CC BY
45
УДК 532.54.031
В. В. Орлов, А. Н. Т е м н о в, Г. Н. Товарных
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТЕЧЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЖИДКОСТИ ИЗ КОНСТРУКТИВНО ПОДОБНЫХ ЕМКОСТЕЙ
Приведено краткое описание динамического стенда вращения и результаты экспериментальных исследований гидравлических остатков, образующихся при вытекании вращающейся жидкости из конструктивно подобных моделей специальных баков. Эксперименты были проведены в УЭЦ МГТУ им. Н.Э. Баумана в целях выбора схемы заборного устройства.
E-mail: tovarnix@yandex.ru
Ключевые слова: конструктивно подобная емкость, заборное устройство, внутрибаковые элементы, торовый коллектор, вращающаяся
жидкость, гидравлические остатки, сигнализатор сплошности.
Используемые на практике специальные баки содержат много различных внутрибаковых элементов (ВБЭ). Это перегородки, демпферы колебаний, измерители уровня и другие конструктивные элементы. При исследовании возникающей гидродинамической задачи теоретически учесть влияние ВБЭ весьма трудно, а проведение натурных испытаний является дорогостоящим мероприятием. В подобных ситуациях экспериментальные исследования проводятся с использованием конструктивно подобных моделей1.
Описание экспериментальных емкостей и динамического стенда вращения. Экспериментальные исследования проводились на конструктивно подобных емкостях в целях выбора приемлемого заборного устройства для случая вращения емкости вокруг продольной вертикальной оси. Были испытаны две модельные емкости. Модели были изготовлены из органического стекла с неметаллическими расходными трубопроводами.
Первая емкость — прозрачная конструктивно подобная модель со съемным вогнутым днищем (рис. 1, а). Заборные устройства основной и вспомогательной магистралей представляют собой два желоба, покрытые сверху перфорированными пластинами. Степень перфорации подобрана так, чтобы обеспечить равномерный отбор жидкости по длине желоба. В емкости установлены 18 радиальных перфорированных ребер.
Нижнее днище второй конструктивно подобной емкости — металлический обратный усеченный конус (рис. 1, б). Заборное устройство
1Микишев Г. Н. Экспериментальные методы в динамике космических аппаратов. - М.: Машиностроение. 1978. - 247 с.
б
Рис. 1. Схемы первой (а) и второй (б) емкостей
емкости представляет собой (рис. 2) торовый коллектор, в нижней части которого расположены патрубки с расходными шайбами различного диаметра, зависящего от расстояния до входа в основную магистраль, что позволяет обеспечить равномерный отбор жидкости.
Экспериментальная установка в собранном виде включала в себя шаровые баллоны для хранения сжатого воздуха, электропневмокла-пан системы подачи жидкости и систему кинорегистрации.
/г у х
Рис. 2. Торовое заборное устройство второй емкости
Модельные емкости снабжены средствами измерения основных величин, характеризующих процесс слива жидкости: давления в емкости, расхода жидкости, угловой скорости вращения. В основной магистрали установлен сигнализатор сплошности, который выдавал сигнал на отсечный клапан при наличии в потоке жидкости газовых включений более 5 % объема.
Для проведения исследований конструктивно подобных емкостей в УЭЦ МГТУ им. Н.Э. Баумана был разработан и создан динамический стенд вращения.
Общий вид и конструктивные особенности экспериментального динамического стенда приведены на рис. 3 и 4. Стенд предназначен для исследования поведения жидкости в конструктивно подобных емкостях при вращении с истечением. Максимальная масса вращающейся части стенда составляет 3500 кг. Габаритные размеры определя-
Рис. 3. Схема крепления экспериментальной установки
Рис. 4. Схема приводов и разъемов
ются пространственной силовой рамой и равны 1375 х 1375x2600 мм. Электропривод позволяет поддерживать постоянными скорости вращения и плавно их регулировать от 0,1 до 10 об/с. Нижняя опора динамического стенда расположена в специальной шахте размером 3000x3000x2800мм и закреплена на глубине 800мм от поверхности пола с помощью двух двутавров (см. рис. 4).
Стенд заглублен в шахте для сбора жидкости, вытекающей из конструктивно подобной емкости во время вращения, а также для удобства обслуживания установки. К двутаврам крепится электродвигатель ПБВ 132. Вращение от электродвигателя через клиноременную передачу передается пространственной раме, к которой крепится испытуемая емкость.
Вся масса вращающейся части конструкции передается в осевом направлении на неподвижные двутавры через самоцентрирующуюся конструкцию.
Жесткая связь между нижней и верхней опорами пространственной рамы осуществляется через силовую стену. Узел крепления верхней силовой опоры рамы воспринимает динамические реакции лишь в плоскости, перпендикулярной продольной оси стенда. Соосность
верхней и нижней опор достигается за счет регулировочного механизма узла крепления.
Вращающаяся часть установки — это пространственная силовая рама 4 и конструктивно подобная емкость с жидкостью 5. Включение и управление двигателем проводилось с пульта управления через тири-сторный преобразователь. Электроснабжение динамического стенда и управление его работой осуществлялось через вращающееся контактное устройство ВКУ-20, имеющее двадцать подвижных контактов.
Вся информация (давление, расход, частота вращения, физическое время процесса) с измерительно-регистрирующего комплекса через приемно-передающее устройство ИК-диапазона поступает для обработки и регистрации в персональную ЭВМ.
Для визуальной регистрации поведения жидкости при истечении из емкости в подвижной системе размещена кинокамера с блоком управления. Для подсветки процесса при съемке используются лампочки накаливания Н1... Н24 общей мощностью порядка 1 кВт.
Магистрали наддува и расхода открываются и закрываются с помощью электроклапанов. При достижении максимального или минимального давления наддува в емкости соответственно размыкаются или замыкаются контакты сигнализаторов давления, а при нарушении сплошности потока в основной магистрали замыкаются контакты согласующих устройств датчиков сплошности.
В измерительный комплекс входят датчики давления ДД6 (6 шт.), которые работают совместно с генераторно-усилительным шестика-нальным блоком ВИ6-6ТН, датчики расхода (2 шт.) и датчик числа оборотов. Два датчика давления установлены в области наддува, два — вблизи свободной поверхности, два — на смачиваемой поверхности жидкости. Для преобразования непрерывного сигнала с датчиков в сигналы двоичного кода и передачи их для обработки и регистрации в персональный компьютер предназначен блок автоматической регистрации данных (АРД). Система АРД состоит из блока сбора данных и блока регистрации и хранения информации на диске персонального компьютера. Модульное решение позволяет параллельно и независимо друг от друга вести проектирование, разработку, изготовление и отладку различных узлов системы, обеспечивает возможность быстрой переналадки.
Для определения скорости вращения емкости измеряли период вращения, подсчитывая число эталонных импульсов между замыканием специальных контактов на каждом обороте емкости. Расход измеряли с помощью датчиков расхода, установленных в основной и вспомогательной магистралях. Для сбора данных с датчиков давления использовали тензостанцию ВИ6-6ТН, информация с которой поступала в блок АРД, где оцифровывалась с помощью цифроаналоговых преобразователей и затем передавалась на персональный компьютер.
Результаты экспериментальных исследований. При исследовании истечения жидкости из вращающихся конструктивно подобных емкостей проводили три серии экспериментов для каждой емкости: истечение жидкости в режимах установившегося вращения, раскрутки и остановки вращения.
Перед каждой серией экспериментов выполнялась тарировка всех датчиков, зарядка шар-баллонов сжатым воздухом, наддув емкости до необходимого давления и проводился статический эксперимент (ш = 0). Затем с помощью индикатора перемещений ИП-001 измеряли уровень биений емкости при вращении. При смещении индикатора более чем на 0,001м проводилась центровка емкости путем смещения силовой рамы или емкости относительно рамы. Балансировка вращающейся части экспериментальной установки достигалась при симметричном расположении приборов и систем управления, а также с использованием регулировочного механизма узла крепления.
В режиме установившегося вращения после предварительного наддува емкости проводилась проливка основной магистрали для устранения воздушных пузырей и предотвращения преждевременного срабатывания датчиков сплошности. При этом выполнялась подстройка электрических параметров датчика сплошности.
Затем включалось вращение рамы емкости до достижения жидкостью установившегося вращения, когда свободная поверхность принимала устойчивую форму параболоида без видимых возмущений. Процесс закрутки продолжался примерно 5 мин. После достижения установившегося режима вращения включался расход жидкости. Отсечка расхода выполнялась автоматически по команде сигнализатора сплошности. После остановки вращения замеряли гидравлический остаток, сливая жидкость в мерную емкость.
Результаты экспериментальных исследований емкости в режиме установившегося вращения приведены на рис. 5 и 6 в виде зависимости гидравлических остатков Уост от угловой скорости вращения для различных значений расхода й. Как следует из полученных графиков, увеличение угловой скорости вращения при постоянстве расхода всегда приводит к увеличению гидравлических остатков.
При опорожнении емкости 1 происходило плавное опускание свободной поверхности в виде параболоида вращения. Плавное опускание продолжалось до момента касания верхнего края перфорированных перегородок и сопровождалось волнообразованием.
После прохождения верхнего края перегородок емкости 1 наблюдалось дробление волн на волны в каждом секторе, образованном перегородками, и разрушение свободной поверхности. Прорыв газа при установившемся вращении происходил немного выше высоты маршевого желоба (высота маршевого желоба к-ж = 4,05 см).
Гост, ДМ
9
4
2
3
5
7
6
8
л
Рис. 6. Зависимость гидравлических остатков от частоты вращения c коллекторными заборными устройствами:
ОД 0,2 0,3 0,4 п, об/с
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 щ об/с
Рис. 5. Зависимость гидравлических остатков от частоты вращения:
1-7 - в = 1,5; 2,5; 3,0; 0,3; 1,5; 2,5; и 3 л/с;--прямой коллектор; ---- коллектор с наклонными патрубками
1, 2, 3 и 4 - G = 3,5; 3,3; 2,6 и 1,0 л/с
Экспериментальные исследования емкости 2 состояли из тех же этапов, что и емкости 1. Однако общее число испытаний было в 2 раза больше, так как эксперименты на второй модели проводили с двумя разными коллекторами: с коллектором, имеющим прямые патрубки для забора жидкости, и с коллектором, оборудованным наклонными патрубками.
На рис. 6 для обоих вариантов приведены экспериментальные зависимости Кст(С, n). Как следует из рисунков, использование коллектора с прямыми патрубками при отсутствии вращения дает меньшее значение гидравлических остатков по сравнению с использованием коллектора с наклонными патрубками.
При увеличении угловой скорости эта разность в Уост уменьшалась и при n = 0,5 об/с значение гидравлического остатка коллектора с наклонными патрубками оказывалось меньше, чем гидравлический остаток коллектора с прямыми патрубками. Некоторое уменьшение Кст при больших расходах объясняется той же причиной, что и при испытаниях первой модели, а именно запаздыванием датчика сплошности и отсечного клапана.
Из рисунков следует, что при незначительном расходе (кривые 4, 5) увеличение угловой скорости уменьшает гидравлические остатки. Наблюдая за поведением свободной поверхности жидкости, обнаружили, что при этих значениях угловой скорости поверхность жидкости почти перпендикулярна осевым линиям наклонных патрубков.
10 20 30 г
Рис.8. Зависимость гидравлических остатков от времени при торможении с по = 0,11 (1), 0,5 (2, 5), 1,05 об/с (3) и при отсутствии вращения (4)
Рис.7. Зависимость гидравлических остатков от начального объема заправки при раскручивании до п = 0,5 об/с (1) и 1,05 об/с (2); при отсутствии вращения (3); при установившемся вращении (п = 0,5 об/с (4) и 1,05 об/с (5))
Начальный порядок проведения испытаний по определению гидравлического остатка в процессе раскрутки жидкости до момента включения вращения емкости был такой же, как и при установившемся вращении. Затем одновременно с началом вращения емкости включался расход жидкости. Степень раскрутки жидкости в момент нарушения сплошности определяли путем сравнения величин остатков, полученных в статических условиях и при установившемся вращении. Регулировалась степень закрутки уровнем начальной заправки жидкости. Гидравлические остатки определяли после остановки вращения путем слива жидкости в мерную емкость.
Результаты экспериментов по вытеканию жидкости при раскручивании приведены на рис. 7. Исследуя поведение свободной поверхности жидкости, выявили, что раскручивание происходит достаточно быстро благодаря наличию внутренней арматуры в емкостях.
На рис. 7 показано изменение Уост в зависимости от объема заливаемой жидкости при различных значениях конечной угловой скорости раскручивания. Поскольку каждому объему жидкости отвечает в момент срабатывания датчика сплошности своя угловая скорость, то таким образом можно условно считать, что Уост — функция угловой скорости, приобретенной жидкостью и изменяющейся от нулевого значения, соответствующего статическому гидравлическому остатку, до угловой скорости установившегося вращения.
Определение гидравлического остатка жидкости при торможении емкости проводили следующим образом. Электрический двигатель раскручивал бак с жидкостью до тех пор, пока угловая скорость жидкости не становилась равной скорости бака. Скорость жидкости измеряли, определяя перепад давления между двумя точками,
расположенными на одной высоте. Затем открывался слив, и за некоторое время до ожидаемого нарушения сплошности (для определения этого момента использовались результаты предыдущих испытаний и дозированная заправка емкости) электродвигатель выключался, бак тормозился, а жидкость по инерции продолжала вращаться.
После срабатывания сигнализатора сплошности и полной остановки вращения емкости измеряли гидравлический остаток жидкости, сливая ее в мерную емкость.
На рис. 8,9 показаны значения Уост в зависимости от времени, прошедшего от момента выключения вращения до момента срабатывания датчика сплошности. Анализируя экспериментальные зависимости, выявили, что время выключения вращения может быть выбрано так, что гидравлические остатки могут быть равны гидравлическим остаткам при отсутствии вращения. При проведении экспериментов с торможением емкости сначала определяли время остановки £ост всей емкости с жидкостью, затем — время слива в условиях установившегося вращения £сл. В зависимости от значений £ост и £сл назначалось время выключения вращения. Как показали эксперименты, если время £сл было близко к времени остановки всей системы, то получались малые значения гидравлических остатков Уост.
Исследование волновых движений. При эксплуатации динамического стенда возникали биения оси вращения, которые сразу отражались на поведении свободной поверхности жидкости. Биения оси вращения измерялись индикатором перемещения ИП-001 в нижнем и верхнем узлах крепления и составляли 2... 3 мм в момент обнаружения поверхностных волн. Подобная ситуация была использована при исследовании поверхностных волн на режимах установившегося вращения и резкого торможения емкости 1. Были зарегистрированы соответственно вынужденные и свободные движения жидкости как при наличии истечения, так и без него. При наличии волновых движений в экспериментах с одинаковыми условиями были получены различные значения гидравлических остатков. Однако выявить какую-либо закономерность, связанную с волновыми движениями, из проведенных экспериментов не удалось. Для регистрации волновых движений использовалась виброизмерительная аппаратура ВИ6-ТН, укомплектованная датчиками давления ДД-6, и блок АРД.
J7- 3
Г0СГ> ДМ
/
2
в = 2,5 л/с
- \ Остаток
в статике
3
____
6" 1 11 =" О 5 10 15 т
Рис. 9. Зависимости гидравлических остатков от времени при использовании коллектора с прямыми трубками при торможении с п0 = 0,5 об/с (1) и 0,11 об/с (3), при установившемся вращении с п0 = 0,5 об/с (2)
Выводы. 1. Гидравлические остатки во вращающейся полости зависят в основном от формы и геометрического расположения поверхности раздела фаз газ-жидкость в момент нарушения сплошности потока.
2. Увеличение угловой скорости вращения полости приводит к увеличению гидравлических остатков при любой конструкции заборного устройства, кроме сифонного со специальным углом наклона заборных патрубков, и в определенном диапазоне изменения угловой скорости.
3. Гидравлических остатков во вращающейся емкости 2 с торовым сифонным заборным устройством больше, чем в емкости 1 с заборным устройством в виде желоба с перфорированной пластиной.
Пользуясь случаем, авторы благодарят инженеров Г.Д. Кошкина и Н.Г. Заречина за большую помощь в создании экспериментальной установки и проведении экспериментов.
Статья поступила в редакцию 15.04.2011
