КАВИТАТОР РОДИОНОВА В.П.
V. RODIONOV'S CAVITATOR

Изобретение относится к устройствам гидрокавитационного воздействия и может использоваться для создания кавитации в струйных потоках, например, в судоремонтной промышленности для удаления наслоений и обрастаний, в установках для очистки внутренних поверхностей котлов, теплообменников, в нефтегазовой отрасли для очистки внутренних поверхностей труб, нефтегазовых скважин, деталей центробежных насосов; для диспергирования, стерилизации жидкостей.
д
1
Известен кавитатор для подводной гидродинамической и гидрокавитационной очистки закольматированных поверхностей твердых тел (патент РФ №2258130, МПК E21B 37/08 от 03.12.2004), состоящий из проточного канала с профилем, образованным соосно расположенными и последовательно соединенными между собой входным конфузором, цилиндрическим каналом и выходным диффузором, причем кавитатор находится внутри цилиндрической полости фильтра, закольматированного частицами горных пород, в цилиндрическом канале кавитатора смонтирован успокоитель потока жидкости в виде ячеистого тела, а входной диаметр выходного диффузора dбольше выходного диаметра цилиндрического канала d.
Недостатком такого кавитатора является недостаточная эффективность воздействия на устойчивые и трудноудаляемые с очищаемой поверхности отложения.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является «Гидрокавитационный генератор Родионова В.П.» (патент РФ №1614241, МПК B01F 5/00, B08B 3/12 от 02.11.1097), имеющий внутреннюю поверхность в форме конфузора, сообщенного с диффузором, отражательный элемент, при этом конфузор сообщен с диффузором посредством двухступенчатого цилиндрического участка, диаметр первой ступени которого равен меньшему диаметру конфузора и меньше или равен 0,5 диаметра второй ступени, причем отношение меньших диаметров диффузора и конфузора равно 1,25-2,0, а отношение расстояния от выходного отверстия диффузора до отражательного элемента к меньшему диаметру конфузора не менее 4.
Недостатком известного устройства является недостаточная интенсивность кавитации в струйном затопленном потоке и невозможность достижения максимальной эрозионной способности кавитации при воздействии ее на различные обрастания и наслоения.
Целью изобретения является максимально возможное повышение эффективности работы кавитатора в струйных потоках жидкости.
Технический результат, заключающийся в повышении эффективности воздействия на трудно удаляемые отложения на очищаемых поверхностях, достигается в предлагаемом кавитаторе Родионова В.П., содержащем корпус с внутренней сквозной полостью, включающей входное отверстие с цилиндрическим участком и конфузором с углом схождения α, расширительную камеру, боковые отверстия и выходное отверстие, выполненное в виде диффузора с углом расхождения β, тем, что в нем внутренняя сквозная полость содержит переходные участки, выполненные с ребристой внутренней боковой поверхностью, цилиндрический участок входного отверстия расположен на входе кавитатора с переходом в упомянутый конфузор, выход которого связан через один из переходных участков со входом расширительной камеры, выполненной со ступенчатой формой внутренней боковой поверхности, при этом срединный участок расширительной камеры выполнен с максимальным диаметром по отношению к остальным ступенчатым участкам и связан с n боковыми отверстиями, причем выход расширительной камеры связан через другой переходной участок со входом диффузора, выполненного со ступенчатой формой внутренней боковой поверхности.
Указанный технический результат достигается также тем, что конфузор выполнен с углом схождения α=5-60°, а диффузор выполнен с углом расхождения β=10-60°.
Кроме того, для обеспечения возможности регулировки интенсивности эрозионного воздействия кавитации боковые отверстия, связанные со срединной частью расширительной камеры, выполнены в количестве n≥2 с обеспечением возможности регулировки интенсивности эрозионного воздействия кавитации.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 представлен предлагаемый кавитатор в разрезе;
- фиг. 2 иллюстрирует процесс возникновения кавитации в струйном затопленном потоке жидкости при использовании предлагаемого кавитатора;
- на фиг. 3 приведена функциональная зависимость изменения границы видимой зоны факела суперкавитационной каверны;
- на фиг. 4 представлены графики зависимости изменения относительной величины радиуса  внешней видимой границы каверны суперкавитации от изменения относительного расстояния X от очищаемой поверхности до кавитатора при различных числах кавитации χ.
- фиг. 5 иллюстрирует процесс образования на твердой поверхности тороидальной каверны;
- на фиг 6 представлена поверхность образца из алюминия после воздействия на нее струйным кавитационным потоком, истекающим из кавитатора предлагаемой конструкции.
Кавитатор (фиг. 1, фиг. 2) содержит корпус 1 с внутренней сквозной полостью, включающей входное отверстие с цилиндрическим участком 2, переходящим в конфузор 3 с углом схождения α=5-60°, первый переходной участок 4 с ребристой внутренней боковой поверхностью, расширительную камеру, выполненную со ступенчатой формой внутренней боковой поверхности, образованную участками (ступеньками) 5, 6, 7, при этом срединный участок 6 расширительной камеры выполнен с максимальным диаметром по отношению к остальным ступенчатым участкам и связан с n боковыми отверстиями 8.
Боковые отверстия выполнены в количестве n≥2 с обеспечением возможности регулировки интенсивности эрозионного воздействия кавитации.
Выход расширительной камеры связан через другой переходной участок 9 с ребристой внутренней боковой поверхностью со входом диффузора, выполненного с с углом расхождения β=10-60° и со ступенчатой формой внутренней боковой поверхности, образованной участками (ступеньками) 10-14.
1
Переходной участок 4 выполнен с диаметром D по острой кромке выступов в пределах от 0,5 до 3 и более мм.
1
1
1
1
1
Расширительная камера состоит из пяти последовательно расположенных ступенек, выполненных в форме цилиндров. Диаметр первого цилиндра равен 2D, второго 3D, третьего 4D, четвертого 3D, пятого 2D. Срединный цилиндр (участок 6) расширительной камеры связан с боковыми цилиндрическими отверстиями 7, которые соединяют внутреннюю полость расширительной камеры с внешней окружающей устройство средой 16.
2
1
7
6
5
4
3
Нижний цилиндр (участок 7) расширительной камеры соединен со вторым переходным участком 9 с ребристой поверхностью с диаметром острых выступов D>D в пределах до 5 мм. Нижняя часть переходного участка 9 переходит в диффузор с углом раскрытия β от 10 до 60°, выполненный в виде последовательно расположенных цилиндрических участков 10-14 - «елочки». Диаметры участков последовательно увеличиваются: D>D>D>D>D от 1 мм и более в зависимости от угла раскрытия диффузора угла β.
Устройство (фиг. 1 и фиг. 2) работает следующим образом.
Жидкость основным своим потоком подводится сверху корпуса 1, как показано жирной стрелкой, и поступает во внутреннюю полость цилиндрического участка 2. Затем струйный поток поступает в конфузор 3, где происходит сжатие потока, увеличение его динамического напора и снижение статического давления. Поток жидкости, истекающий из нижнего участка конфузора 3, переходит в переходной участок 4, боковая поверхность которого выполнена ребристой с острыми выступами прямоугольного типа. Динамическая скорость и статическое давление по длине участка остаются постоянными, но на острых срезах зарождается кавитация в виде газопаровых пузырьков, которые начинают интенсивно выделяться из потока жидкости и располагаются по краям жидкостного потока. При прохождении жидкости через переходной участок 4 количество газопаровых кавитационных пузырьков растет по квадратичной зависимости и может достигнуть 40% от ее максимально возможного образования.
Далее струйный поток жидкости проходит участок 5 расширительной камеры, где динамическое давление начинает резко уменьшаться, а статическое давление увеличивается. Происходит резкое сжатие статическим давлением части газопаровых кавитационных пузырьков в жидкостном потоке. Далее жидкостной поток поступает в срединный участок 6 расширительной камеры, которая имеет n≥2 боковых отверстий, связанных с окружающей корпус кавитатора средой 16.
Рассмотрим возможные условия в зависимости от поступления в центральную часть расширительной полости какой-либо среды (жидкости, газа) или перекрытия этих отверстий.
1. Все боковые отверстия 8 закрыты от окружающей устройство среды.
В этом случае жидкостной поток, поступающий из переходного участка 4, увеличивается по ширине в расширительной полости. Статическое давление увеличивается, что приводит к схлопыванию части газопаровых пузырьков.
Далее поток проходит во второй переходной участок 9 с ребристой поверхностью с острыми участками прямоугольного типа. За счет острых кромок поверхности в потоке дополнительно (как бы к законсервированным, сжатым газопаровым кавитационным пузырькам), начиная с начала участка и до его нижней части добавляется новое количество кавитационных газопаровых пузырьков в пределах 30% от его максимального возможного образования. Далее поток поступает в цилиндрические участки 10-14, где динамическое давление резко начинает по длине участков падать, а статическое давление увеличивается. При этом происходит дополнительное увеличение количества кавитационных газопаровых пузырьков. Пройдя все цилиндрические участки, в потоке жидкости по ее периметру скапливается около 90% кавитационных газопаровых (законсервированных) пузырьков.
Истекая из оконечной части кавитатора жидкостной поток образует каверну 15 (фиг. 2) в виде факела, состоящую из огромного количества газопаровых пузырьков.
0
к
Для определения степени развития кавитации были использованы более 1000 фотографий истечения жидкостного потока из кавитатора предлагаемой конструкции, на которых выполнены непосредственные геометрические замеры периметра каверны суперкавитационной зоны при различных значениях числа кавитации χ=P/P.
Исследования фотографий позволили определить:
- зависимость изменения относительной протяженности видимой зоны факела суперкавитационной каверны от изменения параметров динамических давлений;
- зависимость изменения относительного радиуса расширения видимой зоны факела суперкавитационной каверны от величины числа кавитации.
По результатам экспериментальных исследований определена функциональная зависимость изменения границы видимой зоны факела суперкавитационной каверны от изменения значений  и относительного давления  (фиг. 3), которая может быть представлена в виде:
где  l - длина видимой зоны кавитации, м;
0
d - диаметр сопла, м;
k
P - противодавление в затопленной полости, МПа;
0
P - давление на срезе сопла, МПа.
На фиг. 4 представлены графики зависимости изменения относительной величины радиуса  внешней видимой границы каверны суперкавитации от изменения относительного расстояния до кавитатора при различных числах кавитации χ.
Обработка опытных данных позволила получить формулу для вычисления:
2
где A=190,35χ+1,9χ; B=1,21χ+0,009.
Если кавитационный поток истекающей из устройства жидкости истекает на твердую поверхность, он образует на ней строго определенную каверну тороидальной формы (см. фиг. 5).
В зависимости от параметров потока, а именно: давления поступающего от гидравлического высоконапорного насоса (на чертежах не показан), противодавления окружающей устройство среды (жидкости), относительного расстояния от среза устройства до поверхности растекания зависит интенсивность схлопывания на данной поверхности газопаровых пузырьков и эрозионная способность кавитации.
При определенных условиях газопаровые пузырьки могут произвести разрушение поверхности, состоящей из любого материала. На фиг. 6 представлена поверхность образца из алюминия после воздействия на нее струйным кавитационным потоком, истекающим из кавитатора предлагаемой конструкции при рабочем давлении 15 МПа, противодавлении окружающей жидкости 0,4 МПа, при расстоянии от среза устройства до поверхности образца 100 мм.
2. Боковые отверстия 8 открыты для поступления окружающей устройство жидкости в расширительную камеру.
В этом случае в расширительной камере статическое давление при прохождении через нее основного потока жидкости будет намного меньше статического давления в окружающей устройство жидкости 16.
За счет перепада давления часть жидкости через боковые отверстия 8 кавитатора будет поступать в расширительную камеру, увеличивая общее ее количество в истекающем из устройства потоке.
В этом случае значительно увеличится количество образовавшихся в потоке газопаровых пузырьков по сравнению с количеством пузырьков, образовавшихся при закрытых отверстиях 8.
Это приведет к тому, что при воздействии такого потока на поверхность материала интенсивность эрозионного разрушения его возрастет в зависимости от дополнительного количества поступившей в устройство жидкости.
Такая конструкция кавитатора при дозированной регулировке поступающей в устройство дополнительного количества жидкости через боковые отверстия 8 в расширительную камеру позволяет управлять интенсивностью эрозионного разрушения материала.
3. Боковые отверстия открыты для поступления через них дополнительного количества воздуха в расширительную камеру.
В этом случае в потоке протекающей через устройство жидкости, в которой образовались газопаровые пузырьки, дополнительно будет находиться определенное введенное через отверстия 8 количество воздуха, а именно газовые пузырьки.
В образовавшейся каверне 15 жидкостного потока, истекающего из устройства, дополнительно будут присутствовать газовые пузырьки.
Практика и опыты, проведенные автором, показали, что при воздействии такого потока на твердую поверхность интенсивность эрозионного разрушения поверхности резко снижается или исчезает совсем в зависимости от количества введенного в поток воздуха или другого газа.
Объяснить это можно тем, что чем больше противодавление, т.е статическое давление среды, тем интенсивнее охлопывание и эрозионная способность газопаровых пузырьков. Присутствие же в потоке дополнительно газовых пузырьков приводит к демпфированию и снижению силового эрозионного воздействия кавитации.
Предложенный кавитатор позволяет обеспечить в струйном затопленном потоке жидкости максимально возможную степень развития кавитации за счет новой конструкции, создающей в жесткой струе по периметру каверны максимальное количество газопаровых пузырьков, схлопывание которых приводит к кумулятивному пульсационно-периодическому изменению гидродинамического давления, оказывающему эрозионно-кавитационное воздействие на очищаемую поверхность, разрушая при этом широкий класс наслоений вплоть до твердости алмаза.
Предложенный кавитатор Родионова В.П. может изготавливаться  на машиностроительных предприятиях с использованием металлов и сплавов, стойких к коррозии.