плоскости внутри трубопровода равна нулю, а при d/D > > 2 /3 точка сопряжения выходит за пределы внутреннего диа метра трубы, что вынуждает плоскую часть сопла делать усечен ной (рис. 17, б), а общую длину сопла меньше, чем 0,6041d.
Допуск на радиусы rj и г2 равен ±10 % при (3 < 0,5 и ±3 % при Р> 0,5. Центр окружности радиусом Г\ находится на рассто янии 0,2d от входного торца (неусеченного) и на расстоянии 0,75d от оси сопла. Центр окружности радиусом г2 (12 + v39) d/60 = = 0,3041d от входного торца (неусеченного) и на расстоянии 5d от оси сопла. Толщина фланца сопла S не более 0,12). Горловина сопла длиной 0,3d должна быть цилиндрической. Результаты из мерения диаметра d в любом сечении цилиндрической части не должны отличаться от среднего значения более чем на 0,5 % . Среднее значение d определяют в результате измерения не менее чем четырех диаметров, равноотстоящих друг от друга. Значения любых двух диаметров сужающейся входной части сопла, изме ренные в одной плоскости, перпендикулярной к оси сопла, не дол жны различаться более чем на 0,1 % от их среднего значения. Параметр шероховатости поверхности входного торца сопла и горловины сопла Ra должен быть не более 10“4d. Для отбора дав ления pi перед соплом применяют только угловой метод отбора, а для отбора давления р2 после сопла наряду с угловым разреша ется отбор давления р2 на небольшом расстоянии Z2 от входного торца сопла, которое должно быть не более 0,21) при р> 0,67 и не более 0,1D при (3 < 0,67. При этом диаметры отверстий для отбо ра должны быть не более 0,13D и 13 мм. При угловом же методе отбора справедливы все указания, сделанные выше для диафрагм, и в том числе рекомендация по применению камерного отбора, способствующего усреднению давлений Pi и р2.
По сравнению со стандартными диафрагмами сопла имеют следующие преимущества. Благодаря отсутствию входной ост рой кромки сопла значительно лучше сохраняют постоянство коэффициентов истечения С и расхода а, иными словами, облада ют хорошей износоустойчивостью. Шероховатость трубопровода влияет на значение исходных коэффициентов С и а у сопел мень ше, чем у диафрагм. То и другое делает особенно целесообраз ным применение сопел для труб небольших диаметров: D = = 50-5-200 мм. Кроме того, потеря давления у сопел несколько мень ше, чем у диафрагм, а коэффициент сужения р = 1, благодаря чему коэффициенты С и а больше, чем у диафрагм. Поэтому при одном и том же предельном перепаде дифманометра сопла из меряют на 70 % большие расходы, чем диафрагмы. Погрешность исходного значения коэффициента истечения 8С у сопел на 0 ,2 - 0,3 % выше, чем у диафрагм. Это компенсируется меньшей по грешностью коэффициента расширения 5е. Но диафрагмы имеют более широкую сферу применения, особенно в области больших чисел Re. Кроме того, значения коэффициентов С и а экспери
40
ментально определены для диафрагм у труб, имеющих D от 50 до 1000 мм, а у сопел — лишь до 500 мм. Из этого сравнения вытека ет, что в очень многих случаях в трубопроводах диаметром, не Превосходящим 500 мм, и для чисел Рейнольдса, не превосходя щих 107, сопла имеют определенные преимущества перед диаф рагмами. И несколько большая сложность изготовления сопел ие может служить оправданием для сравнительно малого их при менения. Но необходимо изготовить металлический шаблон по профилю входной части сопла, чем пользуются при обработке сопла на токарном станке и при последующей контрольной про верке сопла.
1.6.ИСХОДНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИСТЕЧЕНИЯ
ИРАСХОДА СТАНДАРТНЫХ ДИАФРАГМ И СОПЕЛ
Значения коэффициентов истечения и расхода стандартных диафрагм и сопел, применяемых в настоящее время, определены экспериментально рядом исследователей [54, 101, 109— 111] в конце 1920-х и начале 1930-х годов. При теоретическом опреде лении этих значений не обеспечивается требуемая точность. Боль шой объем проведенных опытов все же ограничен конкретными диаметрами D трубопроводов и диаметрами d отверстий диаф рагм и сопел и в еще большей степени видами и параметрами
.протекающих веществ (вода, воздух и т. д.). Но все эксперименты проводили на длинных прямолинейных участках труб, обеспечи вавших образование осесимметричных потоков, причем трубы были гладкими, без шероховатостей. Воспользоваться же резуль татами этих опытов для определения значений коэффициентов Для диафрагм и сопел, имеющих любые значения d и установ ленных в трубах любого диаметра D (в границах проведенных Ъпытов), по которым протекает любое вещество, помогла теория подобия.
Из теории следует, что коэффициенты истечения и расхода сужающего устройства, установленного в гладкой трубе на пря молинейном ее участке, обеспечивающем образование осесиммет ричного потока, зависят лишь от двух параметров: геометричес кого подобия формы сужающих устройств и гидродинамическо го подобия потоков. Первое определяется равенством относитель ных диаметров Р или площадей т для каждой разновидности сужающего устройства и отсутствием нарушения их формы вслед ствие изнашивания, второе же — равенством чисел Рейнольдса Re протекающих веществ. Коэффициенты истечения и расхода, установленные в гладких трубах, целесообразно называть исход ными, чтобы отличить их от шероховатых труб, а для расчетов применяют произведение СКт, где Кш — поправочный множи тель на шероховатость, зависящий от относительной шероховато сти трубы (RJJJ/D), где Rm — параметр эквивалентной шерохова
41