Гідроприводні кавітаційні генератори коливань тиску для очищення елементів гідравлічних систем

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

Спеціальність: 05.02.02 - Машинознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Гідроприводні кавітаційні генератори коливань тиску для очищення елементів гідравлічних систем

Тарасенко Тарас Валерійович

Київ - 2009



Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі гідрогазових систем Національного авіаційного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Зайончковський Геннадій Йосипович,

Національний авіаційний університет, завідувач кафедри гідрогазових систем

Офіційні опоненти: доктор технічний наук, професор

Луговський Олександр Федорович,

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»,

професор кафедри прикладної гідроаеромеханіки і механотроніки

доктор технічних наук, професор

Нигора Володимир Миколайович,

Національний університет харчових технологій,

професор кафедри інженерної графіки

Захист дисертації відбудеться 16.02.2010 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.11 у Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, корпус №1, ауд. 214.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розіслано 25.12. 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професорМайборода В.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний етап розвитку техніки супроводжується широким використанням гідравліки та гідроприводу в обладнаннях машин і технологічних процесах. Упровадження систем гідроприводу в авіації, машинобудуванні, на автотранспорті, в інших галузях техніки супроводжується зростанням питомих потужностей, підвищенням робочих тисків, зменшенням габаритів гідроагрегатів.

Для керування потоками рідини в системах гідроприводу широко використовується різноманітна гідроапаратура: гідророзподільники, клапани, дроселі тощо. Елементи гідроапаратури являють собою місцеві опори, які, як відомо, за певних умов можуть працювати у кавітаційному режимі.

Кавітація у гідроприводі супроводжується високочастотними коливаннями тиску значної амплітуди, акустичними шумами і кавітаційною ерозією робочих поверхонь гідроагрегатів. Для систем гідроприводу кавітація є небажаним явищем, але її можна використовувати і в корисних цілях, наприклад, для інтенсифікації технологічних процесів, видалення забруднень з агрегатів гідравлічних систем, прискорення ресурсних випробувань шлангів і трубопроводів тощо. Гідравлічні пристрої, які призначені для генерації кавітаційних коливань тиску, називають гідроприводними кавітаційними генераторами коливань тиску (КГКТ).

Переваги використання гідроприводних КГКТ полягають у тому, що можливо отримати високі частоти коливань тиску від 0,01 до 30 кГц за максимального рівня коливань, що в 0,5-1,3 рази перевищує стаціонарні значення тиску на вході у генератор. Такі КГКТ мають мінімальні габарити і масу, просту конструкцію, що не містить жодної рухомої деталі, легко монтується в систему гідроприводу.

Однак дотепер немає чітких рекомендацій щодо розрахунку параметрів гідроприводних КГКТ, їх характеристик, вибору режимів роботи, конструктивних матеріалів. Для розв'язання цієї проблеми необхідне проведення певних теоретичних і експериментальних досліджень. Результати таких досліджень ще на етапі проектування КГКТ дають можливість:

- визначити раціональну конструктивну схему генератора і його геометричні параметри;

- визначити режим роботи генератора, що забезпечує високу ефективність його використання;

- обґрунтувати вибір матеріалу для виготовлення генератора, який має високу гідроерозійну стійкість.

Слід зазначити, що розроблення науково обґрунтованих рекомендацій для розрахунку гідроприводних КГКТ дозволить отримати генератор з потрібною величиною пульсацій тиску і частотою, необхідною для реалізації певного технологічного процесу. Цим обґрунтовується актуальність проведення даних досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до Державної комплексної програми розвитку авіаційної промисловості України до 2010 р., затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 12 грудня 2001 р. №1665-25.

Окремі розділи дисертації є результатом виконання науково-дослідних робіт (НДР), проведених у Національному авіаційному університеті на кафедрі гідрогазових систем, у тому числі НДР №282-Х05 „Розробка та виготовлення установки водоструменевого очищення деталей бронетехніки”, та НДР № 6Ф1/К18 „Теоретичні та експериментальні дослідження елементів рідинно-газових систем”.

Мета та завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є розроблення гідроприводних кавітаційних генераторів коливань тиску для очищення елементів гідравлічних систем та визначення ефективних режимів їх роботи на підставі уточненої моделі генерування коливань тиску в дросельних елементах генераторів.

Для досягнення зазначеної мети потрібно вирішити такі завдання:

1. Виявити особливості фізичних процесів генерування коливань тиску дросельними елементами КГКТ різної конфігурації з метою отримання розрахункових залежностей між геометричними параметрами КГКТ, відносним перепадом тиску на його дросельному елементі та параметрами пульсаційної течії робочої рідини на виході генератора.

2. Дослідити спектральні характеристики коливань тиску, що генеруються дросельним елементом КГКТ, та виявити їх залежність від конфігурації та конструктивних параметрів генератора.

3. Визначити режими роботи КГКТ, які забезпечують ефективне очищення внутрішніх поверхонь трубопроводів та інших елементів гідросистем і зберігають ерозійну стійкість конструкційних матеріалів.

4. На основі результатів досліджень розробити інженерну методику розрахунку конструктивних параметрів і характеристик КГКТ та відповідне математичне забезпечення виконання розрахунків з використанням ПЕОМ.

5. Забезпечити апробацію і впровадження результатів досліджень у виробництво. генератор коливання тиск трубопровід

Об'єкт досліджень - процеси очищення елементів гідравлічних систем від забруднень під дією коливань тиску.

Предмет досліджень - характеристики і режими роботи гідроприводних КГКТ для очищення елементів гідравлічних систем.

Методи досліджень - комплексний метод, який полягає в спільному використанні фізичного, математичного і комп'ютерного моделювання робочих процесів у КГКТ з наступним експериментальним підтвердженням адекватності отриманих результатів. Під час проведення експериментальних досліджень використовувалися основні положення теорії експериментів і теорії похибок, неруйнівні методи контролю і дефектоскопії, а для обробки експериментальних даних - методи обробки даних і математичної статистики.

Достовірність наукових припущень, положень, висновків і рекомендацій обумовлена використанням фундаментальних законів фізики і технічної гідромеханіки, теоретичних основ гідроприводу в разі задовільного збігу результатів теоретичних і експериментальних досліджень, оброблених з використанням методів теорії ймовірності й математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна отриманих результатів полягає в такому:

1. Визначено особливості фізичних процесів генерування кавітаційних коливань тиску дросельними елементами КГКТ різної конфігурації, з урахуванням яких розроблено розрахункову схему потоку робочої рідини з розривом суцільності у вигляді приєднаних каверн і каверн, що переміщуються.

2. На підставі уточненої фізичної моделі генерування коливань тиску отримано розрахункові залежності між геометричними і гідродинамічними параметрами КГКТ, відносним перепадом тиску на його дросельному елементі та параметрами пульсаційної течії робочої рідини на виході генератора, у тому числі:

- установлено, що як критерій кавітації для високонапірного дроселювання робочої рідини у дросельних елементах КГКТ доцільно використовувати відносний перепад тиску , який чисельно дорівнює числу Ейлера (Eu);

- уперше отримано розрахункову залежність визначення розмаху кавітаційних коливань тиску на виході КГКТ від відносного перепаду тиску на дросельному елементі генератора;

- отримано уточнені аналітичні залежності для розрахунку ступеня прискорення кавітаційного струменя у дросельному елементів КГКТ ( ), для оцінювання відносного об'єму виділеної парогазової суміші у зоні кавітації ( ) та визначення швидкості поширення збурень у кавітаційному струмені КГКТ з урахуванням відносного об'ємного вмісту виділеної парозагової суміші.

3. Уперше експериментальним шляхом отримано спектральні характеристики КГКТ і встановлено частоти, на які припадають максимуми пульсацій тиску; установлено кореляційні залежності між розмахом кавітаційних коливань тиску у КГКТ і відносним протитиском на дросельному елементі генератора, а також виявлено вплив параметрів та геометрії КГКТ на розмах кавітаційних коливань тиску.

4. Виявлено вплив режимів очищення на розвиток кавітаційної ерозії поверхонь елементів і агрегатів гідроприводу, виготовлених з різних конструкційних матеріалів.

Практичне значення отриманих результатів. Практичну цінність роботи становлять:

1. Запатентований перспективний спосіб очищення внутрішніх поверхонь трубопроводів малого діаметра.

2. Розроблені рекомендації щодо вибору раціональної геометричної конфігурації КГКТ для очищення елементів гідроприводу від забруднень.

3. Науково обґрунтована інженерна методика та програмне забезпечення розрахунку параметрів і характеристик КГКТ для очищення внутрішніх поверхонь трубопроводів і агрегатів систем гідроприводу від забруднень та рекомендації щодо вибору раціональних режимів очищення з метою запобігання кавітаційній ерозії конструкційних матеріалів.

Результати проведених досліджень упроваджено у виробництва на Житомирському механічному заводі в технологію ремонту мобільних машин і в ЗАТ «Київське центральне конструкторське бюро арматуробудування» в технологічні процеси очищення від забруднень виробів арматури різного призначення. Результати проведених досліджень упроваджено також у навчальний процес Національного авіаційного університету при підготовці інженерних кадрів за спеціальністю 8(7).100101 “Літаки і вертольоти”.

Особистий внесок здобувача. Основні положення теоретичних досліджень, розроблення програми досліджень характеристик КГКТ, виготовлення експериментального стенда, проведення експериментальних досліджень, обробка та аналіз їх результатів виконано безпосередньо здобувачем. Обґрунтування мети і завдань досліджень виконано спільно з науковим керівником.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на таких науково-технічних конференціях та семінарах: YI, YII, YIII і IX Міжнародних науково-технічних конференціях Асоціації спеціалістів промислової гідравліки і пневматики (м. Львів, 2005 р.; м. Вінниця 2006 р.; м. Мелітополь, 2007 р.; м. Кременчук, 2008 р.); YII, IX, X, XI і XII Міжнародних науково-практичних конференціях “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Київ, 2002 р., 2004 р., 2006 р.; м. Черкаси 2005 р.; м. Луганськ, 2007 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Промислова гідравліка і пневматика”, присвяченій 100-річчю зі дня народження Т.М. Башти (м. Київ, 2004 р.); V Міжнародній науково-практичній конференції „Сучасні проблеми землеробської механіки” (м. Вінниця, 2004 р.); Міжнародній науково-технічній конференції „Авіа-2006” (м. Київ, 2006 р.); науково-технічних семінарах кафедри гідрогазових систем Національного авіаційного університету (2002 - 2009 рр.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 12 друкованих робіт і отримано 4 патенти України, в тому числі опубліковано 7 статей у спеціалізованих фахових виданнях, затверджених ВАК України.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається з переліку умовних позначень, вступу, шести розділів основної частини, загальних висновків, списку використаних джерел, що містять 175 найменувань, додатків.

Загальний обсяг дисертації складає 218 сторінок машинописного тексту, в тому числі 89 ілюстрацій на 46 сторінках і 7 ілюстрацій за текстом, 6 таблиць за текстом, список використаних джерел на 18 сторінках, 4 додатки на 27 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, визначено мету, сформовано завдан-ня досліджень, визначено об'єкт та предмет досліджень, викладено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, подано відомості про апробацію, публікацію і структуру дисертації.

У першому розділі подано огляд літературних джерел з розроблення генераторів коливань тиску, енергія яких широко використовується у вібраційних технологіях, у технологічних процесах очищення поверхонь від забруднень, у випробувальному обладнанні тощо. Підкреслюється, що для підвищення ефективності технологічних процесів з використанням енергії коливань тиску однією з актуальних проблем є отримання коливань тиску високої частити й інтенсивності. Основними джерелами отримання енергії коливань тиску є генератори коливань тиску: гідромеханічні, ультразвукові, гідроприводні кавітаційні та інші. Відзначається, що гідроприводні КГКТ мають ряд переваг перед іншими типами генераторів, що пояснюється простотою конструкції, можливістю створювати широкий спектр коливань тиску (від 100 до 30000 Гц.), можливістю генерування значних амплітуд коливань тиску, що в 0,5-1,3 рази перевищує стаціонарні значення тиску на вході у генератор.

Питання вибору параметрів і характеристик КГКТ були предметом дослідження багатьох авторів. Найбільший внесок у дослідження окремих типів КГКТ зробили такі відомі вчені, як Л.Д. Розенберг, Л.К. Зарембо, В.М. Фрідман, R. Oba, О.К. Екнадіосянц, Г. Флін, В.М. Івченко, В.Я. Карєлін, Р. Кнеп, І.М. Федоткін, В.А. Задонцев, В.В. Пилипенко, М.М. Глазков, І.К. Манько, О.К. Яхно, Г.І. Кувшинов, C.D. Ohl, A. Philipp, W. Lauterborn, O. Lindau, R. Mettin, S. Luther.

Зроблено висновок, що, не зважаючи на відносно велику кількість публікацій, окремі важливі аспекти проблеми залишаються не розглянутими і потребують подальших досліджень.

Надано обґрунтування мети і завдань досліджень.

У другому розділі наведено результати досліджень з візуалізації кавітаційних струменів у дросельних елементах гідроприводних КГКТ. Дослідження проводили з метою розширення уявлення про особливості фізичних процесів, що відбуваються під час виникнення кавітаційних режимів течії у дросельних елементах різних типів, які використовуються у КГКТ. Дослідження виконувалися на прозорих моделях кавітаційних генераторів коливань тиску з імпульсним підсвічуванням потоку рідини „на просвіт” (рис.1). Фотографування кавітаційного потоку виконувалося фотокамерою „Зеніт” з мікронасадкою для спостережень за дрібномасштабними об'єктами і швидкісною камерою СФР-2М (час експозиції - 0,9•10-6 с.).

На підставі проведених візуальних досліджень кавітаційних течій у дросельних елементах КГКТ зроблено такі висновки:

1. Виявлено дві характерні форми розриву рідини при кавітації у дросельних елементах КГКТ: виникнення каверн, що переміщуються, і приєднаних каверн. Перші утворюються на початковій стадії кавітації; у разі розвинутої кавітації утворюються обидва види каверн. Частота сходу кавітаційних каверн, виходячи із аналізу кінограм, становить 2,5 - 30 кГц.

2. У потоці з розвинутою кавітацією каверни, що переміщуються, додатково стискають потік і дроблять його на частини. З цієї причини швидкість витікання рідинної фази у зоні кавітації імпульсно змінюється. У фазі збільшення каверни, що переміщується, потік прискорюється, у момент її руйнування - гальмується.

3. У режимах кавітаційної течії струмінь ділиться на окремі блоки і реалізується „снарядний ” режим витікання рідини

Установлено особливості протікання кавітаційної течії у дросельних каналах різної конфігурації. Так, для насадка Вентурі характерне раптове розповсюдження кавітації на всю довжину дросельного каналу, а у трубі Вентурі кавітація на всю довжину дросельного каналу розповсюджується поступово.

У третьому розділі наведено результати теоретичних досліджень кавітаційних режимів гідроприводних КГКТ. Уведено у розгляд безрозмірний протитиск і безрозмірний перепад тиску на дросельному елементі КГКТ, які в сумі дорівнюють одиниці: , де - перепад тиску на дросельному елементі КГКТ; - відповідно тиск на вході і на виході дросельного каналу. Для умов витікання в момент зародження кавітації ці параметри набувають критичного значення: .

Запропоновано розрахункову схему кавітаційного потоку рідини в дросельному елементі КГКТ у вигляді приєднаних каверн і каверн, що переміщуються

Каверни, що переміщуються, виникають у шарі, що розділяє потік, і приєднані каверни; у потоці утворюються розриви різної форми. Швидкість руху дискретного струменя в зоні кавітації стає вищою за швидкість суцільного потоку. В місці повторного приєднання потоку до стінок дроселя рухомі каверни починають захлопуватись. У разі руйнування каверн потік гальмується. За кавітаційною зоною швидкість витікання стабілізується на рівні, який визначається перепадом тиску між вхідним і стиснутим перерізами струменя. Оскільки каверни утворюються дискретно, то прискорення (і гальмування) потоку в зоні кавітації має імпульсний характер. Величина пульсацій швидкості залежить від розмірів каверн, а частота визначається періодом їх виникнення. Таким чином, у каналі дросельного елемента КГКТ формується течія з розпадом струменя на окремі об'єми рідини. В усіх точках кавітаційної зони тиск дорівнює тиску порога кавітації .

Швидкості течії рідини на межі зони кавітації і розглядаються як середньовитратні та визначаються із рівняння витрати. У разі закритичних режимів кавітації середня швидкість течії дискретних об'ємів у зоні кавітації збільшується від до , а в перерізі 2-2 потік гальмується від до . У міру збільшення перепаду тиску збільшується протяжність зони кавітації і ступінь прискорення потоку. Таким чином, різниця тисків буде визначати ступінь двофазності потоку і ступінь прискорення дискретного струменя.

З використанням запропонованої розрахункової схеми отримано аналітичні залежності для розрахунку ступеня двофазності потоку, який може характеризувати відношенням швидкості течії рідини в зоні кавітації до швидкості течії в стиснутому перерізі , і ступеня прискорення дискретного кавітаційного струменя

Запропонована фізична модель кавітаційних коливань тиску в ГГКТ, яка ґрунтується на раптовому гальмуванні дискретного струменя, дозволяє отримати аналітичну залежність розмаху кавітаційних коливань тиску від

На основі результатів теоретичних досліджень було розроблено програму експериментів, яка включала:

- експериментальне визначення витратних характеристик кавітаційних генераторів коливань тиску з дросельними пристроями різних типів;

- дослідження коливань тиску за кавітаційними генераторами коливань тиску різної конструкції;

- проведення спектрального аналізу кавітаційних коливань тиску, що генеруються КГКТ з дросельними пристроями різних типів.

Проведений порівняльний аналіз експериментально отриманих витратно-перепадних характеристик дросельних елементів КГКТ різних типів (насадка конфузорно-дифузорного типу, насадка Борда, циліндричного насадка, насадка із прямокутним каналом, діафрагми) показує, що як генератори кавітаційних коливань тиску доцільно використовувати насадки конфузорно-дифузорного типу і циліндричні насадки Вентурі. Для підвищення ефективності роботи конфузорно-дифузорних насадків останні рекомендовано виконувати укороченим дифузором з різким переходом до діаметра трубопроводу. Подальші експериментальні дослідження проведено саме для КГКТ з такими насадками. Для проведення повнофакторного експерименту використовувались методи математичного планування.

На підставі розрахунків за формулою (5) установлено, що в КГКТ з насадком Вентурі для розвитку і підтримання зони кавітації можна використати 43% енергії потоку, у генератора з конфузорно-дифузорним насадком скороченого типу - 62% енергії потоку, а у КГКТ з повнорозмірним конфузорно-дифузорним насадком - від 62% до 89% енергії потоку.

Експериментальні дослідження коливань тиску в дросельних елементах КГКТ виконувались за допомогою комплексу вимірювальної апаратури (рис. 5), який дозволяє визначати розмах і частоту коливань, а також проводити спектральний аналіз пульсацій тиску.

Високочастотні складові пульсації тиску (від 500 Гц до 40 кГц) досліджували за допомогою лабораторного вимірювального комплексу, який дозволяє вимірювати високочастотну складову коливань тиску з відображенням спектрального аналізу коливань. Експерименти проводили для КГКТ з конфузорно-дифузорним насадком і насадком Вентурі за різними значеннями тиску на вході в насадок (8,0 і 10,0 МПа) і за різними значеннями відносного перепаду тиску (від 0,40 до 0,975). Оцінювали також вплив параметрів самої гідросистеми на характеристики КГКТ. Для моделювання цього впливу генератори коливань тиску встановлювали у робочих камерах двох типів (тип А і тип Б), які відрізнялися об'ємами, жорсткістю стінок та конфігурацією

У результаті обробки експериментальних даних отримано залежності безрозмірного розмаху тиску від безрозмірного перепаду тиску для КГКТ з конфузорно-дифузорним насадком і насадком Вентурі у разі використання різних робочих камер (типу А і типу Б).

Високочастотна складова спектру (1 - 10 кГц) кавітаційних коливань тиску формується, здебільшого, в результаті співударянь дискретних мас рідини із загальмованим потоком рідини (так званий „снарядний” рух рідини). „Снарядний” рух дискретного струменя створює потужні пульсації коливань тиску на виході в робочій камері, їх амплітуда перевищує у 0,5 - 1,3 рази тиск живлення генератора. Під час співударяння дискретних мас рідини виникає захлопування мікрокаверн, що містяться у об'ємі рідини (з частотою 20 кГц і вище).

Важливим фактором, що генерує високочастотну складову спектра, є вихрові структури, що виникають на зрізі насадка. Коли вихор потрапляє у зону відновлення статичного тиску, відбувається захлопування вихору, що супроводжується пульсацією тиску з амплітудою, яка перевищує тиск живлення у 1,1 - 1,3 рази. Частота пульсацій ударного тиску становить 10 - 30 кГц. Іншим фактором, що вносить певну складову в характер кавітаційних коливань тиску, є турбулентні течії.

2. Кавітаційний генератор коливань тиску з конфузорно-дифузорним насадком створює коливання тиску більш високої амплітуди (у 2 рази), ніж КГКТ з насадком Вентурі.

3. Тонкостінний трубопровід, що очищується у кавітаційній камері, суттєво не впливає на розмах кавітаційних коливань тиску. Розмах кавітаційних коливань ударного тиску для КГКТ з робочою камерою Б, через яку проходить трубопровід, лише на 0,9 МПа нижчий, ніж розмах кавітаційних коливань тиску для КГКТ з робочою камерою Б, через яку проходить металевий стрижень. Товщина стінок робочих камер майже не впливає на розмах кавітаційних коливань тиску. Робочі камери поводяться як абсолютно жорсткі тіла. Зі збільшенням об'єму робочої камери розмах кавітаційних коливань тиску зменшується несуттєво.

4. Найбільший рівень кавітаційних коливань тиску спостерігається для КГКТ з конфузорно-дифузорним насадком, коливання тиску у 1,3 рази перевищує тиск живлення на режимі = 0,9.

У п'ятому розділі подано результати досліджень технологічних процесів очищення поверхонь від забруднень з використанням гідроприводних КГКТ.

Для очищення внутрішніх поверхонь гідроприводів розроблено оригінальну технологію очищення і спеціальний пристрій її реалізації, на що отримано декларативний патент України на винахід [8].

Пристрій складається із кавітаційної камери, утвореної корпусом і кришками , в яку поміщено трубопровід , заповнений мийною рідиною. У кавітаційній камері за допомогою кавітаційного випромінювача створюються високочастотні кавітаційні коливання тиску великої амплітуди. Інтенсивність пульсацій регулюється за допомогою дроселя, встановленого у відвідному каналі . Трубопровід у кавітаційній камері являє собою тонкостінну оболонку, яка під дією знакоперемінної сили набуває радіальної деформації високої частоти. Стінка трубопроводу „прохлопується”, що сприяє відриву забруднень від внутрішньої поверхні трубопроводу. Завдяки значній силі інерції, що діє на частинку забруднення і перевищує сили адгезії, відбувається відрив забруднення від поверхні трубопроводу. Завдяки пульсаціям стінки трубопроводу в рідині, що міститься (протікає) у трубопроводі, з'являються поперечні складові швидкостей, які створюють можливість перенесення разом із масою рідини (у поперечному напрямку) твердих частинок і підтримання їх у завислому стані. Якість очищення внутрішніх поверхонь трубопроводів оцінювалася за фракційним аналізом забрудненості мийної рідини на виході з трубопроводу після його очищення, а також методом, який широко використовується у виробництві - “пижуванням” трубопроводу.

Установлено, що оптимальний режим роботи кавітаційного генератора з очищення внутрішньої поверхні трубопроводу має такі параметри: МПа, . При цьому час кавітаційного очищення трубопроводу становить від 5 до 10 хв.

Для очищення більш стійких форм забруднень, таких як нагар і смолисті відкладення на паливних форсунках двигунів внутрішнього згоряння, рекомендовано застосувати кавітаційне струменеве очищення з безпосереднім впливом зони кавітації. Розроблено відповідну технологію струменевого очищення паливних форсунках з використанням кавітаційних КГКТ, яку впроваджено у виробництво.

З метою визначення оптимальних параметрів режимів очищення трубопроводів і агрегатів гідросистем від забруднення проведено спеціальні експериментальні дослідження процесів кавітаційної ерозії конструкційних матеріалів з визначенням інкубаційного періоду розвитку кавітаційної ерозії для різних матеріалів, знання якого необхідне для того, щоб у процесі кавітаційного очищення не пошкодити саму поверхню, що очищується.

За результатами проведених досліджень технологічних процесів очищення поверхонь від забруднень з використанням КГКТ можна зробити такі висновки.

1. Для очищення внутрішніх поверхонь трубопроводів від забруднень найбільш ефективним є використання КГКТ із укороченими конфузорно-дифузорними насадками або з насадками типу трубки Вентурі.

2. Уточнено фізичну модель видалення частинок забруднення з внутрішньої поверхні трубопроводу (враховано силу інерції), що містяться у зовнішньому полі кавітаційних коливань тиску КГКТ з циркуляцією рідини або без циркуляції рідини.

3. Експериментальним шляхом визначено ефективні режими роботи КГКТ щодо очищення внутрішньої поверхні трубопроводу. Так, для очищення трубопроводів, виготовлених із сплаву Д16 АТВ, максимальний ефект досягається за такими параметрами кавітаційного генератора: МПа, .

4. Для КГКТ із конфузорно-дифузорним насадком установлено оптимальну відносну довжину дифузорної частини кавітаційного генератора (= 6...12), за якої реалізується ефективне очищення поверхні конструктивного матеріалу. При цьому кут розкриття дифузора має бути в межах 15є - 20є, а кут конфузора - 60є - 75є.

5. Час кавітаційного очищення трубопроводу і поверхонь деталей агрегатів гідроприводу не повинен перевищувати інкубаційного періоду розвитку кавітаційної ерозії конструкційного матеріалу, який для сплаву Д16 АТВ становить 15 хв, для сплаву ВТ15 - 120 хв, для неіржавійної сталі 1Х18Н9Т - 140 хв.

6. Визначено вплив на величину кавітаційної ерозії конструкційного матеріалу кута розміщення зразка відносно осі симетрії генератора; максимального значення інтенсивність кавітаційної ерозії досягає, коли кут нахилу становить 90є.

7. Для виготовлення кавітаційних насадків КГКТ рекомендовано використовувати такі конструкційні матеріали: БрОС10-10, БрОАЦе10-1, ВТ-15, ЛМцСКН, 1Х18Н9Т, ЛМцСКА.

Шостий розділ присвячено питанням упровадження результатів проведених досліджень.

Результати досліджень упроваджено у виробництво:

- на Житомирському ремонтно-механічному заводі під час виконання НДР №395-ДБ07 в технологічний процес відновлення двигунів внутрішнього згоряння військової техніки; створено і впроваджено установку для кавітаційного очищення розпилювачів форсунок двигунів внутрішнього згоряння;

- у ЗАТ «Київське центральне конструкторське бюро арматуробудування» під час розроблення технології очищення трубопровідних систем і арматури енергетичних об'єктів.

Результати досліджень упроваджено у навчальний процес Національного авіаційного університету і використовуються в процесі викладання навчальної дисципліни “Прикладна механіка рідини і газу”.

На підставі отриманих результатів досліджень розроблено інженерну “Методику з вибору параметрів і розрахунку характеристик кавітаційних генераторів коливань тиску” і “Програму розрахунку на ПЕОМ характеристик гідродинамічних генераторів кавітаційних коливань тиску”, які передано для впровадження до ЗАТ «Київське центральне конструкторське бюро арматуробудування», а також використовуються в дипломному проектуванні для підготовки магістрів в Національному авіаційному університеті за спеціальністю 8(7).100101 “Літаки і вертольоти”.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У результаті виконаних експериментально-теоретичних досліджень на підставі уточненої моделі генерування коливань тиску в дросельних елементах КГКТ розроблено наукові основи проектування гідроприводних гідродинамічних кавітаційних генераторів коливань тиску для очищення елементів гідравлічних систем від забруднень.

Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи полягають у такому:

1. Виявлено особливості фізичних процесів генерування кавітаційних коливань тиску дросельними елементами КГКТ різної конфігурації; запропоновано розрахункову схему потоку робочої рідини з розривом суцільності у вигляді приєднаних каверн і каверн, що переміщуються.

2. Отримано розрахункові залежності між геометричними параметрами КГКТ, відносним перепадом тиску на його дросельному елементів та параметрами пульсаційної течії робочої рідини на виході генератора, в тому числі:

- установлено, що як критерій кавітації для високонапірного дроселювання робочої рідини у дросельних елементах КГКТ можна використовувати відносний перепад тиску , який чисельно дорівнює числу Ейлера (Eu);

- отримано уточнені аналітичні залежності для розрахунку ступеня прискорення кавітаційного струменя у дросельному елементі КГКТ (), а також для оцінювання відносного об'єму виділеної парогазової суміші у зоні кавітації ();

- запропоновано уточнену аналітичну залежність швидкості поширення збурень у кавітаційному струмені КГКТ з урахуванням відносного об'ємного вмісту виділеної парозагової суміші;

- отримано розрахункову залежність визначення розмаху кавітаційних коливань тиску на виході КГКТ від відносного перепаду тиску на дросельному елементі генератора.

3. Запатентовано перспективний спосіб очищення внутрішніх поверхонь трубопроводів і розроблено рекомендації щодо визначення раціональної конфігурації КГКТ для здійснення процесів очищення елементів гідроприводу від забруднень.

4. Експериментальним шляхом отримано спектральні характеристики КГКТ і встановлено частоти, на які припадають максимуми пульсацій тиску; виявлено кореляційні залежності між розмахом кавітаційних коливань тиску у КГКТ і відносним протитиском на дросельному елементі генератора; виявлено вплив параметрів КГКТ на розмах кавітаційних коливань тиску.

5. Виявлено вплив режимів очищення на розвиток кавітаційної ерозії поверхонь елементів і агрегатів гідроприводу, виготовлених з різних конструкційних матеріалів.

6. Розроблено науково обґрунтовану інженерну методику і математичне забезпечення розрахунку на ПЕОМ параметрів і характеристик КГКТ, що застосовуються у процесах очищення внутрішніх поверхонь трубопроводів і агрегатів систем гідроприводу від забруднень.

7. Науково обґрунтовано рекомендації щодо вибору раціональних режимів очищення елементів гідравлічних систем від забруднень з урахування запобігання кавітаційній ерозії конструкційних матеріалів.

8. Результати проведених досліджень упроваджено у виробництва на Житомирському механічному заводі в технологічний процес ремонту мобільних машин і в ЗАТ «Київське центральне конструкторське бюро арматуробудування» у технологічний процес виготовлення виробів арматури різного призначення, а також у навчальний процес Національного авіаційного університету при підготовці інженерних кадрів за спеціальністю 8(7).100101 “Літаки і вертольоти”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Глазков М.М. Влияние режимов дросселирования на локализацию и интенсивность эрозии гидроаппаратуры в потоке жидкости / М.М.Глазков, Т.В.Тарасенко // Промислова гідравліка і пневматика. - 2003. - №2. - С. 43 - 46. (Здобувачем на підставі експериментальних досліджень дана оцінка впливу режимів дроселювання на процеси кавітаційної ерозії конструктивних матеріалів.)

2. Глазков М.М. Модель генерирования кавитационных колебаний давления / М.М.Глазков, В.Н.Куринков, Т.В.Тарасенко // Вибрации в технике и технологиях. - 2003. - №4 (30). - С. 40 - 43. (Здобувачем було розроблено фізичну модель генерування кавітаційних коливань тиску.)

3. Тарасенко Т.В. Определение параметров рабочей жидкости в кавитационных устройствах / Т.В. Тарасенко // Вибрации в технике и технологиях. - 2003. - №2 (28). - С. 74 - 76.

4. Глазков М.М. Влияние кавитации на гидравлические характеристики дроссельных устройств гидропривода / М.М.Глазков, В.Г.Ланецкий, В.Н.Куринков, Т.В.Тарасенко // Вісник СумДУ. „Технічні науки”. - 2003. - №13 (59). - С. 53 - 59. (На основі експериментальних досліджень здобувачем визначено вплив кавітації на гідравлічні характеристики дросельних пристроїв.)

5. Глазков М.М. Функциональные кавитационные устройства испытания материалов на кавитационную стойкость и очистки от загрязнений / М.М.Глазков, Т.В.Тарасенко // Промислова гідравліка і пневматика. - 2005. - №2 (8). - С. 100 - 103. (Здобувач виконано огляд існуючих кавітаційних пристроях для очищення поверхонь і проведено дослідження кавітаційної ерозії.)

6. Глазков М.М. Использование кавитационных технологий в системах гидропривода / М.М.Глазков, Т.В.Тарасенко, В.И.Литвиненко // Промислова гідравліка і пневматика. - 2005. - №3 (9). - С. 86 - 90. (Здобувачем зроблено аналіз використання кавітаційних технологій для очищення агрегатів і елементів гідросистем від забруднень.)

7. Глазков М.М. Структура кавітаційних струменів у дросельних пристроях гідравлічних систем / М.М.Глазков, М.Г.Макаренко, Т.В.Тарасенко // Промислова гідравліка і пневматика. - 2008. - №1 (19). - С. 31 - 35. (Здобувачем було експериментально визначено структуру кавітаційного потоку у дросельному пристрої.)

8. Пат. 51481 Україна B08B9/27. Спосіб очищення внутрішньої поверхні трубопроводу та пристрій для його здійснення / Глазков М.М., Курінков В.М., Тарасенко Т.В.; НАУ. - № 2002042866; заявл. 09.04.2002; опубл. 15.11.2002, Бюл. №11. - 2 с.

9. Пат.11842 Україна МПК (2006).С01В37/00. Кавітаційний змішувач проточного типу / Ланецький В.Г., Глазков М.М., Тарасенко Т.В.; НАУ. - №u200506265; заявл. 24.06.2005; опубл. 16.01.2006, Бюл. № 1.- 2 с.

10. Пат. 40062 Україна, МПК В29В 17/00. Спосіб утилізації автопокришок та інших гумотехнічних виробів / Бадах В.М., Бочаров В.П., Тарасенко Т.В., Ящук О.П.; заявник і патентотримач Нац. авіац. ун-т. - № u2008 11947; заявл. 08.10.08; опубл. 25.03.09, Бюл. № 6.

11. Пат. 40063 Україна, МПК В29В 17/00. Пристрій для гідроабразивної деструкції автопокришок \ Бадах В.М., Бочаров В.П., Тарасенко Т.В., Ящук О.П.; заявник і патентотримач Нац. авіац. ун-т. - № u2008 11948; заявл. 08.10.08; опубл. 25.03.09, Бюл. №6.

12. Глазков М.М. Математична модель розмаху кавітаційних пульсацій тиску / М.М. Глазков, М.Г. Макаренко, Т.В. Тарасенко // Матеріали IX Міжнародної науково-технічної конференції „Авіа - 2007”. - Т. №2. - К.: НАУ. - 2007. - С. 60 - 62. (Здобувач розробив математичну модель для визначення розмаху кавітаційних коливань тиску, на основі теореми імпульсів.)

АНОТАЦІЯ

Тарасенко Т. В. Гідроприводні кавітаційні генератори коливань тиску для очищення елементів гідравлічних систем. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 - машинознавство. - Київ, 2009.

Дисертацію присвячено розвитку наукових основ розрахунку і раціонального вибору параметрів та характеристик гідроприводних кавітаційних генераторів коливань тиску (КГКТ).

Уточнено фізичну модель генерування кавітаційних коливань тиску в дросельних елементах КГКТ і отримано аналітичні залежності для розрахунку ступеня прискорення кавітаційного струменя у дросельному пристрої КГКТ, оцінки об'єму виділеного повітря у зоні кавітації, а також розмаху кавітаційних коливань тиску від відносного перепаду тиску на кавітаційному генераторі.

Запатентовано перспективний спосіб очищення внутрішніх поверхонь трубопроводів і розроблено рекомендації щодо раціональної конфігурації КГКТ для здійснення процесів очищення елементів гідроприводу від забруднень.

Експериментальним шляхом виявлено кореляційні залежності між розмахом кавітаційних коливань тиску у КГКТ і відносним перепадом тиску на дросельному елементі генератора, а також вплив параметрів генератора на розмах кавітаційних коливань тиску.

Виявлено вплив режимів очищення на розвиток кавітаційної ерозії поверхонь елементів і агрегатів гідроприводу, виготовлених з різних конструкційних матеріалів.

Розроблено науково обґрунтовану інженерну методику і програму розрахунку на ПЕОМ параметрів і характеристик КГКТ. Результати проведених досліджень впроваджено у виробництва.

Ключеві слова: гідропривід, генератор, течія рідини, кавітація, перепад тиску, очищення, дросельний пристрій, розмах і частота пульсацій тиску.

АННОТАЦИЯ

Тарасенко Т. В. Гидроприводные кавитационные генераторы колебаний давления для очистки элементов гидравлических систем. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 - машиноведение. - Киев, 2009.

Диссертация посвящена развитию научных основ расчета и рационального выбора параметров и характеристик гидроприводных кавитационных генераторов колебаний давления (КГКТ).

Визуально исследовано структуру кавитационной зоны в дроссельном элементе генератора, уточнено особенности протекания кавитационных процессов. Экспериментально установлены две формы разрыва потока при кавитации в дроссельных элементах КГКТ: перемещающиеся каверн и присоединённые каверны. Первые образуются на начальной стадии кавитации; при развитой кавитации образуются оба вида каверн. Установлены частоты отрыва присоединённых каверн при высоконапорном дросселировании жидкости. Экспериментально установлено, что на срезе дроссельного элемента образуются вихревые структуры, имеющие высокую частоту генерирования.

Установлено закономерности распределения кавитационной зоны в дроссельных каналах типа насадка Вентури и конфузорно-дифузорного насадка. Для насадка Вентури характерно мгновенное распространение кавитационной зоны по длине дроссельного канала, что не характерно для конфузорно-дифузорного насадка.

На основании визуальных исследований уточнено физическую модель генерирования кавитационных колебаний давления в дроссельных элементах КГКТ: предложена расчетная схема потока рабочей жидкости с разрывами сплошности в виде присоединенных каверн и перемещающихся каверн. На основе данной физической модели и предложенной расчетной схемы впервые получены аналитические зависимости для расчета степени ускорения кавитационной струи рабочей жидкости в дроссельном устройстве КГКТ, оценки объема выделенного воздуха в зоне кавитации, скорости распространения возмущений в кавитационной зоне, а также размаха кавитационных колебаний давления от относительного перепада давления на кавитационном генераторе.

Запатентован перспективный способ очистки внутренних поверхностей трубопроводов и очистки распылителей форсунок двигателей внутреннего сгорания от нагара, а также разработаны рекомендации относительно рациональной конфигурации КГКТ и режимов работы для осуществления процессов очистки элементов гидропривода от загрязнений. Предложен механизм удаления загрязнений из внутренней поверхности трубопровода при воздействии квитационных колебаний давления.

Экспериментальным путем получены спектральные характеристики КГКТ и установлены частоты, на которые приходятся максимумы пульсаций давления в генераторе; выявлены корреляционные зависимости между размахом кавитационных колебаний давления в КГКТ и относительным перерепадом давления на дроссельном элементе генератора; выявлено влияние параметров КГКТ на размах кавитационных колебаний давления. Экспериментально установлено, что КГКТ генерируют широкий спектр кавитационных колебаний давления. Причиной низкочастотной составляющей кавитационного спектра колебания давления является модуляция плунжерной частоты насоса с частотой генерирования дискретных мас жидкости. Высокочастотную составляющую спектра генерируют вихревые структуры и дискретное движение потока жидкости, а также групповое схлопывание кавитационных пузырьков. Получены экспериментальные характеристики КГКТ, установлены оптимальные режимы работы генератора, на которые приходятся максимальная амплитуда кавитационных колебаний давления.

Оценено влияние режимов очистки на развитие кавитационной эрозии поверхностей элементов и агрегатов гидропривода, изготовленных из разных конструкционных материалов. Определены факторы, способствующие развитию кавитационной эрозии. Рекомендованы конструкционные материалы для изготовления КГКТ, имеющие высокую кавитационную стойкость. Определено рациональное время кавитационной очистки элементов гидропривода с целью предотвращения кавитационной эрозии для разных конструкционных материалов.

Разработаны научно обоснованная инженерная методика и программа расчета на ПЕОМ параметров и характеристик КГКТ, а также рекомендации относительно выбора рациональных режимов очистки с целью предотвращения кавитационной эрозии конструкционных материалов.

Результаты проведенных исследований внедрены в производства на Житомирском механическом заводе в технологический процесс ремонта топливной аппаратуры мобильных машин, в ЗАО «Киевское центральное конструкторское бюро арматуростроения» в технологический процесс изготовления изделий арматуры разного назначения, а также в учебный процесс Аэрокосмического института Национального авиационного университета для студентов специальности 8(7).100101 “Самолеты и вертолеты”.

Ключевые слова: гидропривод, генератор, течение жидкости, кавитация, перепад давления, очистки, дроссельное устройство, размах и частота пульсаций давления.

ANNOTATION

Tarasenko T. V. Hydraulic driven cavitation generators of pulsation pressure for cleaning hydraulic systems elements. Manuscript.

The aim of dissertation for scientific degree of candidate science in specialty 05.02.02 - engineering science. - Kiev, 2009.

Dissertation is development of scientific base of calculation and rational choice of parameters and characteristics of hydraulic driven cavitation generators of pulsation pressure (СGPP).

The physical model of cavitation pressure fluctuations generation is specified in throttle elements of CGFP: the calculation chart of stream of liquid flow is offered with the breaks of wholeness as the added cavities and moving cavities. On the basis of this physical model and offered calculation chart analytical dependences are first considered for calculation the degree of acceleration of cavitation stream of working liquid in the throttle device of СGPP, estimations of volume of the selected air in the area of cavitation, and also scope of cavitation pressure pulsations from the relative overfall of pressure on a cavitation generator.

The perspective method of cleaning the inward surfaces of pipelines is patented and recommendations are developed in relation to rational configuration of СGPP for realization of processes of cleaning the elements of hydraulic drive from contaminations. By experimental way a spectral descriptions of CGPP has bein achieved and freguencies with maximum pulsation process have bein installed, cavitation pressure fluctuations in СGPP and relative pressure drop on the throttle element of generator, the influence of parameters of СGPP on the scope of cavitation pressure pulsations are exposed.

The estimation of influencing of the cleaning modes is given by development of cavitation erosion on surface of elements and aggregates of hydraulic drive made from different structural materials.

Scientifically grounded engineering method and program of calculation on PEOM parameters and descriptions of СGPP and also recommendationis given in relation to the choice of the rational modes of cleaning with the purpose of preventing the cavitation corrosion of structural materials is developed.

The results of the conducted researches are applied in industries at the Zhitomir mechanical plant in the technological process of repairing mobile machines, in «Kiev Central Design Bureau of Valves»” in the technological process of fittings production.

Keywords: hydraulic drive, generator, liquid flow, cavitation, difference of pressure, cleanings, throttle device, scope and frequency of pressure pulsation.

Размещено на Allbest.ru

...