CC BY
0УДК 626
Атанов Р.Р.
студент кафедры инженерной экологии и безопасности жизнедеятельности Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»
(г. Москва, Россия)
ВЛИЯНИЕ АЭРАЦИИ НА КАВИТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УПРАВЛЯЮЩЕГО КЛАПАНА В СУДОПОДЪЕМНИКАХ С ГИДРОПРИВОДОМ
Аннотация: в судоподъемниках с гидроприводом плунжерные клапаны и клапаны с фиксированным конусом являются наиболее подходящими конструкциями для достижения точного управления потоком в широком диапазоне условий течения. Для подавления кавитации в этих клапанных конструкциях были проведены эксперименты, в которых перед клапаном применялась принудительная аэрация. Кавитационные явления и режим аэрированного потока наблюдались через прозрачную стеклянную трубу, а шумовые характеристики кавитации регистрировались с помощью гидрофона. Результаты испытаний показали, что аэрация может уменьшить рабочее кавитационное число клапана, хотя и в ограниченной степени (<5%). На основе теории скорости звука в аэрированном потоке и результатов эксперимента была получена зависимость между концентрацией аэрации и эффективностью подавления кавитации. Когда концентрация аэрации составляет примерно 0,1%, кавитация может быть значительно подавлена за счет принудительной аэрации перед клапаном. Когда концентрация аэрации достигает 0,9 %, эффективность подавления кавитации становится насыщенной. Результаты исследований, представленные в данной статье, служат основной для ингибирования кавитации в промышленных клапанах.
Ключевые слова: аэрационная концентрация, давление на стенку, кавитационное число, кавитационный шум, судоподъемник.
Введение
Золотой канал реки Волга - важнейший внутренний водный путь в России, вносящий значительный вклад в социально-экономическое развитие городов, расположенных вдоль реки Волга. В последние десятилетия
2217
внутренние судоходные каналы (такие как река Волга) стремительно развиваются. С одной стороны, эти судоходные каналы подверглись масштабной реставрации и строительству, их уровень и судоходная способность значительно улучшились. С другой стороны, важные водоохранные проекты оснащены крупнотоннажными судоподъемниками, которые удовлетворяют потребности больших судов, проходящих через высокие плотины. В связи с новым требованием к экологическому развитию рек началось строительство экологических водных путей, которое достигло хороших результатов. Методы восстановления на основе растительности (например, посадка водной растительности [1,2]) используются для защиты пойм и центральных баров от эрозии русла, повышая устойчивость русла судоходных каналов. Например, Котляков В.М. [3] систематически изучал влияние растительности на эволюцию потока и перенос наносов, что послужило руководством для проектов экологического восстановления судоходных каналов на основе растительности. В то же время, с быстрым развитием внутреннего судоходства, грузоподъемность судов постепенно увеличивается, что соответствует растущим требованиям к судоподъемникам. Данная статья посвящена судоподъемникам, и основной целью нашего исследования было изучение влияния аэрации на кавитационные характеристики регулирующих клапанов в подъемниках, которые обеспечивают безопасную эксплуатацию судоподъемников.
Судоподъемник Jinghong - первый в мире подъемник (рис. 1), максимальная высота подъема которого составляет 66,86 м. Основным компонентом этого подъемника является регулирующий клапан, который подобно электродвигателю в судоподъемнике с электрическим приводом, и является залогом безопасной и эффективной работы судоподъемника [4]. Таким образом, требуется высокопроизводительный регулирующий клапан для точного управления расходом, способный приспосабливаться к значительным изменениям условий потока. В настоящее время этим требованиям отвечают только плунжерные клапаны и клапаны с
2218
фиксированным конусом [5]. При больших перепадах давления трудно избежать кавитации в регулирующем клапане. Борьба с кавитационными повреждениями в клапане и трубопроводе является ключом к безопасной и эффективной эксплуатации ГРПШ [6].
Рис. 1. Схематический чертеж Jinghong HDSL.
Исследования кавитации в промышленных клапанах в основном сосредоточены на влиянии геометрии клапана [7-9] и режима работы клапана [10]. Сазонов Ю.А. [11] исследовал шаровой клапан с сепаратором и без него с помощью модели кавитации и показал, что сепаратор может ограничить кавитацию вблизи сепаратора и предотвратить эрозию корпуса клапана и трубопровода ниже по течению. Артоболевский И.И. [12] провел численное исследование по снижению кавитации в поворотном клапане и обнаружил, что перфорированная пластина эффективно подавляет кавитацию внутри трубы. Мыртычев О.В. [13] разработал конструкцию донного затвора, используемого в трехходовых реверсивных клапанах, чтобы
2219
минимизировать эффект кавитации, а Юдин В.А. [14] испытал три типичные конструкции маятниковых клапанов. Результаты показали, что двухступенчатый дроссельный клапан может эффективно подавлять возникновение кавитации, хотя сила потока для этого типа клапана намного выше, чем для других клапанов. Оптимизация конструкции клапана может эффективно улучшить его антикавитационные характеристики, однако универсальность существующих конструкций оставляет желать лучшего.
Помимо оптимизации конструкции клапана, аэрация является еще одним эффективным средством предотвращения кавитации. Наиболее важным фактором, влияющим на аэрацию, является концентрация аэрации. Многие исследователи предполагают, что кавитационная эрозия может быть значительно уменьшена, если концентрация воздуха вблизи стенки составляет 12%, и может быть устранена, если концентрация воздуха достигает 5-7% [15]. Концентрация воздуха, при которой кавитация подавляется, зависит от материала образца. Акулова С.В. [16] предложила концентрацию воздуха в 1% для предотвращения кавитационной эрозии образца из алюминиевого сплава, а Благих В.Т. [17] сообщил, что концентрация воздуха в 5,7% подходит для образца из бетона. Давление в кавитационной области высокоскоростного потока с аэрацией увеличивается из-за образования волны сжатия после аэрации потока [18]. Теоретический анализ позволил определить зависимость между концентрацией аэрации (С и акустическая скорость звука в воде Уа [19]. Размер пузырьков воздуха также влияет на степень ингибирования кавитации [20-22]. Мелкие пузырьки в большей степени способствуют подавлению кавитационной эрозии, в то время как крупные пузырьки легче всплывают и лопаются, что снижает концентрацию аэрации на боковых стенках [23]. Мелкие пузырьки воздуха, как правило, облегчают кавитационную эрозию даже при одинаковой концентрации воздуха [24]. Матвеев Н.М. сделал прогноз аэрации на основе данных и методов генетического программирования с несколькими генами [25,26]. Эти исследования оказали сильное направляющее воздействие на разработку экспериментальных моделей.
2220
Режим аэрации может быть определен как самоаэрация или принудительная аэрация. Самоаэрация использует отрицательное давление для достижения естественной аэрации [27,28], например, при аэрации водосброса [29] и аэрации запорного водяного клапана [30,31]. Принудительная аэрация требует использования воздушного компрессора для достижения пассивной аэрации. Методы самоаэрации относительно просты, но не могут подавить первичную кавитацию внутри клапана. Принудительная аэрация защищает трубопровод после клапана, препятствует возникновению кавитации и защищает внутреннюю структуру клапана.
В заключение следует отметить, что существующие исследования, связанные с уменьшением кавитационной эрозии с помощью аэрации, в основном посвящены микроскопическим аспектам [32,33] и самоаэрации [34]. Макроскопические инженерные приложения и принудительная аэрация изучены мало. Конкретное влияние принудительной аэрации на ингибирование кавитации остается неясным. Исследования показали, что принудительная аэрация необходима для защиты регулирующих клапанов в БСВП [34], но крупномасштабная аэрация не способствует стабильности поверхности воды в шахте. Таким образом, необходимо изучить разумную концентрацию аэрации, которая может быть достигнута с помощью принудительной аэрации. В данном исследовании были проведены испытания принудительной аэрации для двух типов промышленных клапанов, подходящих для подъемника. Были изучены характеристики кавитации в сегментах клапана при различных степенях открытия, расходах и концентрациях аэрации. Структура поля потока и явление кавитации наблюдались с помощью высокоскоростной фотосъемки [23-26]. Анализ влияния аэрации на число кавитации и взаимосвязь между концентрацией аэрации и эффективностью подавления кавитации представлены в данной работе, чтобы послужить ориентиром для аналогичных инженерных проектов.
2221
1. Экспериментальная установка
Эксперименты проводились в многофункциональном
экспериментальном зале кавитации Центрального научного-исследовательского института и гидравлики, Россия. Эта лаборатория обеспечивает автоматизированное управление насосами, клапанами, а также контроль давления и расхода (рис. 2). Максимальная мощность системы подачи воды под давлением составляла 1,5 МПа, а максимальный расход - 0,15 м3/с. Экспериментальная модель сочетала в себе систему управления потоком, аэрационное оборудование, испытательный клапан, стеклянную трубку и систему сбора данных. Как видно на рис. 3, испытательные клапаны б были двух типов: плунжерный клапан с втулкой 20-30% и конусный клапан с куполом. Диаметр испытательных клапанов составлял 150 мм. Расположение датчика и конструкция аэрационного кольца показаны на рис. 4. Основываясь на результатах недавних исследований [11], мы использовали для аэрации меньшее отверстие, заполненное воздухом: диаметр отверстия составлял 3 мм, а количество отверстий - 32. Диапазон концентрации аэрации был установлен на 0-4%. Характеристики датчиков приведены в таблице 1.
Концентрация аэрации (С) для каждого испытания приведена в таблице 2. Максимальная аэрация концентрация составляла около 4%. Концентрация аэрации определяется как:
С =
Qa + Qw
Где Qa - расход воздуха (м3/ч), а Qw- расход воды (м3/ч), на степень открытия при испытаниях, стабилизацию давления на выходе Ра на уровне 60/120/180 кПа (Ра в таблице 2 равно 180 кПа, поскольку результаты испытаний меньше колеблются при более высоком Ра), а затем постепенное увеличение давления на входе (Ри) до появления первичной кавитации в клапане. При этом необходимо неоднократно регулировать управляющее давление в восходящем и нисходящем потоках. Критериями для определения состояния первичной кавитации Qi) клапана являются прерывистые импульсы кавитационного шума, шипящий звук внутри клапана и
- 2222 -
крошечные видимые кавитационные пузырьки в потоке воды. Исходя из состояния первичной кавитации, Ри рассчитывался в соответствии с формулой относительное кавитационное число д/^ = 0,4 (состояние сильной кавитации), а затем стабильное давление в восходящем потоке было отрегулировано до этого значения. После того как структура поля течения стабилизировалась, измерялись кавитационный шум и структура поля течения. Наконец, были проведены испытания принудительной аэрации при различных расходах воздуха = 0,1-3 м3/ч), и кавитационный шум и структура поля течения были неоднократно измерены. Эксперименты повторялись не менее трех раз, а экспериментальная погрешность уменьшалась путем взятия среднего значения нескольких экспериментальных результатов. Эффект подавления кавитации при принудительной аэрации был исследован путем анализа структуры поля течения, кавитационного числа и шумовых характеристик. Кавитационное число q определяется как:
^ _ Рй(Рд) + (Рмт-Р5У)/(рд)
(Ри-Ра)/Ш+Р2 /29
Где Раш - местное атмосферное давление, Р5У - местное давление насыщенных паров, V - средняя скорость в контрольном сечении, Ри -установившееся давление в восходящем потоке, Рй - установившееся давление в нисходящем потоке.
1. насос
2. регулирующий клапан
3. перепускной клапан
4. электромагнитный расходомер
5. коробка для стабилизации давления
6. электронный манометр
7. аэрационное кольцо
8. испытательный клапан
9. стеклянная трубка
10. расходомер воздуха
2223
11. воздушный компрессор
12. датчик давления
13. клапан
14. гидрофон
15. стеклянная трубка
16. 10 измеритель расхода воздуха
17. воздушный компрессор
18. гидрофон
19. датчик давления
20. система сбора данных
21. компьютер
22. камера
23. бассейн
Рис. 2. Экспериментальная установка.
(а) (Ь)
Рис. 3. Испытательные клапаны: (а) неподвижный конический клапан,
(Ь) плунжерный.
2224
Рис. 4. Расположение датчиков и конструкция аэрационного кольца.
Таблица 1. Характеристики датчиков.
Оборудование Параметр Значение Физический Количество
Модель
Электромагнитный Диапазон ±0,3% от Qw E—mag E
расходомер Точность указанного
значения
(скорость
потока > 1
м/с), ±3
мм/с
(скорость
потока <1
м/с)
Гидрофон Эффективная 3-300 кГц Уровень RHSA-10
частота звукового
Точность ±1 Дб давления
2225
Оборудование Параметр Значение Физический Количество Модель
Датчик давления Диапазон 0-1 МПа рабочее давление но130
Точность ±0.0001 МПа
Измеритель расхода воздуха Диапазон 0-3 м3/ч Оа 0Ь10-15Б
Точность ±0,05 м3/ч
Электронный манометр манометр Диапазон 0-4 МПа Ри, Рё УРЯ-УББ-С
Точность ±0.001 МПа
Камера Максимальное поле зрения 700 мм х 700 мм Структура поля течения Призрак
Максимальное разрешение 3840 х 2160
Таблица 2. Условия эксперимента.
Тип клапана Qa (м3 /ч)
Открытие клапана (п) 0 0.1 0.3 0.6 1.2. 2 3
Средняя скорость потока (м/с) С (%)
Плунжерный клапан 0.3 1.152 0 0.14 0.41 0.82 1.64 2.74 4.08
0.5 1.689 0 0.09 0.28 0.56 1.13 1.87 2.79
0.6 3.840 0 0.04 0.12 0.25 0.49 0.82 1.23
0.9 5.666 0 0.03 0.08 0.17 0.33 0.56 0.83
Конусный клапан 0.1 1.302 0 0.12 0.36 0.73 1.46 2.42 3.63
0.2 3.149 0 0.05 0.15 0.30 0.60 1.00 1.50
0.3 4.932 0 0.03 0.10 0.19 0.38 0.64 0.96
2226
1. Результаты и анализ 1.1. Коэффициент расхода
Изменение коэффициента расхода в зависимости от концентрации аэрации показано на рис. 5. При различных скоростях потока коэффициент расхода уменьшается с увеличением концентрации аэрации, но скорость уменьшения становится медленнее. При одинаковой концентрации аэрации большая скорость потока приводит к более заметному снижению коэффициента расхода. Согласно определению, коэффициент расхода пропорционален скорости потока и обратно пропорционален разности давлений. Результаты испытаний показывают, что принудительный забор воздуха перед клапаном создает определенное сопротивление входящему потоку. Это приводит к снижению скорости потока через клапан, что повышает давление перед клапаном. Давление за клапаном также увеличивается, но в меньшей степени, чем перед клапаном. Таким образом, разность давлений продолжает увеличиваться, а коэффициент расхода - снижаться. При увеличении содержания воздуха коэффициент расхода постоянно уменьшается. Это происходит потому, что давление перед клапаном не увеличивается одновременно с увеличением содержания воздуха, и поэтому коэффициент расхода относительно уменьшается. В условиях испытаний, рассмотренных в данном исследовании, максимальное содержание воздуха составляло 3 м3/ч, скорость потока V варьировалась от 1,152 до 5,666 м/с, а содержание воздуха С изменялось от 0 до 4 %. Максимальное снижение коэффициента расхода составило менее 5 %, что свидетельствует о незначительном влиянии содержания воздуха на коэффициент расхода.
2227
Рис. 5. Изменение коэффициента расхода в зависимости от концентрации аэрации. (а) Плунжерный клапан (б) Конусный клапан
1.2. Давление на стену
Изменения характеристик давления при различных условиях работы в первой точке измерения (100 мм от отверстия клапана) в зависимости от концентрации аэрации показаны на рис. 6. Сравнивая безразмерное усредненное по времени давление (Рау) на стенку трубы при различных условиях работы, можно заметить, что при увеличении концентрации аэрации изменения незначительны. Напротив, безразмерное пульсационное давление на стенку трубы (Ргтз ) демонстрирует явную зависимость от концентрации аэрации, когда открытие клапана мало и средняя скорость потока в секции низкая. При увеличении концентрации аэрации коэффициент пульсации давления продолжает расти, но скорость роста постепенно замедляется. Это объясняется тем, что турбулентность в поле потока слаба при малом открытии и низкой скорости потока, а увлечение воздуха значительно увеличивает турбулентность потока. Характеристики давления на стенках за двумя типами клапанов сильно отличаются, главным образом потому, что структура поля потока за плунжерным клапаном сильно отличается при разной степени открытия, и влияние аэрации на характеристики давления на стенках более очевидно.
2228
Рис. 6. Изменение давления на стенку в зависимости от концентрации аэрации
2229
При увеличении концентрации увлекаемого воздуха скорость нарастания интенсивности турбулентности в поле течения снижается. Принудительная аэрация перед клапаном влияет на структуру поля потока за клапаном и увеличивает интенсивность турбулентности в водоеме. Для поля потока с недостаточной турбулентностью унос воздуха, очевидно, увеличивает турбулентность поля потока и оказывает значительное влияние на давление у стенки. Если поле течения достаточно турбулентное, небольшое количество аэрации оказывает незначительное влияние на поле течения. Характеристики давления стенки конусного клапана соответствуют характеристикам плунжерного клапана, что указывает на то, что тип клапана оказывает незначительное влияние на эффект аэрации.
1.3. Явления кавитации
Типичные явления после клапанной кавитации показаны на рис. 7 для степени открытия клапана 0,3. Основным типом кавитации в обоих клапанах является туманная кавитация. Симметричная конструкция плунжерного клапана приводит к тому, что кавитационные пузырьки сходятся в спиральный канат в центре трубы. Поток колеблется взад-вперед в неустойчивой структуре поля потока и оказывает сильное воздействие на стенки трубы. После того как туманная кавитация собирается в канат, подавить кавитацию становится сложнее. Благодаря выпрямлению и ограничению купола режим потока после конусного клапана становится более равномерным, а кавитационные пузырьки равномерно распределяются в потоке.
2230
Рис. 7. Явления кавитации (слева: плунжерный клапан, справа: конический клапан).
После аэрации структура поля потока за плунжерным клапаном постепенно разрушается. При Qa = 0,10 м3/ч (0,1% от основного потока) наблюдается динамический процесс слияния мелких пузырьков воздуха в спиральную канатную кавитацию. Включение пузырьков воздуха постепенно сгущает спиральную кавитацию. Однако ограничение, накладываемое схождением потока воды, приводит к увеличению числа рассеянных пузырьков воздуха в потоке воды. Когда Qa = 1,20 м3/ч (1,5 % от основного потока), в потоке воды становится слишком много пузырьков воздуха, и многочисленные нити спиральной канатной кавитации смешиваются друг с другом, делая картину течения очень неустойчивой.
Сравнительные эксперименты показывают, что структура поля потока после конусного клапана относительно стабильна и не претерпевает
2231
значительных изменений при увеличении уровня аэрации. При низком уровне аэрации мелкие, похожие на иглы пузырьки воздуха равномерно распределены в потоке воды. При увеличении содержания воздуха количество воздушных пузырьков в потоке воды, очевидно, увеличивается, а видимость потока воды постепенно уменьшается, но структура поля потока после конусного клапана остается относительно неизменной.
Изменение рабочего кавитационного числа в условиях испытаний в зависимости от концентрации аэрации показано на рис. 8 Ао = оа — о, где оа -кавитационное число с аэрацией). Принудительная аэрация оказывает определенное блокирующее воздействие на поток перед клапаном, что приводит к снижению перепускной способности клапана. Увеличение концентрации аэрации повышает как Ри, так и Ра , хотя первая растет быстрее второй, поэтому рабочее кавитационное число уменьшается. В экспериментальных условиях данного исследования максимальный расход воздуха составлял 3 м3/ч, скорость потока варьировалась от 1,152 до 5,666 м/с, а концентрация воздуха - в диапазоне 0-4%. Максимальное снижение рабочего кавитационного числа составило менее 5 %, что говорит о том, что содержание воздуха оказывает незначительное влияние на рабочее кавитационное число.
1.4. Рабочее кавитационное число
-5
-ж-- ¥=1.302 —в-- у=ЗЛ49
у-1,152 —*—у= 1.689
^=3.840 —О— \>=5М6
О
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
С(%)
Рис. 8. Изменение Аа/а в зависимости от С.
2232
1.5. Характеристики кавитационного шума
Кавитационный шум, собранный во время испытаний, отражает определенные характеристики во временной области. Поскольку в данном исследовании рассматривались постоянные характеристики кавитации, сигнал кавитационного шума во временной области был преобразован в сигнал в частотной области с помощью преобразования Фурье. Все сложные формы волн можно рассматривать как синтез нескольких синусоид, а любая периодическая функция может быть образована суперпозицией нескольких синусоид с различными амплитудами и фазами. Таким образом, собранный шумовой сигнал можно представить в виде:
Где <^1 - частота тестового сигнала, ^ - начальный фазовый угол тестового сигнала, а г = 1, 2, 3, ..., п.
Для преобразования характеристик кавитационного шума во временной области в частотную область было применено следующее преобразование Фурье:
Кавитационный шум является важным показателем при определении силы кавитации. Основными характерными параметрами кавитационного шума являются звуковое давление и уровень звукового давления, которые связаны между собой в соответствии с:
от
БР
БР1 = 201я(—)
где Рг - эталонное звуковое давление, обычно принимаемое за 2 х10-5 Па.
2233
Изменение уровня звукового давления в типичных условиях испытаний при различных концентрациях аэрации показано на рис. 9. Значение уровеня звукового давления очень высокое в частотной области без аэрации. При добавлении небольшого количества воздуха значение уровень звукового давления быстро уменьшается. При дальнейшем увеличении концентрации воздуха тенденция к снижению уровеня звукового давления явно замедляется и, наконец, снижается до уровня фонового шума потока воды. Доминирующая частота уровня звукового давления составляет около 6 кГц. Максимальное значение уровеня звукового давления (5РЬтах) на доминирующей частоте при различных концентрациях аэрации показано на рис. 10.
300
30 ЛКНг)
300
Рис. 9. Уровень звукового давления при различных концентрациях аэрации
0.5 0.6
С(%)
Рис. 10. ^РЬтах при различных концентрациях аэрации.
2234
На рис. 10 показано, что изменения 5РЬтах в зависимости от аэрации схожи при различных величинах. Когда С ~ 0,1 %, 5РЬтах быстро падает более чем на 60 %, с увеличением концентрации аэрации скорость падения ^^-тах значительно снижается. Когда С ~ 0,9 %, ^^-тах снижается до стабильного значения и остается практически неизменным при дальнейшем увеличении концентрации аэрации. Это указывает на то, что при С ~ 0,1 % кавитация может быть значительно подавлена, а при С ~ 0,9 % эффект подавления кавитации, вызванный принудительной аэрацией, становится насыщенным.
Аэрация изменяет скорость распространения звуковых волн в потоке воды [18]. Теоретическая зависимость между акустической скоростью аэрируемого потока и концентрацией аэрации представлена в уравнении (6). На рис. 11 показана теоретическая кривая зависимости акустической скорости от концентрации аэрации в плунжерном клапане. Акустическая скорость быстро уменьшается с увеличением концентрации аэрации, и эта тенденция очень похожа на тенденцию ^^-тах в доминирующей частоте. Это указывает на то, что уменьшение кавитации с помощью принудительной аэрации тесно связано с уменьшением акустической скорости.
д
а ~
ч
V
Р»С(1 -С)
Где да - акустическая скорость звука в воде, а рш - плотность воды.
2235
300
Д V—1.152
х
О ^=3.840
□ у=5.666
140 130 120 НО
100 Я
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 I
С (%)
Рис. 11. Сравнение теоретической акустической скорости и ЗРЬтах на доминирующей частоте.
На основании сравнения теоретической акустической скорости и ^РЬтах на доминирующей частоте, эффективность подавления кавитации п определяется следующим образом:
л =
срт — срт
итах иа
срт — срт .
^ г итах г иатт
где п - эффективность подавления кавитации, ^РЬтах - максимальный уровень звукового давления на доминирующей частоте без аэрации, 5РЬа -уровень звукового давления на доминирующей частоте с аэрацией, 5РЬатт -минимальный уровень звукового давления на доминирующей частоте с аэрацией.
На основании результатов испытаний, полученных в данном исследовании, в уравнении (8) представлена эмпирическая формула, связывающая эффективность подавления кавитации с помощью аэрации и концентрацию аэрации. Поскольку эффективность подавления кавитации зависит не только от акустической скорости, вводится поправочный коэффициент т = 1,08.
^ = т(1 —
0,009
— с)
2236
Кривая, построенная на основе уравнения (8), сравнивается с экспериментальными значениями на рис. 12. Кавитационный шум в обоих клапанах значительно подавляется аэрацией. При одинаковой концентрации аэрации п в конусном клапане выше, чем в плунжерном клапане при С < 0,3%, что указывает на то, что небольшое количество аэрации оказывает более очевидное тормозящее воздействие на кавитацию в конусном клапане. Когда С > 0,3%, этот эффект уже не очевиден. Поскольку режим течения после плунжерного клапана сложный, кавитационные пузырьки могут образовывать тонкую область спиральной кавитации, что снижает эффект аэрации. Следовательно, эффективность аэрации разрушают структуру поля потока после плунжерного клапана, что усиливает перемешивание влияние кавитационных пузырьков и пузырьков воздуха. Таким образом, разница в эффекте снижения коррозии при аэрации между двумя типами клапанов уменьшается. юо
90 80 70 _ 60 £ 50 40 30 20 10 0
О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
С (%)
Рис. 12. Подгоночная зависимость п и С.
В целом, с макроскопической точки зрения, структура поля потока двух типов клапанов совершенно различна, и небольшое количество аэрации оказывает незначительное влияние на структуру поля потока, в то время как большое количество аэрации может разрушить структуру поля потока. С микроскопической точки зрения, небольшое количество аэрации может значительно подавить кавитацию клапана, но большое количество аэрации
2237
не может еще больше улучшить эффект подавления кавитации.
2. Вывод
Условия работы регулирующего клапана в ГРПШ очень сложны, и кавитация клапана неизбежна. Чтобы обеспечить безопасность клапана и трубопровода, в данном исследовании были проведены испытания на принудительную аэрацию двух типов промышленных клапанов, которые подходят для эксплуатационных требований ГРПШ. Основные выводы заключаются в следующем:
1. Результаты испытаний показывают, что принудительная аэрация перед клапаном создает определенное сопротивление входящему потоку, что приводит к снижению расхода. Концентрация аэрации в данном исследовании составила менее 4 %, а снижение коэффициента расхода - менее 5 %, что свидетельствует о незначительном влиянии аэрации на коэффициент расхода.
2. В полях течения с недостаточной турбулентностью аэрация, очевидно, повышает уровень турбулентности, что оказывает значительное влияние на давление у стенки. Если турбулентность в поле течения достаточно сильная, небольшое количество аэрации оказывает незначительное влияние на поле течения.
3. Основным типом кавитации в обоих клапанах была туманная кавитация. Режим течения после плунжерного клапана сложный, и кавитационные пузырьки могут образовывать тонкую область спиральной кавитации. Структура поля потока после конусного клапана более простая, со стабильным, однородным режимом потока, содержащим равномерно распределенные кавитационные пузырьки, которые легче подавить.
4. Аэрация снижает рабочее кавитационное число, но ее влияние ограничено. В данном исследовании снижение рабочего кавитационного числа клапана составило менее 5 %.
Аэрация может значительно подавить кавитацию клапана. Результаты испытаний показывают, что при С ~ 0,1 % кавитация может быть значительно
2238
подавлена. Когда С ~ 0,9 %, подавление кавитации клапана происходит за счет принудительной аэрации до того, как клапан станет насыщенным. Была получена эмпирическая формула, связывающая эффективность ингибирования кавитации и концентрацию аэрации.
Данное исследование было основано на испытании при постоянном расходе. Открытие и закрытие клапана - это нестационарный процесс, и правило аэрации в этом динамическом процессе нуждается в дальнейшем изучении.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Пирсол И.С Кавитация: пер. с англ. М.: Мир, 2012. 98 с.
2. Смородов Е.А., Галиахметов Р.Н., Ильгамов М.А. Физика и химия кавитации. М.:Наука, 2008. 226 с.
3. Окслер Г. Что такое кавитация? // Арматуростроение. 2012. №2 3 (78). С. 7073.
4. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация: пер. с англ. М.: Мир, 1974. 687 с.
5. Маргулис М.А. Сонолюминесценция // Успехи физических наук. 2000. № 3 (170). С. 263-287. 001: 10.3367/Ш№.0170.200003с.0263
6. Пильгунов В.Н. Исследование разрывной прочности минерального масла // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 5. Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/370692.html (дата обращения 01.02.2016).
7. Яворский Б.М., Датлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1981. 512 с.
8. Акопян В.Б., Альков С.В., Бамбура М.В., Ершов Ю.А. Поверхность кавитирующего пузырька // Машиностроитель. 2015. Т. 84, вып. 12. С. 10-15.
9. Алимов М.А., Воробьев Д.А., Хвесюк В.И. Модель воздействия кавитационного пу- зырька на стенку канала в приближении точечного взрыва в
2239
несжимаемой жидкости // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 07. С. 309- 324. DOI: 10.7463/0712.0435175
10. Аганин А.А., Ильгамов М.А., Лэхи Р.Т., Нигматулин Р.И., Талейархан Р.П., Топорков Д.Ю. Эволюция возмущений сферической формы кавитационного пузырька при его сверхсжатии // Вестник Башкирского университета. 2012. Т. 17, № 3. С. 1180 -1195. Режим доступа: http://bulletin-bsu.eom/arch/2012/3/1-1/ (дата обращения 01.02.2016).
11. Ni B.Y., Zhang A.M., Wu G.X. Numerical and Experimental Study of Bubble Impact on a Solid Wall // Journal of Fluids Engineering. 2015. Vol. 137, iss. 3. DOI: 10.1115/1.4028798
12. Ковалев А.А. Моделирование кавитационного воздействия на рабочую поверхность изделия, эксплуатируемого в гидродинамической среде // Наука и образование. МГТУим. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. №2 11. С. 25-36. DOI: 10.7463/1113.0623525
13. Tomita Y., Robinson P.B., Tong R.P., Blake J.R. Growth and collapse of cavitation bubbles near a curved rigid boundary // Journal of Fluid Mechanics. 2002. Vol. 466. P. 259-283. DOI: 10.1017/S0022112002001209
14. Сиротюк М.Г. Акустическая кавитация. М.: Наука, 2008. 271 с.
15. Леонов Г.В., Савина Е.И. Информационное моделирование кавитационных процессов,инициированных ультразвуковыми осцилляторами // International Workshops and Tuto- rials on Electron Devices and Materials (EDM'2006). Новосибирск: НГТУ, 2006. Режим доступа: http: //ультразвук. net/downloads/edm06/modelmg_rus .pdf (дата обращения 01.02.2016).
16. Ashokkumar M., Rink R., Shestakov S. Hydrodynamic cavitation - an alternative to ultra- sonic food processing // Electronic Journal Technical Acoustics. 2011. No. 9. Режим дос- тупа: http://www.ejta.org/en/ashokkumar1 (дата обращения 01.02.2016).
17. Margulis M.A. Sonochemistry as a New Promising Area of High Energy Chemistry // High Energy Chemistry. 2004. Vol. 38, iss. 3. P. 135-142. DOI:
2240
10.1023/В: HIEC.0000027648.69725.98
18. Маргулис М.А. О механизме возникновения свечения и электризации при течении жидкостей в узком канале / под ред. М.А. Маргулиса, В.Н. Пильгунова // Журнал фи- зической химии. 2009. Т. 83, № 10. С. 1975-1979.
19. Маргулис М.А., Пильгунов В.Н. Механизм свечения и электризации жидкостей при течении в узких каналах // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные нау- ки. Физика. 2010. № 1. С. 64-79. Режим доступа: http://cyberleninka.ru/article/n/mehanizm-svecheniya-i-elektrizatsii-zhidkostey-pri-techenii-v-uzkih-kanalah (дата обращения 01.02.2016).
20. Жарковский А.А. Алексенский В.А., Пугачев П.В. Расчетное определение кавитационных характеристик центробежных насосов. Известия Самарского научного центра РАН, 2011, т.13, №1(2)(39), С.411-414.
21. Жарковский А.А. Алексенский В.А., Пугачев П.В. Однолопастное осевое предвключенное колесо центробежного насоса. Международный научно -исследовательский журнал. 2013. №11-1 (18). С. 123-127 .
22. Жарковский А.А. Алексенский В.А., Пугачев П.В. Повышение антикавитационных качеств шнекоцентробежной ступени. Известия Самарског научного центра Российской академии наук, 2016, т.18, №1(2), с. 287-291.
23. Долинский А.А., Павленко А.М., Басок Б.И. Теплофизические процессы в эмульсиях (получение, использование,
24. Промтов М.А. Пульсационные аппараты роторного типа: теория и практика. М.: Машиностроение-1, 2001. 260 с.
25. Федоткин И.М., Немчин А.Ф. Использование кавитации в технологических процессах. Киев. : Вища школа, 1984. 68 с.
26. Федоткин И.М., Гулый И.С. Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности. Ч. II. Киев : ОКО, 2000. 898 с.
27. Промтов М.А. Машины и аппараты с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества : учеб. пособие. М. : Машиностроение-1, 2004. 136 с.
28. Промтов М.А., Акулин В.В. Механизмы генерирования тепла в роторном
2241
импульсном аппарате // Вестник. Тамбовского государственного технического университета. 2006. Т. 12. № 2А. С. 364- 369
29. Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах. М. : Химия, 1983. 192 с
30. Балабудкин М.А. Роторнопульсационные аппараты в химикофармацевтической промышленности. М. : Медицина, 1983. 160 с
31. Балабышко А.М., Юдаев В.Ф. Роторные аппараты с модуляцией потока и их применение в промышленности. М. : Недра, 1992. 176 с.
32. Кулагин В.А. Суперкавитация в энергетике и гидротехнике. Красноярск : ИПЦ КГТУ, 2000. 107 с
33. Червяков В.М., Воробьев Ю.В. Основы теории и расчета деталей роторного аппарата : учебное пособие. Министерство образования и науки Российской Федерации, ГОУ ВПО "Тамбовский государственный. технический университет". Тамбов : Изд-во ТГТУ, 2008. 111 с
Atanov R.R.
Moscow State University «STANKIN» (Moscow, Russia)
EFFECT OF AERATION ON CAVITATION CHARACTERISTICS OF CONTROL VALVE IN HYDRO-DRIVEN SHIP LIFTS
Abstract: in hydro-driven ship lifts, plunger valves and fixed cone valves are the most suitable structures for achieving accurate flow control under a wide range of flow conditions. In order to inhibit cavitation in these valve structures, experiments were conducted in which forced aeration was applied before the valve. The cavitation phenomena and aerated flow regime were observed through a transparent glass pipe, and the cavitation noise characteristics were recorded using a hydrophone.
Keywords: aeration concentration, wall pressure, cavitation number, cavitation noise, ship
lift.
2242
