CC BY
167
УДК 621.6.057.4
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ ВОРОНКИ В РЕЗЕРВУАРАХ ДЛЯ АВИАЦИОННЫХ ТОПЛИВ
Ю.Ф. Кайзер, А.В. Лысянников, О.А. Кайзер, Н.Н. Лысянникова, М.А. Мерко
Проведен анализ рассматриваемой проблемы. Определены основные недостатки конструкции плавающего заборного устройства (ПЗУ). Разработана конструкция устройства для предотвращения образования газожидкостной воронки в резервуарах при сливе нефтепродуктов, применение которого позволит предотвратить окисление авиационных топлив и кавитацию, следовательно, не оказывать отрицательного влияния на эксплуатационные свойства топлив, КПД, напор и производительность насоса.
Ключевые слова: плавающее заборное устройство, воронка, топливо, кавитация, окисление, устройство для предотвращения воронки.
Миллионы тонн разных сортов горюче-смазочных материалов (ГСМ) ежегодно расходуются гражданской авиацией. При таких масштабах потребления целевых нефтепродуктов вопросы повышения эффективности техники, экономного и рационального расходования энергетических ресурсов приобретают государственную значимость. В решении этой важной задачи участвуют многие научные коллективы, ученые и инженерно-технический персонал предприятий, связанных с техникой, требующей применения авиационных горюче-смазочных материалов (авиаГСМ) [1].
В последнее десятилетие наблюдается стремительный рост числа воздушных перевозок и открытия новых местных и международных авиалиний. Аэропорты осуществляют регулярные интенсивные полеты, прием и отправку пассажиров, грузов и багажа. Все это требует четкой слаженности во взаимодействиях всех подразделений аэропорта. Особое место среди них занимают объекты авиатопливообеспечения.
В настоящее время на складах авиаГСМ при сливе авиационного топлива из резервуаров используется плавающее заборное устройство (ПЗУ-рис. 1 [2]).
К особенностям работы плавающего заборного устройства относится явление воронкообразования, что приводит к попаданию воздуха в приемный трубопровод (рис. 2).
Образование воронок при истечении через отверстия наиболее часто наблюдается при малых напорах и всегда при опорожнении резервуаров. Процесс истечения при этом оказывается сложным, связанным с вращением жидкости относительно осевой линии воронки. Интенсивность вращения может быть настолько большой, что воздушная полость воронки
пронизывает всю толщину жидкости, проникая в сливное отверстие. При этом уменьшается рабочая площадь отверстия и его пропускная способность [3].
Рис. 1. Плавающее заборное устройство
г
Рис. 2. Процесс слива топлива из резервуара: 1 - газожидкостная воронка; 2 - резервуар РВС-3000; 3 - авиационный керосин ТС-1; 4 - плавающее заборное устройство
Значительный вклад в обобщение научных исследований в области воронкообразования внесли В.И. Поликовский и Р.Г. Перельман [4, 5].
Образование вихреобразной воронки в жидкости при ее истечении из сосуда через донное отверстие наблюдал еще Леонардо да Винчи в конце XV века [4, 5].
Позднее это явление изучали Кастелли, Торричелли и затем Венту-ри [4, 6], но причины образования воронок ими не были установлены. В наше время этим вопросом занимались многие ученые. Профессор В. Л. Евреинов [4, 7] отметил, что при истечении жидкости из резервуара через донное отверстие одной из причин, способствующих образованию воздушной воронки, может быть кавитация.
Академик Д.П. Граве [4, 8] считал, что причиной образования вращательного движения частиц жидкости при ее истечении через отверстие в дне резервуара являются кориолисовы силы, возникающие вследствие воздействия вращения земли. Следовательно, в Северном полушарии вращение водоворотов не всегда должно происходить против движения часовой стрелки. Однако опыты А. Будау [4, 9] показывают, что вращение водоворотов и в Северном полушарии возникает также и в направлении, совпадающем с движением часовой стрелки. Кроме того, при сохранении симметрического, точно радиального притекания жидкости к отверстию вращения жидкости в сосуде и над отверстием не наблюдается даже при очень малых напорах.
А.Х. Халпахчян [4, 10] показал, что сила Кориолиса, связанная с вращением земли, не может вызвать водоворотов в жидкости вследствие своей малости по сравнению с инерционными силами в жидкости, даже при малых скоростях ее движения. Возмущения, вызываемые кориолисо-вой силой, затухают в вязкой жидкости. А.Х. Халпахчян утверждал, что воронки имеют вихревое происхождение и их интенсивность зависит от интенсивности вихревых шнуров, подходящих к донному отверстию от источников вихреобразований.
В результате образования газовых пробок происходят такие явления, как кавитация, гидравлические удары, сбой в работе насоса и счетчика-расходомера, эрозия, коррозия и т. д. Кавитация представляет собой сложный комплекс явлений:
- выделение пара и растворенных газов из жидкости в тех областях, где давление жидкости равно давлению насыщенных паров или меньше него;
- местное повышение скорости движения жидкости в том месте, где возникло парообразование, и беспорядочное движение жидкости;
- конденсация пузырьков пара, увлеченных потоком жидкости в область повышенного давления, при этом конденсация каждого из пузырьков приводит к резкому уменьшению объема и гидравлическому удару в микроскопических зонах, однако данные удары большой площади кавити-
руемой поверхности приводят к большим площадям разрушения, и многократно повторяющиеся механические воздействия при конденсации пузырьков вызывают механический процесс разрушения материала колеса, что является наиболее опасным следствием кавитации;
- химическое разрушение металла в зоне кавитации кислородом воздуха, выделившегося из жидкости при прохождении ее в зонах пониженного давления.Этот процесс носит название коррозии, которая действует одновременно с цикличными механическими воздействиями, снижая прочность металла.
Кавитация может происходить не только в рабочем колесе, но и в направляющем аппарате или в спирали, хотя здесь она наблюдается сравнительно редко. Явления кавитации сопровождаются характерным потрескиванием в области всасывания, шумом и вибрацией насоса.
Кавитация уменьшает КПД, напор и производительность насоса. При сильном развитии кавитации центробежный консольный насосполно-стью прекращает работу (срывает подачу). Длительная работа насоса при наличии даже незначительных кавитационных явлений совершенно недопустима. Особенно сильно при кавитации повреждаются детали насосов, если перекачивается вода, содержит твердые включения. От действия кавитации поверхности деталей становятся шероховатыми и губчатыми, что способствует быстрому истиранию деталей содержащимися в жидкости включениями. В свою очередь твердые частицы, истирая поверхности деталей, содействуют усилению кавитации. Особенно сильно кавитационно-му разрушению подвержены чугун и углеродистая сталь. Наиболее устойчивы в этом отношении насосы из нержавеющей стали и бронзы.
Из опыта эксплуатации оборудования складов авиаГСМ, при использовании ПЗУ установлено, что действительный срок службы оборудования значительно ниже рекомендуемого срока службы завода-изготовителя.
Кроме этого, при попадании кислорода воздуха в авиационный керосин происходит его окисление. Окисление топлив представляет собой сложный, многостадийный свободнорадикальный процесс, происходящий в присутствии кислорода воздуха. Скорость реакции окисления углеводородов резко возрастает с повышением температуры. Контакт с металлом оказывает каталитическое воздействие на процесс окисления. Низкую химическую стабильность имеют олефиновые углеводороды, особенно дио-лефины с сопряженными двойными связями. Высокой реакционной способностью обладают также ароматические углеводороды с двойной связью в боковой цепи. Наиболее устойчивы к окислению парафиновые углеводороды нормального строения и ароматические углеводороды. Причем реак-ционноспособные олефиновые или алкенароматические углеводороды мо-
гут инициировать процесс окисления химически стабильных углеводородов.
При окислении авиационных керосинов происходит накопление в них смолистых веществ, образующихся в результате окислительной полимеризации и конденсации продуктов окисления. На начальных стадиях окисления содержание в топливе смолистых веществ невелико, и они полностью растворимы в нем. По мере углубления процесса окисления количество смолистых веществ увеличивается, и снижается их растворимость.
Накопление в авиационных керосинах продуктов окисления резко ухудшает их эксплуатационные свойства. Смолянистые вещества могут выпадать из топлива, образуя отложения в резервуарах, трубопроводах и другом оборудовании. Окисление нестабильных топлив при нагревании во впускной системе двигателя приводит к образованию отложений на ее элементах, а также увеличивает склонность к нагарообразованию на клапанах, в камере сгорания и т. д. Самые высокие требования по качеству предъявляют к авиационным керосинам и авиационным бензинам, от их качества зависят жизни людей [11].
Таким образом, возникает проблема исключения образования газожидкостных воронок при операциях слива топлива из резервуаров.
Данная проблема может быть решена путем монтажа на заборную часть приемного патрубка специально разработанного устройства (рис. 3).
Рис. 3. Устройство для предотвращения образования газожидкостной воронки: 1 - поплавок; 2 - пакет П-образный пластин; 3 - труба квадратного сечения; 4 - труба ПЗУ; 5 - фланцевое соединение
5
Устройство представляет собой трубу квадратного сечения 3 с фланцевым соединением 5 с одной стороны, и установленным с другой стороны пакетом из десяти Л-образных пластин 2, параллельно расположенных друг относительно друга с промежутком между ними от 22 до 25 мм в зависимости от изменения угла подъема заборной трубы ПЗУ.
Гидравлический расчет всасывающего трубопровода резервуара с разработанным устройством показал работоспособность конструкции. По результатам расчетов для обеспечения плавучести конструкции объем поплавка ПЗУ необходимо увеличить на 16...20 дм .
Внедрение разработанного устройства для предотвращения образования газожидкостной воронки в резервуарах при сливе нефтепродуктов полностью предотвратит образование газожидкостных воронок и тем самым позволит повысить ресурс и производительность технологического оборудования, а также снизить отрицательное влияние на эксплуатационные свойства топлив.
Список литературы
1.Мобильные средства заправки воздушных судов авиационными горюче-смазочными материалами: учеб.пособие / Ю.Ф.Кайзер, В.Н.Подвезенный, Р.Б.Желукевич, А.В. Лысянников [и др.]. 2-е изд., пере-раб. и доп. Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2012. 346 с.
2. Трубопроводная арматура[Электронный ресурс]. 2008.URL: http://www.armaturka.ru/message-361373 .html/
3. Справочник по гидравлическим расчетам / П. Г. Киселев, А. Д. Альтшуль, Н.В.Данильченко, А.А.Каспарсон, Г.И.Кривченко, Н.Н.Пашков, С.М. Слисский;под ред. П.Г. Киселева.Изд. 5-е. М.: Энергия, 1974. 312 с.
4. Волосухин В.А., Белоконев Е.Н., Волынов М.А. К вопросу повышения надежности работы верхнего бьефа трубчатых водозаборных гидротехнических сооружений [Электронный ресурс]. URL: http://www.rusnauka.com/10 DN 2012/Stroitelstvo/7 104188.doc.htm.
5. Поликовский В.Н., Перельман Р.Т., Поликовский В.И. Воронко-образование в жидкости с открытой поверхностью.М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959. 191 с.
6. Venturi C.B. Essai sur les ouvrages physico-mathematiques de Leonard de Vinci. Paris, 1797.
7. Евреинов В.Н. Гидравлика. М.: Речиздат, 1947.4-е изд.
8. Граве Д.П. В какую сторону должны вращаться гидравлические трубы // М.: Изд. АНСССР. 1932. № 1.
9. Buddau Arpad. A romailimes nimetraszayban Tapulmanuti beszamolo. Kolorsvar, 1910.
10. Халпахчан А.Х. К вопросу об истечении жидкости через донные отверстия. Изд. АН АрмССР, 1948. Т. 1.
11. Иванова Н.В., Кайзер Ю.Ф., Лысянников А.В. Электрообезвоживание авиационных топлив / Перспективы развития и безопасность автотранспортного комплекса: материалы IV Международной научно-практической конференции, г. Новокузнецк, 27-29 ноября 2014 г. Новокузнецк: Филиал КузГТУ в г. Новокузнецке, 2014. С. 395 - 399.
Кайзер Юрий Филиппович, канд. техн. наук, доц., kaiser170174@,mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Лысянников Алексей Васильевич, канд. техн. наук, доц., av. lysyannikov@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Кайзер Оксана Алексеевна, магистрант, okkaiser@mail. ru, Россия, Красноярск, Красноярский государственный аграрный университет,
Лысянникова Наталья Николаевна, канд. техн. наук, доц.,nataly.nm@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Мерко Михаил Алексеевич, канд. техн. наук, доц., m.merko@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Политехнический институт
MOBILE SYSTEMRECLAMATIONOILYSOIL
Yu.F. Kaiser, A. V. Lysyannikov, O.K. Kaiser, N.N. Lysyannikova, M.A.Merko
This paper presents analysisof the problem. The mainadvantages and disadvantage-sof machinesand mechanisms operatingin thefieldof oil pollutionelimination. The designof mobile complexremediationof oil-contaminatedsoil, the application of whichwill improve theeffectiveness ofremediationdue to theflexibilityin terms ofthe basic machine.
Key words:mobile complex, oil, oil-contaminated soils, reclamation, pollution.
Kaiser Yury Filippovich, candidate of technical sciences, docent, kais-er170174@,mail.ru, Russia,Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Lysyannikov Alexey Vasilievich, candidate of technical sciences, docent, av. lysyannikov@mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Kaiser Oksana Alekseevna, undergraduate, okkaiser@,mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, State Agricultural University,
Lysyannikova Natalya Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, nata-ly.nm@,mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Merko Mikhail Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, m. merko@,mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Polytechnical Institute
