عنوان

جایگزینی شیر سوزنی سد مارون با شیر هاول بانگر 1400 با نصب عمودی

پ۲۵۳۱۶

per

جایگزینی شیر سوزنی سد مارون با شیر هاول بانگر 1400 با نصب عمودی

سجاد خدایی

فنی و مهندسی مکانیک

۱۴۰۰

۱۰۳ص.

سی دی

کارشناسی ارشد

مکانیک طراحی کاربردی

۱۴۰۰/۰۶/۳۰

شیرها نقش مهمی در صنعت، آبیاری، تخلیه جریان و استهلاک انرژی دارند. از این رو امروزه مطالعات گسترده¬ای بر روی این شیرها انجام می¬شود. هر یک از انواع شیرهای طراحی شده دارای معایب و مزایایی هستند که بنابر نیاز، مورد استفاده قرار می¬گیرند. شیر سوزنی قطر 1400 ميلي¬مترِ مورد استفاده در سد مارون به دلیل ارتعاش و نویز زیاد و همچنین ایجاد تخریب حوضچه آرامش، با یک شیر هاول بانگر با همان قطر جایگزین می¬شود که شیر مورد نظر می تواند در صورت لزوم دبی جریان بیشتری را از خود عبور داده و به دلیل ساختار آن، فشار وارد بر کف کمتری داشته باشد. لذا در این گزارش به بررسی رفتار هیدرودینامیکی و ارتعاشی شیر هاول بانگر مذكور به صورت تحلیل عددی و تجربی پرداخته شده¬است.در فاز اول ابتدا طرح واقعی از شیر هاول بانگر تدوین شده و سپس برای به دست آوردن ضریب اطمینان استاتیکی قطعات اصلی و بدنه شیر، تحلیل عددی در نرم¬افزار COSMOS انجام گرفته است. در این تحلیل¬ به بررسی توزیع تنش و تغییر مکان و حداکثر مقدار آن¬ها پرداخته شده است. نتایج حاصل از بررسی استحکام شیر هاول بانگر مورد نظر، نشان می¬دهد که حداقل ضریب اطمینان استاتیکی (نسبت مقاومت تسلیم به حداکثر تنش موثر) به دست آمده 2/2 بوده و با چنین ضریبی، تنش در هیچ نقطه¬ای به حد تسلیم نمی¬رسد. همچنین این نتایج نشان می¬دهد که تغییر مکان بیشینه 357/0 میلی¬متر بوده و لذا شیر آب¬بندی لازم را خواهد داشت. همچنین تحلیل عددی رفتار هیدرولیک شیر بدون هود و با هود به همراه زانویی ورودی و حوضچه تخلیه انجام شده که در آن شرایط مرزی هدِ بالادستِ سدِ 145 متر ستون آب به عنوان معیار مبنا در نظر گرفته شده است. نتایج نشان دادند که دبی عبوری به ترتیب 6/50،‌ 8/31 و 95/4 مترمکعب در ثانیه در گشودگی های 100، 40 و 5/14 درصد برای شیر بدون هود و به ترتیب 7/51 و‌ 7/30 مترمکعب در ثانیه در گشودگی های 100 و 40 درصد برای شیر با هود خواهد بود. ضریب تخلیه دبی عبوری به ترتیب 62/0، 39/0، 29/0 و 09/0 در گشودگی های 100، 40، 20 و 5/14 درصد می باشد. این ضریب با لحاظ نمودن افت مسیر و حوضچه تخلیه تعیین شده است. بطور کلی در غالب گشودگی ها، دبی عبوری شیرِ باهود، اندکی کمتر از شیر بدون هود می باشد. همچنین نشان داده شده است که فشار بیشینه مطلق در کف حوضچه برای شیر بدون هود حدود 5/40 متر آب و سرعت آن به 27/8 متر در ثانیه و در شیر با هود به حدود 5/44 متر آب و سرعت آن به 8/7 متر در ثانیه میرسد که دیواره و کف حوضچه می¬باید چنین شرایطی را تحمل کنند.نتایج حاصل از بررسی عددی و تجربی نشان میدهد که در شرایط عملکرد طراحی شیر(گشودگی کمتر از 40 درصد)، کاویتاسیون پایداری رخ نخواهد داد چرا که کمینه فشار مطلق استاتیک بیش از فشار بخار آب می باشد، هرچند در غالب موارد، در نواحی محدودی در انتهای مخروط شیر و همینطور در حوضچه تخلیه، با فاصله کمی از پیشانی شیر، فشار نسبی از فشار اتمسفر کمتر می¬شود که می تواند به عنوان کاویتاسیون ناپایدار تلقی شود. بطور کلی نتایج نشان می¬دهند که از نظر احتمال کاویتاسیون، شیر بدون هود رفتار بهتری نسبت به شیر با هود دارد بنابر این میتوان نتیجه گرفت که استفاده از هود مزیت خاصی از نظر رفتار هیدرولیکی ندارد. در اندازه گیری تجربی ارتعاش شیر مدل، ثابت بودن نسبی دامنه ارتعاشی اندازه¬گیری شده در انتهای مخروط شیر، نشان می¬دهد که شکستن حباب در اثر کاویتاسیون شدت قابل ملاحظه¬ای ندارد چرا که در این صورت، در حین افزایش جریان، دامنه ارتعاشی به صورت واگرایی افزایش می یافت. داده¬های تجربی نشان دادند که در بدترین حالت، هد بالادستِ سد 145 متر آب، شتاب بدنه شیر تا 431/0 و در دیواره حوضچه تا 207/0 برابر شتاب جاذبه می¬رسد. بر اساس اندازه گیری¬های تجربی، فرکانس غالب ارتعاش برای شیرِ مدل مورد آزمایش، در بازه 224 الی 229 هرتز می¬باشد که این محدوده در شیر واقعی با نسبت 1:14 به 16الی 36/16 هرتز تبدیل می¬شود. از آنجا که این محدوده، بسیار کمتر از فرکانس طبیعیِ شیرِ واقعی یعنی 144 هرتز است، بنابراین می¬توان نتیجه گرفت که در حینِ کارِ شیر در محدوده طراحی، تشدیدی اتفاق نخواهد افتاد. احتمال ارتعاش پره های شیر هاول بانگر 1400 میلی¬متر بر اساس روش مرسر بررسی و مقادیر محاسبه شده (Mmax=0.0935≤0.13) نشان می¬دهند که در بازه عملکردی (هد بالادست 145 متر آب و تا 40 درصد گشودگی) ارتعاشات پره ها در محدوده امن قرار دارد.محاسبه عمر خستگی نشان می¬دهد که در این شرایط، علی¬رغم ارتعاش بدنه شیر، ضریب اطمینان خستگی 73/1 می¬باشد. براساس نتایج حاصل هر چند بدنه شیر، ارتعاش ناشی از عبور جریان آب در محدوده طراحی را می¬تواند تحمل کند، ولی تاثیر شتاب و تغییر مکان ناشی از چنین ارتعاشی روی سیستم نصب شیر، سازه حوضچه و سایر سازه های مجاور بایستی بطور دقیق مطالعه گردد (این موضوع در چارچوب این پایان¬نامه نمی¬باشد).

AbstractValves play an imperative role in the industry, irrigation, flow discharge, and energy depreciation. Therefore, extensive studies are being conducted on these valves today. Each one of the designed valves used as needed have advantages as well as drawbacks. Needle valves with 1400 mm diameter, using in Maroon dam has been substituted for Howell Banger valve with the same diameter, due to high vibration and noise as well as the destruction of stilling basin, which the desired valve is capable of passing more flow rate, and it has less pressure on the floor, because of its structure. Hence, in this report, the Hydrodynamic and vibration behavior of the mentioned Howell Banger valve has been analyzed-numerically and experimentally.Firstly, a real design of the Howell Banger valve has been developed in the initial phase, then numerical analysis in the Cosmos software has been performed to obtain static safety coefficient of the main parts and body of valves. Stress distribution, displacement, and their maximum valves are investigated in this analysis. The results of analyzing the strength of desired Howell Banger indicate that obtained minimum static safety coefficient (the ratio of surrender resistance to maximum effective stress) is 2.2; moreover, the stress does not reach to surrender limit at any point with such coefficient. This results, in addition, points out that the maximum displacement is 0.357, so the valve will have needed seal. Also, numerical analysis of hydraulic behavior of a valve with hood or without it has been accomplished along with inlet elbow and discharge basin in which the boundary conditions of the upstream head of the dam of 145 meters of the water column is considered as a basic criterion. The results revealed that the flow rate was 50.6, 31.8, and 4.95 cubic meters per second respectively at openings of 100, 40, and 14.5 percent for a valve without hood and it will be 51.7 and 30.7 cubic meters per second respectively at openings of 100 and 40 percent for a valve with hood. Discharge coefficient of flow rate is 0.62, 0.39, 0.21 and 0.09 in openings of 100, 40, 20 and 14.5 percent, respectively. This coefficient is determined by considering the drop path and discharge basin. In general, in most openings, the flow rate of a valve with a hood is slightly less than those of without a hood. It is also shown that absolute maximum pressure at the bottom of the basin is about 40.5 meters’ water for a valve without a hood and its Velocity reach 8.27 meters per second, and it is roughly 44.5 meters’ water in the valve with a hood and its Velocity reach to 7.8 meters per second, which the wall and floor of the basin must withstand such conditions.The consequences of numerical and experimental studies exhibit that in terms of valve design performance (opening is less than 40%) stable cavitation will not occur since the minimum absolute static pressure is more than the water vapor pressure, albeit, in most cases, partial pressure is less than atmospheric pressure in limited areas at the end of the valve as well as discharge basin with a short distance from valve ahead, which can be regarded as unstable cavitation. All in all, the results indicate that a valve lacking a hood behaves better in comparison with a valve with a hood in terms of cavitation probability, it can be concluding that utilizing a hood has not had special favor in terms of hydraulic behavior.In the experimental measurement of the valve vibration model, the relative stability of the measured vibration amplitude at the end of the valve cone demonstrate that the breaking of a bubble has not a significant impact, due to cavitation because in this case, as the current increases, the vibration amplitude boosts divergently. Experimented data showed that, upstream head of the dam 145-meter water, the acceleration of the valve body up to 0.431 and in the basin wall up to 0.207 times that of gravity acceleration. Based on experimental measurements, the dominant frequency of vibration is in the range of 224 to 229 Hz for tasted valve model, which this range converts to 16 to 16.36 Hz in real valve with the ratio of 1.14 since this range is much lower than the normal frequency of a real valve, 144 Hz, so it can be deduced that no Resonance will occur, during the operation of the valve in the designed range.The probability of vibration of 1400 mm Howell Banger valve based on Mercer method and calculated values indicate that blades vibration is in the safe range within operating range. (upstream head 145-meter water and opening up to 40%).Calculation of a fatigue lifelong reveals that, despite the vibration of a valve body, the fatigue reliability coefficient is 1.73 in these circumstances. Based on results valve body can tolerate the vibration from water flow in the designed range; however, the effection of acceleration and displacement of such vibration on valve installation system and pond structure and contiguous structure are strongly recommended to study precisely.

Replacement of the Needle Valve with a Vertically Installed Howell Banger 1400 in Maroon Dam

‏خدایی،

‏‏ سجاد

تهيه کننده

‏وکیلی تهامی،

‏صادقی،

‏‏ فرید

مرتضی

استاد راهنما

استاد مشاور

‏ تبریز