Гідродинаміка гасителів енергії суднових систем гідроприводу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський національний морський університет

УДК.629.123

05.22.20 - Експлуатація та ремонт засобів транспорту

Автореферат

дисертації на здобуття вченого

ступеня кандидата технічних наук

ГІДРОДИНАМІКА ГАСИТЕЛІВ ЕНЕРГІЇ СУДНОВИХ СИСТЕМ ГІДРОПРИВОДУ

Леонов Вячеслав Вікторович

Одеса - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському національному морському університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Малахов Олексій Володимирович, Одеський національний морський університет, професор кафедри "Теорія та проектування корабля".

Офіційні опоненти:

- Доктор технічних наук, професор Івановський Валерій Георгійович, Одеський національний морський університет, завідувач кафедрой-професор "Суднові енергетичні установки та технічна експлуатація".

- Кандидат технічних наук, доцент Колегаєв Михайло Олександрович, Одеська національна морська академія, декан судномеханічного факультету, завідувач кафедри "Безпека життєдіяльності".

Захист відбудеться 17 лютого 2010 р. о 10³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.060.01 в Одеському національному морському університеті за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Мечникова, 34.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного морського університету. 65029, м. Одеса, вул. Мечникова 34, ОНМУ.

Автореферат розісланий 14 січня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради E.П. Лукаш

Анотації

Леонов В.В. Гідродинаміка гасителів енергії суднових систем гідроприводу. - Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 - Експлуатація і ремонт засобів транспорту. - Одеський національний морський університет МОН України, Одеса, 2010 р.

Дисертація присвячена рішенню проблеми підвищення якості роботи суднових систем гідроприводу на пускових і пікових режимах експлуатації. Головним результатом роботи є гідродинамічний вузол гасіння надлишкової енергії у потоку робочої рідини, що рухається.

В обчислювальних і натурних експериментах встановлено, що поблизу обтічника виникає складна вихрова область, яка відбирає із потоку надлишкову енергію в потрібній кількості. Був вивчений характер змін в часі локальних й інтегральних параметрів дискового обтічника.

Сформульовано методику проектування, виробництва, монтажу й експлуатації гасителя надлишкового напору. На її основі можливе одержання оптимальних значень конструктивних параметрів гасителя енергії й кінематичних характеристик робочого потоку. Методика надає можливість оцінки величини гідродинамічного надлишкового напору, що відбирається.

Ключові слова: лінія суднового гідроприводу, надлишковий тиск, гідродинамічний гаситель енергії, коефіцієнт опору, коефіцієнт місцевих втрат, довжина ближнього сліду.

Леонов В.В. Гидродинамика гасителей энергии судовых систем гидропривода. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 - Эксплуатация и ремонт средств транспорта. - Одесский национальный морской университет МОН Украины, Одесса, 2010г.

Диссертация посвящена решению проблемы повышения качества работы судовых систем гидропривода на пусковых и пиковых режимах эксплуатации. Главным результатом работы является новый гидродинамический узел гашения избыточного инерционного напора у движущегося потока рабочей жидкости. Показано, что при судоремонтных работах приоритетным направлением является установка в рабочих линиях судовых систем гидропривода поворотных гидромеханических обтекателей дисковой формы. За счет возникающих специфических особенностей гидродинамического взаимодействия ограниченного потока с такими обтекателями может быть достигнут практически мгновенный и полный отбор инерционного напора у движущегося потока рабочей жидкости. Устанавливаемые при ремонте судна обтекатели выступают единственными техническими устройствами, которые играют роль гасителей избыточной кинетической энергии движущейся рабочей жидкости. В ходе экспериментов установлено, что они не создают большого гидравлического сопротивления при эксплуатации системы судового гидропривода.

В вычислительных и натурных экспериментах установлено, что вблизи обтекателя возникает сложная вихревая область, которая в зависимости от степени перекрытия потока отбирает избыточную энергию в нужном количестве. Показано, что коэффициент местных потерь дискового обтекателя принимает большие значения при степени перекрытии потока более 30 %. В ходе натурных экспериментов установлена нелинейная зависимость коэффициента местных потерь от угла поворота дискового гасителя энергии. Характерный пик максимальных значений соответствует углу атаки потока, равному = 0⁰, и диапазону чисел Рейнольдса Re = 6740 9480. Зона автомодельности коэффициента сопротивления наступает при Re = 7000. С учетом данных серии экспериментов установлено, что длина рабочей камеры, содержащей дисковый гаситель инерционного напора, должна составлять не более 5-6 калибров рабочей линии судового гидропривода и допускать возможность температурной деформации.

На основании разработанной математической модели был изучен характер изменения во времени локальных и интегральных параметров дискового обтекателя. Анализ данных указывает на однозначный вывод о возникновении вихревых образований вблизи гасителя энергии. Характерными результатами в этом случае являются поля завихренности, изменение которых показывает, что в тыльной части дискового обтекателя вне зависимости от угла его поворота завихренность, а, следовательно, и диссипация энергии в мелкомасштабных турбулентных вихрях отсутствует полностью. При этом перед дисковым обтекателем возникает сложная вихревая структура, содержащая большое количество более мелких вихревых включений. При прохождении волн инерционного напора вихревая область, отбирая их избыточную энергию, резко увеличивается в своих размерах в направлении, противоположном основному потоку. При этом, после достижения стационарного давления в системе судового гидропривода вихревая зона перед дисковым гасителем энергии существенно уменьшается в своих размерах вплоть до полного исчезновения.

Сформулирована методика проектирования, производства, монтажа и эксплуатации дискового гасителя избыточного инерционного напора. На ее основе возможно получение оптимальных значений геометрических размеров гасителя энергии и кинематических характеристик рабочего потока. Методика предоставляет возможность качественной и количественной оценки величины отбираемого избыточного гидродинамического напора.

Ключевые слова: линия судового гидропривода, избыточный напор, гидродинамический гаситель энергии, коэффициент сопротивления, коэффициент местных потерь, длина ближнего следа.

Leonov V.V. Hydrodynamics of energy extinguishers for ship systems of gidroprivoda. - Manuscript

Thesis for a scientific degree of Candidate of Technical Sciences at specialty 05.22.20 - Exploitation and Repair of Transport Facilities. - Odessa National Marine University of Ministry of Education and Science of Ukraine, Odessa, 2010.

Dissertation devoted to the problem solution of ship's hydraulic drive systems work upgrading on start and peak modes of exploitation. Main result of the work is a hydrodynamic unit for extinguishing of surplus energy at the moving flow of working liquid.

It is set in numerical and model experiments, that near-by to fair arises complicated vortical area, taking away at a stream surplus energy in a necessary amount. Character of time-history of local and integral parameters of disk fair was studied.

Technique for design, production, assembling and exploitation of surplus pressure extinguisher, is formulated. On its basis the optimum values of construction parameters of energy extinguisher and kinematics characteristic of working flow is possible to receive. A methodic allows to estimate the value of the taken away surplus hydrodynamic head.

Keywords: line of ship's hydraulic drive, surplus head, hydrodynamic extinguisher of energy, drag coefficient, coefficient of local losses, length of near wake.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проблема якісного керування основними гідромеханічними, а зокрема інерційними характеристиками потоку, що рухається, є актуальною в багатьох випадках технічних додатків. Особливо дана проблема виникає у зв'язку з особливостями експлуатації водного транспорту. Питання, пов'язані з керуванням або регулюванням суднових систем гідроприводу при їх роботі на пікових навантаженнях вимагають свого якісного розв'язання (рішення). Системи гідроприводу, що використовуються на суднах є чутливими до динамічних навантажень, які в них виникають. На суднах практично всіх типів система гідроприводу використовується в більшості технологічних операцій при стоянці судна й при проведенні вантажно-розвантажувальних або швартовних робіт. Слід зазначити, що у випадку використання технологічно замкнутих систем гідроприводу дуже важливим є питання керування їх інерційними параметрами. У більшості випадків при виконанні на судні технологічних операцій часто виникає необхідність миттєвої зупинки робочої рідини в системі робочих трубопроводів гідроприводу.

Характерним прикладом є робота суднового вантажного пристрою. Під час його експлуатації часто виникає необхідність зупинки основної робочої й/або допоміжної стріли, що працюють у єдиній схемі. Зупинка повинна здійснюватися у чітко зафіксованих положеннях стріли. При цьому проявлена інерційність робочої рідини гідроприводу, що використовується, а також складність механічної частини його гальмового пристрою не дозволяє домогтися технологічно необхідних просторово фіксованих положень. У результаті цього недоліку вантажна стріла дуже часто коливається біля необхідного положення, що викликає ускладнення в роботі оператора й обслуговуючого персоналу трюмів й інших вантажних приміщень (автопалуба, рефрижераторні відсіки тощо). Розглянутий недолік є причиною раннього зношування механічних частин і істотно впливає на командно-контролерну апаратуру керування вантажним пристроєм. На сучасних суднах проблеми просторової фіксації вантажної стріли додатково можуть впливати на комутаційні процеси, що використовуються у схемах електронного керування.

Подібні технічні проблеми мають місце у випадку використання гідроприводу у швартовних пристроях, де необхідно регулювати плавність роботи шпиля або брашпиля. Частково вони можуть зустрічатися в шлюпбалках аварійно-рятувального обладнання, а також у системах люкових закриттів трюмів або при роботі підйомно-транспортного обладнання спеціалізованих суден (РО-РО, поромів тощо.). Зазначені технічні пристрої повинні забезпечувати сталу роботу в складних умовах плавання судна при високих динамічних навантаженнях, наприклад, при проведенні вантажних операцій у відкритому морі. Складні умови роботи можуть виникати при виконанні різних гідротехнічних робіт у випадку важкої навігаційної обстановки або несприятливих погодних умов. Прикладом подібних ситуацій можуть бути виробничі завдання судноремонтного комплексу, пов'язані з монтажем або експлуатацією морських нафто- або газодобувних терміналів, коли судна є невід'ємною частиною технологічного комплексу й беруть участь у виконанні робочих операцій. Аналогічним чином при роботі гідроприводу на пускових навантаженнях виникає істотний дисбаланс у зв'язку з наявністю в системі робочих ліній хвиль інерційного напору. У цьому випадку стартова енергія, що передається робочій рідині гідроприводу, завжди перевищує необхідну експлуатаційну величину. Загасання інерційних хвиль тиску повинне відбуватися миттєво, що на практиці виконується дуже рідко, оскільки даний процес є періодичним із згасаючою в часі амплітудою коливань.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Тема дисертації відповідає програмам і планам виконання фундаментальних науково-дослідних робіт Міністерства освіти й науки України (Наказ № 633 від 05.11.2002 р.) і Одеського національного морського університету на період 2006-2009 рр., а результати проведених досліджень відповідають завданню державної науково-дослідної теми №0106U012597 "Гідродинаміка танкерів обслуговування нафтовидобувних систем континентального шельфу", в якій здобувач був виконавцем розділу, присвяченого створенню робочої методики визначення силової взаємодії судна й елементів точкового причалу.

Мета й завдання досліджень. Мета роботи полягає у створенні нового гідродинамічного вузла гасіння надлишкової енергії для експлуатації суднових систем гідроприводу на пікових навантаженнях.

Для вирішення поставленої мети був сформульований наступний ряд завдань:

- розробити математичну модель й одержати на її основі всі інтегральні і локальні гідромеханічні характеристики дискового обтічника;

- одержати просторові епюри тиску й встановити характер його розподілу на поверхні дискового обтічника при взаємодії з обмеженим потоком робочої рідини суднового гідроприводу;

- одержати залежності основних гідродинамічних характеристик дискового гасителя енергії від кінематичних характеристик потоку, що рухається;

- одержати і систематизувати дані з відривних і застійних зон поля течії рідини поблизу диска;

- розробити алгоритм і методику проектування дискових гасителів енергії для суднових систем гідроприводу;

- розробити повну конструктивну методику проведення судноремонтних робіт при модернізації систем суднового гідроприводу.

Об'єкт дослідження - процес гідромеханічної взаємодії потоку робочої рідини гідроприводу з поворотним дисковим гасителем енергії.

Предмет дослідження - гідродинамічний вузол гасіння надлишкового напору потоку робочої рідини суднової системи гідроприводу.

Методи дослідження - теоретичний і експериментальний. Теоретичний метод базується на серії розрахункових експериментів з використанням кінцево-різницевого рішення повних рівнянь руху Навье-Стокса.

Експериментальний метод базується на виконанні серії натурних експериментів за допомогою автоматизованих науково-дослідних установок, працюючих на газоподібних й крапельних середовищах.

Наукова новизна отриманих результатів. Створення нового вузла відбору надлишкового напору в потоці робочої рідини забезпечує підвищення якості роботи суднової системи гідроприводу, зводячи до мінімуму вплив хвиль інерційного напору на пускових або пікових навантаженнях.

Наукову новизну становлять вперше одержані результати:

вперше показана можливість використання в суднових системах гідроприводу гідродинамічних обтічників для вирішення проблеми відбору надлишкової енергії в потоці робочої рідини;

вперше експериментальним шляхом детально досліджений просторовий розподіл тиску поблизу поверхні дискового обтічника в залежності від його геометричного розташування відносно стінок циліндричної робочої камери гідроприводу;

вперше експериментальним шляхом досліджений вплив стінок трубопроводу на характер течії рідини поблизу диска в залежності від його кута оберту;

вперше отримані результати, що описують просторову гідродинамічну взаємодію потоку рідини, що обмежена стінками циліндричної камери з обтічником, виконаним у вигляді диска.

Практична цінність отриманих результатів. Основними практичними результатами даної роботи є:

підвищення надійності роботи і строку експлуатації суднових систем гідроприводу;

розробка і реалізація нового технічного рішення, що дозволяє під час пікових навантажень оптимально відбирати з робочої рідині суднових систем гідроприводу надлишкову гідродинамічну енергію;

одержання ряду нових і раніше невідомих результатів для розробленого обертального дискового гасителя енергії потоку;

можливість одержання максимальної економічності роботи суднової системи гідроприводу за рахунок забезпечення оптимальної роботи на пусковому і піковому експлуатаційному режимах;

можливість конструювання вузла гасіння інерційного напору для будь-яких заданих конструктивних і технологічних параметрів суднової системи гідроприводу;

розробка практичних рекомендацій з розрахунку, виготовленню, монтажу й експлуатації запропонованої конструкції гідродинамічного гасителя енергії;

створення методики проектування вузла гасіння надлишкового напору, що дозволяє при своєму використанні вирішувати повний спектр питань, пов'язаних з керуванням судновими системами гідроприводу на всіх морських суднах і берегових судноремонтних підприємствах України.

Персональний внесок здобувача. Автором самостійно проведений патентно-інформаційний пошук, теоретичні й експериментальні дослідження, аналіз, узагальнення і статистична обробка отриманих результатів, сформульовані висновки дисертації.

У наукових статтях, що опубліковані у співавторстві, здобувачеві належать наступні результати: [2] - розробка гідродинамічного стенду, проведення натурних експериментів й обробка результатів візуалізації течії потоку рідини; [3] - проведення розрахунків і експериментів, пов'язаних з вивченням поля течії потоку рідини поблизу обтічника і виконання експериментів з виміру поля тиску; [4] - проведення розрахунків й експериментів, пов'язаних з вивченням ближнього сліду за дисковим гасителем енергії; [5] - аналіз ступеня залежності кінематичних характеристик потоку робочої рідини від її фізичних властивостей.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи і окремих її розділів доповідалися й одержали схвалення на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ОНМУ 2006-2009 рр.

Робота також доповідалася і одержала позитивний відгук на Міжнародній науковій та науково-методичній конференції "Сучасні проблеми суднової енергетики-2006", ОНМА, Одеса, 2006 р.; VIII Міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні інформаційні й електронні технології", Одеса, 2007 р.; XII Міжнародній науково-практичній конференції "Гідроаеромеханіка в інженерній практиці", Луганськ, 2007 р.; Міжнародній науковій і науково-методичній конференції "Актуальні проблеми експлуатації суден", Одеса, 2008 р.; XII Міжнародному конгресі двигунобудівників, Рибаче, 2008 р.; XIII Міжнародній науково-практичній конференції "Гідроаеромеханіка в інженерній практиці", Київ, 2008 р.

Публікації. Основні матеріали дисертації й головні результати проведених досліджень були опубліковані в п'ятьох наукових статтях (у тому числі одна без співавторів) збірників наукових праць, що входять у перелік, затверджений ВАК України.

Основний зміст роботи

У вступі наведена загальна характеристика роботи, в якій особливо виділена її актуальність і розкрита наукова та практична новизна отриманих результатів, а також поставлена мета роботи.

У першому розділі наведений опис типових конструкцій суднових систем гідроприводу. З гідромеханічної точки зору розглянуті основні переваги й недоліки роботи їхніх складових елементів. Виконано детальний аналіз двох виконавчих технологічних схем суднового гідроприводу. Перша схема - типу PU-T 5/10,7 F (Project M050C), використовується у вантажних механізмах серійних теплоходів Українського Дунайського пароплавства. Друга схема призначена для використання в редукторах фірми Valmet і використовується в гідравлічній системі, що відповідає за виконання операцій з розвороту лопатей гвинта регульованого кроку.

У ході виконаного аналізу для двох систем гідроприводу встановлені їх загальні недоліки. Під час роботи першої схеми при гальмуванні або при пусковому навантаженні в робочій рідині гідроприводу в перші секунди спрацьовування клапана мікрорегулювання виникають хвилі інерційного напору, що приводять до негативних пульсацій розгальмівного тиску в системі і, як наслідок, автоколиванням піднімального механізму. У цьому випадку завжди має місце додаткове зношування його механічних вузлів і складових. При роботі другої схеми суднового гідроприводу, що призначена для використання в редукторах фірми Valmet, головним недоліком є вплив пускових навантажень сервонасосу на поведінку робочої рідини у всій системі. За рахунок виникаючого інерційного напору завжди існує інерційність при переміщенні робочих механізмів, що приводить до додаткового розвороту лопатей на гвинті регульованого кроку. Особливо гостро такий недолік проявляється на операціях швартування, де слабка керованість ходом судна є неприпустимою або навіть небезпечною. Зроблено висновок, що одним з варіантів усунення встановлених недоліків може бути модернізація схем гідроприводу при проведенні судноремонтних робіт. У цьому випадку оптимальним рішенням є встановлення вузла гасіння надлишкової енергії потоку робочої рідини безпосередньо в лініях робочих трубопроводів. У ході аналізу існуючих типів гідромеханічних регуляторів напору показано, що вони мають декілька загальних недоліків: залежність від властивостей робочої рідини, облітерацію, нерівномірність зміни градієнта поля тиску, віджими робочих елементів, що призводять до появи додаткових дотичних напружень, відсутність стабільності гідравлічної характеристики тощо. Усунення подібних недоліків є технологічно дорогим і дуже складним, оскільки вимагає використання обладнання, що працює на принципі ультразвукового очищення.

При розгляді теорії взаємодії високогрузьких рідин з обтічниками зроблений висновок про те, що оптимальним вирішенням розглянутої проблеми може бути таке технічне рішення, при якому буде передбачена можливість відбору з потоку надлишкової кінетичної енергії за рахунок використання тільки гідромеханічних властивостей самого потоку. У цьому випадку передбачається встановлення дискового обтічника в середині циліндричної робочої камери, яка є невід'ємною частиною робочої лінії гідроприводу. При такому технічному рішенні характер взаємодії диску з потоком, що рухається, буде завжди напряму визначатися виключно умовами його обтікання.

На підставі аналізу відомих технологічних схем систем суднового гідроприводу та з урахуванням даних інших дослідників сформульована постанова основної і допоміжних завдань досліджень.

У другому розділі надано детальний опис основних особливостей взаємодії обмеженого потоку робочої рідини з дисковими обтічниками і виконано огляд методів розрахунку такого гідромеханічного процесу. Для наступного використання обраний кінцево-різницевий метод.

При виконанні зведеного аналізу значень і розрахункових формул для коефіцієнтів опору, знайдених іншими авторами в першому наближенні, зроблено висновок про те, що для одержання результатів більш високого порядку повинне виконуватися явне розв'язання внутрішньої гідромеханічної задачі. Воно повинне водночас враховувати геометричну форму обтічника і стінок трубопроводу.

Загальне формулювання задачі взаємодії потоку робочої рідини з дисковим гасителем енергії в робочій камері суднового гідроприводу показані на рисунку 1.



Рис. 1. Загальна схема задачі: а) просторова постановка; b) плоска постановка; 1 - гаситель енергії; 2 - камера; 3 - розрахункові перетини.

Для гідромеханічного процесу взаємодії робочої рідини суднової системи гідроприводу з дисковим гасителем інерційного напору розроблена математична модель, що базується на рівняннях Навьє-Стокса (1). Вони записані без урахування однієї з поперечних координат, тобто відповідно до рисунку 1-b використовується поздовжня й поперечна координати. Як замикаюче рівняння системи рівнянь Навьє-Стокса використане рівняння фон Неймана (2), що містить змінну часу t у неявному вигляді.

(1)

(2)

де V_y, V_z проекції вектора швидкості потоку на однойменні вісі координат, м/с; P тиск потоку, Па; y, z просторові координати, м; щільність рідини, кг/м ³; кінематична грузькість рідини, м ²/с.

Граничні умови виражаються рівністю нулю складових повного вектора швидкості потоку в області розташування труби або диска.

Початковий градієнт тиску задається згідно відомим технічним даним і по довжині розрахункового об'єму приймається лінійним. У цьому випадку величина початкового тиску в i-му перетині розрахункового об'єму задається за законом

, (3)

де Р_i тиск у довільному перетині, Па; i поточний номер розрахункового перетину по довжині, i = 1...N; L довжина ділянки робочої камери суднового гідроприводу, м.

Початкові умови для дотичного напруження рідини в робочій лінії гідроприводу описуються рівняннями виду:

- для напруги зсуву біля стінки труби

(4)

- для напруги зсуву в основному потоці

(5)

Надалі величина дотичного напруження поблизу поверхні моделюючого дискового обтічника і його опір тертя при нульовому куті атаки визначаються як

(6)

, (7)

де b товщина диска, м; r радіус диска, м.

При дискретизації складових системи рівнянь (1)-(2) використовувалися центральні й односпрямовані різниці, а також хрестоподібний розрахунковий шаблон. У ході виконаних розрахунків було встановлено, що при взаємодії обмеженого потоку з дисковим гасителем енергії визначальним параметром є ступінь перекриття потоку. Так, на рисунку 2 видно, що величина коефіцієнта опору C_x диска приймають свої великі величини при ступені перекриття потоку більше 30 %, а при величині відповідно 60 % величина C_x виходить на своє стаціонарне значення. Динаміка зміни в часі величини C_x для двох дисків різної товщини представлена на рисунку 3. Отримано задовільний збіг з результатами інших авторів. гідропривід судновий гаситель напор

Були розраховані поля швидкості й тиску поблизу модельованого дискового гасителя інерційного напору потоку. На рисунках 4-5 для початкового (0 ⁰) і кінцевого (90 ⁰) кутів оберту показане відповідно поле швидкості в горизонтальній площині розрахункового циліндричного об'єму. Аналіз малюнків показує, що гіпотеза про виникнення енергетично витратних вихрових утворень поблизу гасителя енергії виконується повністю. Як виявляють результати розрахунків, при проходженні хвиль інерційного напору вихрова область, відбираючи надлишкову енергію, різко збільшується у своїх розмірах в напрямку, протилежному основному потоку. Після досягнення стаціонарного тиску в системі суднового гідроприводу вона істотно зменшується у своїх розмірах.



Рис.2. Залежність коефіцієнта опору C_x диска від ступеня перекриття потоку.

Рис.3. Зміна в часі коефіцієнта опору диска: 1 товщина диска 20 мм; 2 товщина диска 3 мм; 3 дані Біркгофа, Плессета й Сімонсона.

Рис.4 Поле швидкості Re = 10000, t = 239,7 c.



Рис.5 Поле швидкості Re = 10000, t = 312,1 c.

Чисельні експерименти показали, що швидкість потоку в кожній точці складної вихрової зони, що виникає перед тілом, є різною. Така нерівномірність розподілу локальних швидкостей у потоці вказує на той факт, що збурювання в довільно взятій частині простору в усіх напрямках будуть передаватися з різною швидкістю й інтенсивністю.

У третьому розділі з метою оцінки можливості наступного використання дискових обтічників як основних гасителів інерційного напору робочої рідини в суднових системах гідроприводу сформульовані експериментальні задачі досліджень і методика проведення експериментів. Подано детальний опис використаних при проведенні експериментальних робіт аеродинамічної установки і працюючого на краплинних рідинах автоматизованого науково-дослідного стенда. Наведено схему розробленого батарейного манометра і детально описана розроблена структурна схема мікропроцесорної системи для передачі даних вимірювань на ЕОМ. В результаті оцінки похибок експериментів були отримані величини середньої квадратичної відносної похибки вимірювань: витрати повітря _Q = 0,594 %, кінематичної грузькості _н = 0,0001 %, числа Рейнольдса _Re = 0,0102 %.

У ході проведення експериментальних робіт з візуалізації потоку робочої рідини поблизу дискового гасителя енергії був отриманий ряд результатів, які однозначно вказують на виникнення перед лобовою поверхнею диска складної вихрової області. У всіх експериментах уздовж лобової поверхні диска мала місце сильна турбулізація потоку, а шаруватий характер течії спостерігався тільки при дуже малих швидкостях руху робочої рідини. За диском турбулізація рідини, що рухається, мала місце в тій частині потоку, що перебувала за границею зовнішнього контура ближнього сліду. В основній частині потоку спостерігалися рівномірні, практично прямолінійні профілі швидкості. Цей результат збігся з результатами чисельних експериментів. На рисунках 6-7 показані експериментальний і розрахунковий профілі епюри швидкості в тильній частині дискового обтічника.

Для різних швидкостей потоку і ступеня перекриття робочої камери на поверхні диска у 89 точках були виконані виміри епюри тиску. На рисунку 8, де показана отримана експериментальна залежність коефіцієнта місцевих втрат диска від росту швидкості робочого потоку, видно, що, починаючи з числа Рейнольдса, рівного Re=7000, для величини починається зона автомодельності. Отримані для цієї зони чисельні значення набагато перевершують аналогічні дані для відомих типів шиберних заслінок.

В експериментах виконувалася оцінка коефіцієнта тиску диска. Загальний вид епюр тиску виявився універсальним. Симетричний розподіл тиску встановлений тільки при нульовому куті атаки потоку б. Зростання б приводило до зсуву зони максимуму тиску вбік більшого зазору між бічною поверхнею диска і стінками трубопроводу, однак характер розподілу тиску залишався незмінним. Якісна ідентичність епюр тиску спостерігалася й при зростанні швидкості потоку, що набігає. Приклад епюр тиску показаний на рисунку 9.



Рис. 6. Експериментальна епюра швидкості за диском: 1 - l/D = 0,2;2 - l/D = 1

Рис. 7. Розрахункова епюра швидкості за диском: 1 - l/D = 0,2; 2 - l/D =0,6; 3 - l/D = 0,8; 4 - l/D = 1,4

Рис. 8. Залежність коефіцієнту місцевих втрат від числа Рейнольдса потоку для тіла у вигляді диска.



б = 0⁰ б = 40⁰

Рис. 9. Розподіл тиску поблизу диска.

На рисунку 10 показано аналогічні, але вже просторові епюри тиску. Добре видно, що характерний конус просторової епюри тиску залишається незмінним поза залежністю від кута атаки потоку, що набігає.

б = 0⁰ б = 40⁰

Рис. 10. Епюра тиску на лобовій поверхні диска.

При роботі дискового гасителя енергії потоку дуже важливим є питання про форму й границі виникаючого ближнього сліду. Цей параметр вимірявся осереднюючою напірною трубкою при кутах атаки потоку, що дорівнює 0, 40 і 60 градусів для трьох режимів течії рідини. Лінії максимальних швидкостей, що відображають зовнішню границю ближнього сліду, показані на рисунках 11-12.

Рис. 11. Розподіл зони відриву за дисковим гасителем енергії при куті атаки потоку 40 градусів: 1 - V=7,539 м/с; 2- V=13,799 м/с; 3- V=19,842 м/с.

Рис. 12. Розподіл зони відриву за дисковим гасителем енергії при куті атаки потоку 60 градусів: 1 - V=7,484 м/с; 2- V=14,55 м/с; 3- V=20,206 м/с;

У четвертому розділі представлено докладний опис розробленої методики проектування дискового гасителя енергії потоку для суднових систем гідроприводу. На основі її використання ще на етапі проектування можливо показати, як і у якій кількості в потоку, що рухається, буде відбиратися надлишковий гідродинамічний тиск.

Використання розробленої методики передбачає розв'язання двох різних задач - прямої і зворотної. Рішення прямої задачі передбачає знаходження всіх геометричних розмірів дискового гасителя енергії, тобто визначення оптимального співвідношення геометрії робочої камери гідроприводу і конфігурації самого обтічника, включаючи ступінь перекриття потоку й оптимальний діапазон кутів його оберту залежно від робочої швидкості потоку в основній магістралі суднового гідроприводу. Рішення зворотної задачі передбачає розрахунок всіх характеристик потоку з урахуванням конструкції, що є в наявності дискового гасителя енергії. У цьому випадку можливо визначати взаємозв'язок між величинами втрати енергії і робочих кутів оберту обтічника. Рішення зворотної задачі також надає можливість знаходження оптимальних гідродинамічних параметрів робочої рідини, що рухається в системі суднового гідроприводу.

Розроблена методика дозволяє розбити етап проектування на три рівні складності. Перший етап - найпростіший, надає розробнику основні гідромеханічні характеристики, наприклад, коефіцієнт місцевих втрат диска. Другий етап дозволяє визначати більш тонкі характеристики, наприклад, коефіцієнти тиску й опору, а також характер їх змін при пускових навантаженнях гідроприводу. Третій етап надає максимум інформації. У цьому випадку для всіх кутів атаки потоку розраховуються оптимальна геометрія робочої камери і дискового гасителя енергії.

Для двох типів суднового гідроприводу: типу PU-T 5/10,7 F і гідроприводу, що використовується в редукторах фірми Valmet, сформульовані рекомендації з вибору оптимального місця встановлення гасителя енергії суднових систем гідроприводу.

У п'ятому розділі дано опис розробленої методики виконання робіт, пов'язаних з модернізацією суднової системи гідроприводу під час судноремонтного періоду. Розглянуто питання виготовлення, монтажу, а також можливих способів встановлення і кріплення вузла гасіння інерційного напору потоку в робочих лініях суднового гідроприводу. Сформульовано перелік основних операцій, які необхідно виконувати при випробуванні модернізованої системи суднового гідроприводу.

Висновки

1. Для всіх типів суднових систем гідроприводу ефективним способом усунення нестійкості до регулювання інерційного напору може бути запропонований варіант гідродинамічного відбору надлишкової енергії. У процесі взаємодії розробленого гасителя з потоком робочої рідини гідроприводу, що рухається, створюються витратні з енергетичної точки зору застійні й вихрові області.

2. Отримані теоретичним і експериментальним шляхом дані вказують на факт виникнення характерних гідродинамічних зон у лобовій і тильній частині дискового гасителя енергії. При цьому коефіцієнт місцевих втрат дискового обтічника приймає великі значення при ступені перекриття потоку більше 30 %.

3. Експериментальні дані вказують на нелінійну залежність коефіцієнта місцевих втрат від кута повороту дискового гасителя енергії. Характерний пік максимальних значень відповідає куту атаки потоку, що дорівнює =0⁰, і діапазону чисел Рейнольдса Re=67409480. Зона автомодельності коефіцієнта опору наступає при Re=7000.

4. Відповідно до розроблених правил виробництва, монтажу й експлуатації дискового гасителя надлишкового інерційного напору довжина робочої камери, що містить дисковий гаситель інерційного напору, повинна становити не більше 5-6 калібрів робочої лінії суднового гідроприводу і допускати можливість температурної деформації.

5. Розроблена методика проектування гідродинамічного гасителя надлишкового інерційного напору дозволяє одержувати оптимальні значення його геометричних розмірів і кінематичних характеристик. При її використанні можна оцінити як та у якій кількості в потоку, що рухається, буде відбиратися надлишковий гідродинамічний напір.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

Леонов В.В. Дисковые гасители инерционного напора в судовых системах гидропривода / Леонов В.В. // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля. - 2007. - № 3 (109) Ч.2. - С. 85-89.

Экспериментальные исследования ограниченного потока вблизи жестких поверхностей / Малахов А.В., Стрельцов О.В., Леонов В.В. и др. // Збірник наукових праць Одеського ордена Леніна інституту сухопутних військ. - 2007. - № 13. Ч.1. - С. 94-97.

Гидродинамические аспекты практической эксплуатации дисковых обтекателей / Малахов А.В., Леонов В.В., Ткаченко И.В. и др. // Вісник Одеського національного морського університету: Збірник наукових праць. - 2007. - Випуск 23. - С. 142-155.

Технология гидродинамического гашения избыточной энергии в судовых системах гидропривода / Малахов А.В., Леонов В.В. // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: "ХАИ", 2008. - № 7 (54). - С. 28-32.

Основные особенности гидродинамических процессов в судовых многофазных потоках / Малахов А.В., Леонов В.В., Ткаченко И.В. и др. // Весник национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт". - К: НТУУ "КПИ", 2009. - № 55. - С. 311-318.

Размещено на Allbest.ru

...