АНТИКАВИТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО В КРИВОЛИНЕЙНОМ ГИДРАВЛИЧЕСКОМ ТРАКТЕ
ANTICAVITATION DEVICE IN CURVED HYDRAULIC PATH

Изобретение относится к области машиностроения, энергетики, нефтепереработки, в частности к способам и устройствам для снижения уровня кавитации в гидравлических машинах, трубопроводах, перекачивающих различные жидкости, системах переработки жидкостей.
Известен входной канал дренажного насоса (патент №JP 9209996(A); МПК F04D 13/16, F04D 29/54, F04D 29/66, F15D 1/02, F04D 13/00, F04D 29/40, F04D 29/66; опубл. 08.12.1997), в котором секция, по которой осуществляется перекачка жидкости из бака в дренажный насос, имеет закрытую часть секции образованную нижней поверхностью, двумя боковыми поверхностями и потолком. Расширяющаяся часть за поворотом вниз по потоку имеет дугообразную поверхность, растянутую в нижнем направлении от потолка, сформированную по всей ширине канала. В результате при обтекании жидкостью уступа за ним, вниз по течению, не происходит отрыва потока и тем самым предотвращается образование кавитационных зон, в которых формируются паровые пузырьки. Вследствие предотвращения кавитации работа насоса характеризуется пониженной вибрацией, шумом, меньшими по сравнению с аналогами габаритами. Недостатком данного изобретения является его малая эффективность при работе насоса с изменяющейся производительностью, т.к. форма дугообразной поверхности не меняется. Форма зоны отрыва потока зависит от скорости потока, в результате при увеличении производительности насоса, несмотря на наличие дугообразной поверхности, все равно будет иметь место отрыв потока с образованием зон пониженного давления, в которых будет происходить образование кавитационных пузырей.
Известен осевой насос для перекачки жидкости, содержащей нефть (патент №US 5385447; МПК F04D 1/04, F04D 7/04, F04D 29/54, F04D 29/66, F04D 1/00, F04D 7/00, F04D 29/40, F04D 29/66; опубл. 31.01.1995). Насос включает входной участок, выполненный в форме колокола или трубы Вентури, вращающееся рабочее колесо, установленное во входном участке, закрепленный статор, расположенный за рабочим колесом, и мотор, для вращения рабочего колеса и прокачивания нефти по насосу от входа во входном участке до выхода. Поверхность входного участка спрофилирована специальным образом от входного отверстия до горла или рабочего колеса для снижения и компенсации кавитации и роста вязкого пограничного слоя в этой области. Вторая часть входного участка от горла до выхода рабочего колеса так же специальным образом спрофилирована, чтобы компенсировать рост вязкого пограничного слоя, но изменена с учетом сил, создаваемых рабочим колесом, и загрязнений в этой области, которые влияют на этот пограничный слой. Поверхность лопаток рабочего колеса и корпуса статора имеют специальные области, в которых предотвращается образование пробок из загрязнений. Данное изобретение является недостаточно эффективным, т.к. форма спрофилированной части постоянна в независимости от производительности насоса. В результате, если производительность насоса отличается от расчетной, то в области расширения потока на стенках образуются кавитационные зоны, в которых происходит образование кавитационных пузырьков.
Наиболее близким по технической сути является антикавитационное приспособление для гидромашин и гидросооружений (авт.св. №SU 95218, кл. 88a 11, бюл. №3 за 1953 г.), которое состоит из перепускных каналов внутри корпуса машины или тела сооружения для подачи воды из области повышенного давления в область пониженного давления. В нем для защиты рабочей поверхности оборудования или сооружения от кавитационного воздействия потока при истечении его из щели отверстия входные отверстия перепускных каналов размещены перед щелью, а выходные - в зоне кавитации вокруг щели и имеют на выходе разветвления. Недостатком данного приспособления является то, что он может эффективно работать только при строго определенной производительности гидравлического оборудования. В случае уменьшения производительности гидравлического оборудования через каналы в зону пониженного давления будет поступать одно и то же количество жидкости и будут сохраняться постоянные потери энергии на прокачку жидкости по перепускным каналам при различных режимах работы оборудования. При повышенной производительности оборудования в перепускных каналах может наступить критический режим течения жидкости (запирание канала), и в зону пониженного давления будет поступать недостаточно жидкости, чтобы предотвратить процесс кавитации.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей антикавитационного устройства в криволинейном гидравлическом тракте, эффективно работающего в независимости от изменения производительности.
Технический результат достигается тем, что в антикавитационном устройстве в криволинейном гидравлическом тракте, состоящим из по меньшей мере одного перепускного канала в стенке гидравлического тракта, для подвода жидкости из области повышенного давления в область пониженного, входные отверстия расположены на участке перед поворотом потока, а выходные отверстия - после поворота потока в зоне кавитации, новым является то, что над выходными отверстиями перепускных каналов установлен дугообразный элемент, выполненный из пластичного материала.
В дугообразном элементе выполнено по меньшей мере одно отверстие, а в отверстиях установлены кольца постоянного диаметра. Дугообразный элемент выполнен из пористого материала.
На фиг.1 представлена схема антикавитационного устройства в криволинейном гидравлическом тракте.
На фиг.2 представлена схема антикавитационного устройства в криволинейном гидравлическом тракте, в дугообразном элементе которого выполнено по меньшей мере одно отверстие.
На фиг.3 представлена схема антикавитационного устройства в криволинейном гидравлическом тракте с кольцами постоянного диаметра в отверстиях дугообразного элемента.
В стенке криволинейного гидравлического тракта 1 сделан по меньшей мере один перепускной канал 2, соединяющий область повышенного давления I с полостью 3, расположенной между стенкой 1 и дугообразным элементом 4. Входные отверстия перепускных каналов 2 расположены на участке перед поворотом потока, в области повышенного давления I, a выходные отверстия - после поворота потока в зоне пониженного давления II. Дугообразный элемент 4 выполнен из пластичного материала. В дугообразном элементе 4 сделано по меньшей мере одно отверстие 5 так, что при растяжении дугообразного элемента 4 диаметр отверстий 5 увеличивается (фиг.2). Для обеспечения постоянного диаметра отверстий 5 при растяжении дугообразного элемента 4 в отверстия 5 установлены кольца 6, сохраняющие свой диаметр постоянным (фиг.3). Дугообразный элемент 4 может быть выполнен из пористого пластичного материала.
Антикавитационное устройство в криволинейном гидравлическом тракте работает следующим образом. При течении жидкости из области повышенного давления I в область пониженного II часть жидкости через перепускной канал 2 попадает в полость 3, расположенную между стенкой 1 и дугообразным элементом 4, причем давление в полости 3 превышает давление в области пониженного давления II. Под действием разности давления меняется степень кривизны дугообразного элемента 4 и он заполняет собой зону отрыва потока, обеспечивая тем самым безотрывное обтекание жидкостью стенок тракта криволинейного гидравлического тракта, предотвращая появление зон кавитации в области пониженного давления II. Из полости 3, через отверстия 5, жидкость поступает в пристеночную область дугообразного элемента 4, со стороны области пониженного давления II, при этом давление в пристеночной области увеличивается. Благодаря установленным в дугообразном элементе 4 кольцам 6, диаметр отверстий 5 остается неизменным. При увеличении расхода жидкости через криволинейный гидравлический тракт объем зоны отрыва потока в области за поворотом потока увеличивается и уменьшается давление жидкости в области пониженного давления II. При этом в полость 3 поступает большее количество жидкости по каналу 2 из области повышенного давления I и давление в полости 3 увеличивается. В результате увеличивается разность давления между давлением в полости 3 и давлением в области пониженного давления II. Изменяется степень кривизны дугообразного элемента 4, и он принимает более оптимальную форму для обеспечения безотрывного обтекания жидкости. При растяжении дугообразного элемента 4 диаметр отверстий 5 увеличивается и через канал 2, полость 3 и отверстия 5 подается большее количество жидкости в пристеночную область дугообразного элемента 4 со стороны области пониженного давления II, что приводит к увеличению давления в области II. В случае уменьшения давления в области I уменьшается разность давления между полостью I и областью II. При этом уменьшится степень кривизны дугообразного элемента 4, гидравлическое сопротивление тракта уменьшится. Благодаря кольцам 6, установленным в отверстиях 5 дугообразного элемента 4, обеспечивается постоянный подвод жидкости из полости 3 в область пониженного давления II. Изготовление дугообразного элемента 4 из пористого материала обеспечит равномерный подвод жидкости из полости 3 в область пониженного давления II, предотвращая появление зон кавитации по всей поверхности дугообразного элемента 4 со стороны области пониженного давления II.
Представленное антикавитационное устройство в криволинейном гидравлическом тракте позволяет увеличить диапазон рабочих расходов жидкости, при которых устройство эффективно предотвращает возникновения кавитации в потоке и дает возможность увеличения площади проходного сечения канала при уменьшении расхода жидкости через гидравлический тракт, что приводит к снижению его гидравлического сопротивления.