CC BY
24
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 631. 3-82
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЗАПУСКА СТРУЙНЫХ НАСОСОВ ПРИ ЗАПОЛНЕНИИ ЖИДКОСТЬЮ КАНАЛОВ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ
МАГИСТРАЛЕЙ
© 2009 г. А.И. Озерский
Ростовский-на-Дону государственный Rostov-on-Don State
университет путей сообщения Transport University
Приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов запуска струйных насосов при заполнении жидкостью каналов гидравлических магистралей экспериментального комплекса с модельной установкой. Исследования проводились в условиях полной изоляции от внешней среды жидких и газообразных рабочих тел модельной установки при минимальных объёмах газовой полости бака с рабочей жидкостью.
Ключевые слова: струйные насосы; изоляция от внешней среды жидких и газообразных рабочих тел гидравлических систем.
The results theoretical and experimental researches ofprocesses of start ofjet pumps are resulted, at filling by a liquid of channels of hydraulic highways of an experimental complex with modelling installation. The researches were carried out in conditions by complete isolation from external environment liquid and gas of working bodies of modelling installation at the minimal volumes of a gas cavity of a tank with a working liquid.
Keywords: jet pumps; isolation from external environment liquid and gas of working bodies of hydraulic systems.
Совершенствование современных машин и оборудования для транспорта, машиностроительной, горной промышленности, сельского хозяйства, а также для военной техники, работающих в тяжёлых условиях их эксплуатации, возможно, в частности, путем изоляции от внешней среды рабочих газов и жидкостей пневмо-и гидросистем, установленных на указанных машинах и оборудовании [1].
Применение изолированных от внешней среды рабочих жидкостей гидравлических систем требует предварительного насыщения этих жидкостей каким-либо химически не активным (в частности, не содержащим кислорода) газом: азотом и др., который под небольшим избыточным давлением будет находиться в свободных от жидкости полостях этих ёмкостей, в так называемых «газовых подушках» ёмкостей. Объём таких «газовых подушек» указанных ёмкостей должен быть по возможности минимальным. Баки для хранения рабочих жидкостей в рассматриваемых гидросистемах должны быть герметичными.
При запуске таких гидросистем рабочая жидкость из герметичного бака будет поступать в насосы и затем заполнять пустые каналы магистралей элементов и агрегатов гидросистемы. При этом вследствие падения свободного уровня жидкости в баке с газонасыщенной жидкостью происходит выделение пузырьков газа, растворённого в жидкости. Таким образом, в каналы магистралей элементов и агрегатов силового объёмного гидравлического привода будет поступать двухфазная газожидкостная среда, а в ёмкости с рабочей жидкостью, изолированной от внешней среды, может образоваться вакуум.
Появление вакуума может привести к кавитаци-онному срыву работы подкачивающих лопастных насосов, подающих рабочую жидкость на вход в основные объёмные гидравлические насосы силового объёмного гидравлического привода.
Чтобы в момент запуска указанной гидравлической системы исключить образование вакуума в газовой полости бака для хранения рабочей жидкости, необходимо либо достаточно сильно «надуть» эту полость газом перед запуском гидросистемы, либо каким-либо образом компенсировать выработку жидкости из бака так, чтобы уровень её в баке оставался неизменным. Можно применять эти способы совместно. Анализ и исследование способов и средств повышения эффективности гидросистем с изолированными от внешней среды рабочими газами и жидкостями приведен в [2].
Опыт эксплуатации подобных гидравлических систем в авиационной и ракетной технике показывает [3, 4], что для надёжной работы исследуемых систем подкачивающие гидронасосы наиболее рационально выполнять лопастными (шнековыми и центробежными) со струйными насосами (инжекторами), установленными в магистрали на входе в осевой (шнековый) насос (см. схему на рис. 1). В этом случае вся система подачи рабочей жидкости приобретает высокие анти-кавитационные свойства.
При анализе эффективности подобных (изолированных от внешней среды) гидравлических систем возникают задачи, связанные с необходимостью проведения предварительных расчётов и экспериментальных исследований динамики запуска струйных
насосов при заполнении газожидкостной средой каналов гидравлических магистралей, элементов и агрегатов гидравлических систем с минимальными объёмами газовых полостей баков с рабочими жидкостями.
Круг задач такого типа является частным случаем задач расчёта параметров движения газожидкостных сред с контактными разрывами в каналах гидравлических магистралей, элементов и агрегатов гидравлических систем теплоэнергетических и робототехниче-ских установок, рассмотренных в [5, 6].
С целью оценки точности расчетов на ЭВМ динамических характеристик исследуемых процессов был разработан и создан экспериментальный комплекс, описанный в работе [4]. В состав этого комплекса входила модельная установка, схема которой показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема модельной установки со струйным насосом. Здесь х - положение фронта жидкости, заполняющей канал гидравлической магистрали модельной установки. Цифрами в кружочках указаны датчики давлений в контрольных точках магистрали
На этом комплексе проводились исследования динамики запуска струйных насосов (инжекторов) при заполнении жидкой и газожидкостной средами каналов гидравлических магистралей, элементов и агрегатов гидравлических систем. Исследования проводились в условиях изоляции от внешней среды рабочей жидкости исследуемой гидравлической системы и минимальных объёмов газовых полостей баков с рабочими жидкостями.
Одна из наиболее существенных особенностей расчёта основных параметров движения среды заключается здесь в том, что помимо закона сохранения и превращения энергии и закона сохранения массы жидкой среды, необходимо дополнительно использовать также и закон об изменении количества движения среды в процессе смешивания активной и пассивной жидкостей в камере смешения инжектора [7]. При этом расчёт процесса запуска струйных насосов при заполнении жидкостью каналов гидравлических магистралей сводится к задаче Коши для системы двух обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка относительно координат ) и s2(t) фронтов перемещающейся жидкости.
Расчетная схема движения жидкости при запуске струйного насоса приведена на рис. 2.
В качестве контрольных поверхностей (поверхностей контактных разрывов) в этом случае принимаются:
- подвижная свободная поверхность низконапорной жидкой среды в канале основной магистрали, помеченная координатой s1 ^) ;
- подвижная свободная поверхность высоконапорной (активной) жидкой среды в канале магистрали
инжектора, помеченная координатой s2(t);
* ^
- неподвижное поперечное сечение s основной и инжекторной магистралей в месте расположения среза сопла инжектора;
**
- неподвижное поперечное сечение s на выходе из цилиндрической камеры смешения инжектора;
- подвижная свободная поверхность Sз ^) жидкой среды в канале основной магистрали на выходе из струйного насоса.
P(s2,0 1
1 s3 \ s№
p(s3,t) - р р p(sb0
1 к2 S2|; {о Un
Mi
** * / ч
s3(t) s s Si(t)
Рис. 2. Расчетная схема запуска струйного насоса при заполнении жидкостью каналов гидравлических магистралей
С целью выявления основных особенностей процессов запуска струйных насосов (инжекторов) при заполнении рабочей жидкостью каналов магистралей гидравлических систем с изолированными от внешней
среды баками для рабочей жидкости, имеющими минимальные объёмы газовых полостей, а также для определения точности расчетов на ЭВМ характери-
стик указанных процессов были проведены экспериментальные и расчетные исследования с инжекторами, имеющими диаметр сопла - 1, 2 и 3 мм и диаметр камеры смешения - 10 мм.
Во время проведения экспериментов давление газа в газовой полости основного бака поддерживалось постоянным. Газовая полость бака имела минимальные относительные объёмы (1 - 2 %) и наполнялась газом до избыточного давления 1 -105Па, 3 -105Па и
5 -105 Па . Исследования проводились при давлениях в баке питания инжекторной магистрали, равных 100-105Па, 125-105Па, 150-105Па, 200-105Па. При этом указанные параметры гидравлической системы подбирались так, чтобы явления, связанные со срывом характеристик инжекторов вследствие сильно развитой кавитации, не допускались.
По уравнениям, полученным с учётом геометрических характеристик каналов магистрали и инжектора, была составлена программа и проведен расчет на ЭВМ процессов запуска инжектора в магистрали,
Бак струйного насоса
£
Лопастный насос
Бак наддува
Кл №3
Струйный насос
Кл №2 х = 0 L х Кл №1
~ ск
©
1
ш.
х
Основной бак
заполняющейся жидкостью. Моделирование местных гидравлических сопротивлений осуществлялось способом, описанным в [5]. Здесь учитывается, что местные гидравлические сопротивления, находящиеся в заполняемой части магистрали, изменяют параметры потока постепенно (если не учитывать гидроудары в точках, расположенных на достаточно близком расстоянии от данного местного сопротивления).
Основные особенности явлений, характерных для запуска инжектора в заполняющейся жидкостью магистрали, иллюстрируются на рис. 3, 4.
Ра. МПа
2 1
17,М/С
-4,9 4,8 0, 2 V /
V У 1
08 0, 086 0,09 *,< 1
О 0,8 1,6 t, с 0 0,8 1,6 t, с
а б
Р4, МПа Р5, МПа
0,08 0,10 t,с
0,8 1,6 t,c о
0,8 1,6 t, с
г
и.м/с
6 О
4 0
2,0
vm/C
7
0,08 0,086 0,09 t,с
_I_L
2
0,8 1,6 t, с 0 д
0,8 1,6 t, с
е
Рис. 3. Основные характеристики динамики запуска инжектора при заполнении жидкостью каналов гидравлических магистралей модельной установки. Сплошные линии -результаты расчёта на ЭВМ. Штриховые линии - данные эксперимента
Кривые на рис. 3 а, б и кривая со значком «0» на рис. 3 е приведены для сравнения, они описывают процесс заполнения магистрали после открытия клапана № 2 (см. рис. 1). Клапан открывается в момент времени / = 0 . Инжектор здесь отключён. Избыточное давление РБ в баке основной магистрали равно
5 10 Па. Здесь на рис. 3 а, б показано изменение давления в контрольных точках Р4 и Р5 основной магистрали перед инжектором и за ним соответственно. На модельной установке расстояние от точки Р4, где размещён датчик давления, до среза сопла инжектора равно 43 см. Расстояние от среза сопла инжектора до точки Р5 установки датчика давления равно 75 см.
Изменение давления в тех же контрольных точках при включении инжектора показано на рис. 3 в, г. Инжектор запускается в момент времени /э = 0,08 с после открытия клапана № 2 основной магистрали. Кривые с индексом «7» соответствуют диаметру сопла инжектора, равному 1 мм, с индексом «2» - 2 мм.
Кривые на рис. 3 д, е отображают процесс изменения расчётных значений скорости х течения жидкости в магистрали перед инжектором и за ним соответственно.
И расчёты на ЭВМ и эксперимент показывают, что после открытия клапана № 2 давление жидкости во всех точках канала магистрали с инжектором (рис. 3), расположенных до этого клапана, мгновенно падает на величину АР по линейному закону АР(^) = psS' в зависимости от расстояния s точки до клапана. Падение давления обусловлено ускорением £ потока.
Здесь в процессе движения жидкость сначала ускоряется, а затем тормозится под действием распределенного трения и местных гидравлических сопротивлений в магистрали (см. кривую с индексом «0» на рис. 3 е). При этом давление в магистрали сначала либо продолжает падать, либо возрастает в зависимости от расположения точки, в которой определяется давление, и наличия в заполненной части магистрали местных гидравлических сопротивлений. Через некоторое время рост давления происходит во всех точках магистрали; это объясняется наличием распределенного трения и местных сопротивлений в заполняющейся части магистрали.
Включение инжектора в заполняющейся жидкостью магистрали существенно изменяет картину процесса, описанного выше. Экспериментальные исследования и расчетные данные показывают, что в момент включения инжектора во всех точках, расположенных на достаточно близком расстоянии от среза сопла инжектора, происходит резкое увеличение (скачок) давления (см. рис. 3 в, г). Длительность времени скачка давления в жидкости при давлениях в баке
инжекторной магистрали 100 105- 200 105Па и диаметре сопла, равном 1 - 2 мм, составляет 0,05 - 0,1 с. Интенсивность скачка давления в точках, близких к
инжектору, составляет 3 • 105- 5 105 Па . После этого в точках, расположенных в магистрали перед соплом инжектора (рис. 3 в), наблюдается уменьшение (провал) давления, причем, тем более значительный, чем больше диаметр сопла.
в
2
Рис. 4. Вид осциллограммы процесса запуска инжектора при заполнении жидкостью каналов гидравлических магистралей модельной установки
В точках за соплом инжектора (рис. 3 г) давление после резкого скачка начинает постепенно возрастать. Скорость возрастания и величина давления тем больше, чем больше диаметр сопла инжектора.
В момент включения (запуска) инжектора скорость жидкости в канале перед инжектором (рис. 3 д) падает тем сильнее, чем больше диаметр сопла. Затем скорость выработки жидкости из бака снова растет, так как давление в основной магистрали на входе в инжектор уменьшается, а давление в баке поддерживается постоянным.
В исследуемом случае инжектор, который питается от отдельной высоконапорной магистрали, частично «запирает» основную магистраль. Отсюда следует вывод, что установка инжектора (в случае эксплуатации гидравлических систем с баками, изолированными от вешней среды и имеющими минимальные объёмы газовых полостей), является весьма эффективным способом как для компенсации пусковых расходов жидкости из бака, так и для повышения давления на входе в подкачивающий лопастной насос.
Ниже приведены результаты исследований запуска инжектора в тупиковой магистрали, например с мембраной или клапаном.
Исследование явлений, возникающих при включении инжектора в этих случаях, представляет интерес при расчетах давления, когда инжектор, установленный перед мембраной или клапаном, включается раньше прорыва мембраны или открытия клапана. В этом случае возникает необходимость оценить величины APmax максимально возможного повышения давления, так как они могут превысить величину прочности, на которую рассчитана мембрана или элементы клапана.
Данные расчетов и результаты экспериментальных исследований, проведенных при давлении в баке инжектора, равных ^БИНЖ = 150 -105 Па и двух значений диаметра сопла инжектора, равном 1 и 2 мм, показаны на рис. 5, 6.
А^пах, МПа
0,8
0,4
0
2
\ 1
1 J,
0,005
0,01
0,015
t, с
Рис. 5. Картина изменения во времени величины АРтах
максимально возможного повышения давления на мембрану при запуске инжектора
АР /Ар
max / ус-
АР МПа
0,4 0,3 0,2 0,1
1 L F
1 L ^ Л ---о
)
0,3 0,2 ОД
10,0
12,5
15,0 Рб.ИНЖ МПа
Рис. 6. Картина изменения абсолютной АРУСТ и относительной АРтах / АРУСТ величин превышения жидкости давления на мембрану при запуске инжектора, в зависимости от давления РБ ИНЖ в баке инжектора
Сравнение экспериментальных и расчетных данных, приведенных на рис. 5, показывает хорошее их соответствие между собой во всей области установившегося процесса (время / > 0,015 с). Экспериментальные данные о давлении на мембрану в момент
включения инжектора в 1,5 раза ниже расчётных. Это расхождение можно объяснить тем, что жидкость при расчетах считалась несжимаемой.
На рис. 6 показано влияние давления в баке инжектора РБИНЖ на повышение давления АРУСТ в магистрали (кривая 7) на установившемся режиме, вызванное работой инжектора. Здесь данные опыта помечены кружком, сплошные линии - результаты расчёта. Кривая 2 характеризует изменение относительной величины АРтах / АРУСТ в зависимости от давления в баке инжектора РБИНЖ . Здесь данные опыта помечены треугольником, сплошные линии -результаты расчёта. Величина АРтах / АРУСТ характеризует степень относительного превышения изменения давления АРм на мембрану в момент включения насоса над величиной превышения давления АР в магистрали на установившемся режиме, вызванного работой инжектора.
Как видно из представленных результатов, величины превышения максимальных значений давления на мембрану в момент запуска инжектора могут существенно (в 5 раз по расчету и в 4 раза по данным эксперимента) превышать увеличение давления, вызванное работой инжектора.
Следует отметить, что испытания проводились с инжекторами, установленными в канале с внутренним диаметром, равным ^тр=19 мм, при этом мембрана
находилась на расстоянии 430 мм от среза сопла инжектора. Увеличение этого расстояния до 940 мм не привело к существенным изменениям результатов исследования.
Следует отметить, что здесь исследовались процессы запуска инжекторов с весьма малыми значениями (0,01; 0,04) отношений площадей поперечных сечений сопла и камеры смешения, что существенно меньше соответствующих значений (0,066 - 0,197) для инжекторов, изученных в [8]. При этом коэффициенты инжекции изменялись здесь в пределах 2-12, а КПД инжекторов принимали значения 4 - 8 %.
Поступила в редакцию
Сравнение результатов многочисленных расчетов с данными экспериментальных исследований динамики запуска инжекторов в заполняющемся жидкостью канале магистрали при различных диаметрах сопла инжектора, а также давлениях газа в основном баке и баке питания инжектора, показали удовлетворительную точность расчета на ЭЦВМ исследуемых процессов по одномерной модели движения несжимаемых жидких сред с контактными разрывами, изложенной в работах [5, 6].
Литература
1. Озерский А.И., Бабенков Ю.И., Шошиашвили М.Э. Перспективные направления развития силового гидравлического привода // Изв. вузов. Сев-Кавк. регион. Техн. науки. 2008. № 6. С. 55-61.
2. Озерский А.И. Повышение эффективности гидросистем мобильных машин и оборудования, работающих в тяжёлых условиях эксплуатации // Изв. вузов. Сев-Кавк. регион. Техн науки. 2009. № 3. С. 79 - 84.
3. Аринушкин Л.С. Авиационные центробежные насосные агрегаты. М., 1967.
4. Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчёт агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. М., 1971.
5. Озерский А.И., Полухин Д.А., Сизонов В.С. Исследование одномерных движений жидких масс с контактными разрывами в магистралях, содержащих насосы // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1979. № 2. С. 143-150.
6. Озерский А.И. К расчёту движения жидких сред с контактными разрывами в каналах сложных геометрических форм // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2008. № 5. С. 20 - 26.
7. Лямаев Б.Ф. Гидроструйные насосы и установки. М., 1988. 256 с.
8. Санджер. Экспериментальные исследования различных водоструйных насосов с малым отношением площадей поперечных сечений сопла и камеры смешения // Теоретические основы инженерных расчётов. М., 1970. № 1.
22 июля 2009 г.
Озерский Анатолий Иванович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Безопасность жизнедеятельности», Ростовский-на-Дону государственный университет путей сообщения. Тел. 863-2-72-63-68.
Ozerskiy Anatoliy Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Safety of vital activity», Rostov-on-Don State Transport University. Ph. 863-2-72-63-68.
