СПОСОБ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОБЪЕКТОВ ПОД ВОДОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF HYDRODYNAMIC UNDERWATER CLEANING OF SURFACES AND RELATED DEVICE

Изобретение относится к технике гидродинамической очистки поверхностей от наслоений и отложений и может быть использовано для очистки поверхностей под водой, например поверхностей корпусов судов от обрастаний, разрушенного слоя бетона на поверхностях трубопроводов, проложенных по морскому дну и др.
Известен способ гидродинамической подводной очистки корпусов судов [1], при котором на очищаемую поверхность воздействуют струей воды под давлением, вытекающей из сопла рабочего органа, создавая вокруг струи затопленную полость с регулируемым расходом воды, примыкающую к обрабатываемой поверхности.
Однако данный способ характеризуется недостаточным качеством очистки и большим расходом потребляемой энергии.
Наиболее близким к предлагаемому способу является известный способ гидродинамической подводной очистки корпусов судов [2], при котором на очищаемую поверхность воздействуют струей воды под давлением, вытекающей из сопла рабочего органа, создавая вокруг струи затопленную полость с регулируемым расходом воды, примыкающую к обрабатываемой поверхности, очистку ведут при режимных параметрах, обеспечивающих условие возникновения кавитации в затопленной полости около очищаемой поверхности
где:
r
P - гидростатическое давление в затопленной полости;
о
Р - полное давление на срезе сопла рабочего органа;
х - расстояние от сопла до обрабатываемой поверхности;
d - внутренний диаметр сопла.
В затопленной полости при заданных значениях полного давления на срезе сопла рабочего органа и отношения величины расстояния от сопла до обрабатываемой поверхности к величине внутреннего диаметра сопла поддерживается оптимальное значение гидростатического давления в затопленной полости, соответствующее максимальной интенсивности кавитационного разрушения и определяемое по эмпирической формуле
Однако такой способ неполностью реализует возможности гидродинамической очистки с использованием эффекта кавитации, т.е. также обладает недостаточной эффективностью очистки.
Известно также устройство для гидродинамической очистки поверхностей корпусов судов [3], содержащее корпус с установленным в нем соплом, обращенным в сторону очищаемой поверхности и гидравлически сообщенным с источником давления, и кожух, охватывающий корпус с образованием кольцевой камеры, сообщающейся, по крайней мере, с одним каналом низкого давления. Устройство снабжено патрубком, связанным с корпусом с возможностью фиксируемого перемещения относительно него, причем патрубок выполнен с центральным каналом высокого давления, в котором размещено сопло, которое выполнено сменным и, по крайней мере, с одним периферийным каналом с выходом на боковой поверхности этого патрубка, причем напротив этого выхода в корпусе выполнена кольцевая проточка, сообщенная с каналом низкого давления, при этом оба канала гидравлически связаны с источником давления, а ширина кольцевой проточки равна рабочему ходу патрубка относительно корпуса.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является гидрокавитационный генератор Родионова В.П. [4], содержащий кавитационный насадок, имеющий внутреннюю поверхность в форме конфузора, сообщенного с диффузором. Напротив диффузора расположен отражательный элемент. Конфузор сообщен с диффузором посредством двухступенчатого цилиндрического участка. Диаметр первой ступени равен меньшему диаметру конфузора и меньше или равен 0,5 диаметра второй ступени. 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 4,4.
Известные технические решения [3, 4] имеют ограничения по эффективности очистки, что обусловливается тем, что их конструкция не обеспечивает пульсаций гидродинамического давления в струйном кавитационном потоке для усиления эрозионной способности кавитации, т.е. повышения эффективности очистки.
В предлагаемом способе гидродинамической очистки поверхностей объектов под водой, основанном на воздействии на очищаемую поверхность струей жидкости, истекающей под давлением из возбудителя кавитации, регулировании расхода жидкости в струе и создании вокруг нее активного объема жидкости в виде каверны, направленной на очищаемую поверхность, технический результат, заключающийся в повышении эффективности и производительности очистки, достигается тем, что формируют струю жидкости на выходе возбудителя кавитации со статическим давлением ниже давления насыщенных паров жидкости до достижения кавитации с увеличением количества выделенных из жидкости газопаровых пузырьков и расширением объема каверны, при этом увеличение количества газопаровых пузырьков и образование расширенного объема каверны обеспечивают путем регулирования давления в струе и плавного изменения расстояния от выхода возбудителя кавитации до очищаемой поверхности, причем фиксируют упомянутое расстояние в качестве рабочего положения возбудителя кавитации в момент достижения максимальной пульсации гидродинамического давления в каверне струи, при этом максимальную пульсацию гидродинамического давления определяют по периодическому прерыванию каверны в направлении струи жидкости.
При этом дополнительное повышение эффективности очистки достигается тем, что изменяют частоту и амплитуду пульсации гидродинамического давления в каверне гидродинамической струи путем регулирования параметров потока струи до возникновения резонанса в структуре материала отложений на очищаемой поверхности.
В предлагаемом устройстве для осуществления способа, содержащем корпус, входной конфузор, расширительную камеру и выходной диффузор, указанный технический результат достигается тем, что устройство содержит сменную первую втулку, установленную в корпусе, патрубок с внутренней перегородкой, вторую и третью втулки, при этом входной конфузор выполнен в первой втулке, расширительная камера выполнена в патрубке, соединенном с корпусом посредством резьбового соединения, а выходной диффузор выполнен в третьей втулке, причем вторая втулка установлена в упомянутой перегородке патрубка между первой втулкой и расширительной камерой, а патрубок соединен с третьей втулкой посредством резьбового соединения с обеспечением возможности регулировки объема расширительной камеры.
Технический результат в устройстве достигается также тем, что входной конфузор в первой втулке и выходной диффузор в третьей втулке выполнены с углом раскрытия, равным 10-60°.
При этом формирование увеличенного количества выделенных из жидкости газопаровых пузырьков, обладающих максимальной потенциальной и кинетической энергиями, обеспечивается двумя вариантами конструкции.
По первому варианту в боковой стенке патрубка в месте расположения расширительной камеры выполнены боковые отверстия. По второму варианту в третьей втулке выполнены отверстия под углом к оси втулки с обеспечением дополнительного сообщения расширительной камеры с полостью диффузора.
Сущность изобретения поясняется чертежами и фотографиями, где:
- на фиг.1 представлена конструкция возбудителя кавитации, используемого при реализации предлагаемого способа;
- на фиг.2 приведены фотографии вида каверн, формируемых при истечении струи жидкости: а) из сопла известного возбудителя кавитации; б) из сопла предлагаемого возбудителя кавитации;
- на фиг.3 показаны функциональные зависимости, поясняющие изменение динамического давления по оси струи;
- на фиг.4 приведены фотографии, иллюстрирующие образцы очищенной поверхности из алюминия после воздействия на них струй кавитирующей жидкости, истекающих: а) из известного возбудителя кавитации; б) из предлагаемого возбудителя кавитации;
- на фиг.5 приведены фотографии, иллюстрирующие образование каверн при различных условиях их формирования;
- на фиг.6 приведены графики пульсации гидродинамического давления в струе жидкости и резонансных колебаний слоистой структуры материала, покрывающего очищаемую поверхность;
- на фиг.7 приведена фотография алюминиевого образца после воздействия на него кавитирующей струей по предлагаемому способу с помощью предлагаемого возбудителя кавитации.
Предлагаемый способ гидродинамической очистки поверхностей объектов под водой осуществляется следующим образом.
Согласно способу на очищаемую поверхность воздействуют струей жидкости, истекающей под давлением из возбудителя кавитации (фиг.1).
Расход жидкости в струе регулируют и создают вокруг нее активный объем жидкости в виде каверны (фиг.2 и фиг.5), направленной на очищаемую поверхность.
Струю жидкости на выходе возбудителя кавитации формируют со статическим давлением ниже давления насыщенных паров жидкости до достижения кавитации с увеличением количества выделенных из жидкости газопаровых пузырьков и расширением объема каверны (фиг.2б и фиг.5b, с).
Увеличение количества газопаровых пузырьков и образование расширенного объема каверны обеспечивают путем регулирования давления в струе и плавного изменения расстояния от выхода возбудителя кавитации до очищаемой поверхности. Изменение расстояния осуществляется оператором (водолазом), который непрерывно осуществляет контроль процесса очистки. В момент достижения максимальной пульсации гидродинамического давления в каверне струи фиксируют расстояние и принимают его в качестве рабочего положения возбудителя кавитации.
Максимальную пульсацию гидродинамического давления определяют по периодическому прерыванию каверны в направлении струи жидкости. Контроль за достижением максимальной пульсации может осуществляться визуально как оператором, так и с помощью специальных датчиков, сигнал от которых поступает на электронную схему обработки (на чертежах не показаны).
На фиг.2 представлены фотографии струйного истечения воды при одинаковых гидродинамических и гидростатических параметрах потока из сопел различной конструкции, выполненных для наглядности из плексиглаза. Анализ представленных фотографий показывает, что при истечении из сопла известного возбудителя кавитации, состоящего из конусной сходящей части и прямого участка, в конце прямого участка зарождается начало каверны, состоящей из массы скопления газопаровых пузырьков.
При истечении струйного потока из предлагаемого возбудителя кавитации, являющегося, по существу, усилителем пульсации гидродинамического давления в суперкавитационной каверне, газопаровые пузырьки зарождаются на прямом участке, затем в расширительной камере их становится еще больше. В результате суперкавитационная каверна на выходе из возбудителя кавитации имеет размеры (объем и протяженность), намного превышающие размеры каверны в потоке, истекающем из сопла известного устройства.
Кроме того, в предлагаемом способе достижение максимальной эффективности и производительности очистки обеспечивают тем, что изменяют частоту и амплитуду пульсации гидродинамического давления в каверне гидродинамической струи путем регулирования параметров потока струи до возникновения резонанса в структуре материала отложений на очищаемой поверхности (см. фиг.6).
Как показали исследования, слой отложений на очищаемой поверхности обладает резонансными свойствами. Собственная частота колебаний в такой резонансной структуре зависит от материала отложений, толщины слоя, прочности сцепления с очищаемой поверхностью и других факторов.
к
о
к
о
На фиг.3 представлены сравнительные графики изменений полного гидродинамического давления λ, по центру струйного потока от изменений числа кавитации χ=Р/Р, (Р - давление в затопленном потоке, Р- давление в возбудителе кавитации) при двух постоянных параметрах относительных расстояний от среза сопла до поверхности  для известного возбудителя кавитации и для предлагаемого - усилителя кавитации линия с метками «о» - для известного возбудителя кавитации; «х» - для усилителя пульсации кавитации.
Как показывает анализ графиков, полное гидродинамическое давление при низких значениях числа кавитации у сопла известного возбудителя выше, чем у предлагаемого усилителя кавитации, а в дальнейшем идет значительное повышение полного гидродинамического давления для усилителя кавитации. Это объясняется тем, что за счет большей массы парогазовых пузырьков, содержащихся в суперкавитационной каверне усилителя кавитации, происходит увеличение статического давления внутри каверны и увеличение тем самым в потоке жидкости полного гидродинамического давления.
Представленные на фиг.4 фотографии образцов из алюминия, на которые воздействовали струйным кавитационным потоком, истекающим из известного и из предлагаемого возбудителя кавитации. На поверхности образцов образовались эрозионные кратеры определенной величины с разрушениями в виде тороидальных углублений. В центре эрозионного кратера разрушения незначительны. Это объясняется тем, что наибольшее число газопаровых пузырьков сконцентрировано по краям суперкавитационной каверны, и их количество зависит от конструкции внутреннего канала сопла возбудителя кавитации.
На фиг.5 представлены фотографии струйного кавитационного истечения из усилителя пульсации кавитирующего потока жидкости при различных параметрах динамического давления на входе в сопло и в затопленной полости и различных расстояниях до очищаемой поверхности. Как видно из фотографий, суперкавитационная каверна, полученная согласно предлагаемому способу, имеет неоднородный пульсирующий характер в направлении струи, что подтверждается разрывами между зонами скопления газопаровых пузырьков. Это является доказательством того, что суперкавитационная каверна пульсирует с определенной частотой и амплитудой колебаний.
Если выбрать параметры струйного истечения так, чтобы частота f и амплитуда пульсации А суперкавитационной каверны приводила к максимальной эрозии материала поверхности, на которую она действует, то материал отложений начинает сильно и быстро разрушаться при совпадении частоты пульсаций каверны с частотой и собственных колебаний материала отложений.
Представленная на фиг.6 качественная характеристика показывает зависимость амплитуды А колебаний слоя разрушаемого материала при совпадении частоты его собственных колебаний с частотой пульсации гидродинамического давления в струйном потоке, что приводит к интенсивному эрозионному разрушению материала отложений при очистке поверхностей под водой.
Устройство для осуществления способа (фиг.1) содержит корпус 1 со штуцером 2, входную сменную первую втулку 3, установленную в корпусе 1, патрубок 4 с внутренней перегородкой 5, вторую 6 и третью 7 втулки. Патрубок 4 соединен с корпусом 1 посредством резьбового соединения.
В первой втулке 3 выполнен входной конфузор 8 с углом раскрытия λ.
В патрубке 4 выполнена расширительная камера 9. В третьей втулке 7 выполнен выходной диффузор 10 с углом раскрытия φ. Вторая втулка 6 установлена в перегородке 5 патрубка 4 между первой втулкой 3 и расширительной камерой 9, а патрубок 4 соединен с третьей втулкой 7 посредством резьбового соединения с обеспечением возможности регулировки объема расширительной камеры 9.
Входной конфузор 8 в первой втулке 3 и выходной диффузор 7 в третьей втулке 7 выполнены с углом раскрытия, равным 10-60°.
Возбудитель кавитации выполнен в двух вариантах.
По первому варианту (фиг.1а) в боковой стенке патрубка 4 в месте расположения расширительной камеры 9 выполнены боковые отверстия 11.
По второму варианту (фиг.1b) в третьей втулке 7 выполнены отверстия 12 под углом к оси втулки 7 с обеспечением дополнительного сообщения расширительной камеры 9 с полостью диффузора 10.
В основу конструкции возбудителя кавитации, реализующего предлагаемый способ, положена задача создания такого устройства, которое позволило бы увеличить суперкавитационную каверну.
Поставленная задача решается за счет того, что внутренняя поверхность сопла сконструирована так, что протекающий струйный поток меняет величину статического давления до значения, равного давлению насыщенных паров. В этом случае происходит выделение в поток жидкости растворенного в ней воздуха с интенсивным образованием газопаровых пузырьков, которые, перемещаясь с потоком, попадают в зону расширения потока. Истекая с потоком из усилителя кавитации, газопаровые пузырьки образуют в затопленном пространстве суперкавитационную зону скопления газопаровых пузырьков в виде факела, имеющего вытянутый характер в направлении струи. Если поперек потока поставить преграду в виде жесткой поверхности, то между преградой и суперкавитационной каверной происходит взаимодействие, приводящее к генерации колебаний гидродинамического давления с определенной частотой и амплитудой.
Устройство для осуществления способа - возбудитель кавитации работает следующим образом.
0
Жидкость от высоконапорного насоса (на чертеже не показан) подается на вход устройства через штуцер 2, входную сменную первую втулку 3, установленную в корпусе 1, проходит конфузор 8 с углом раскрытия λ, равным 10-60°, где происходит сжатие потока жидкости, который, пройдя его наименьший диаметр сечения d, ускоряется. При этом гидростатическое давление в потоке уменьшается и на срезе конфузора 8 в истекающем потоке зарождается кавитация. При выполнении условия, что перепад давления в потоке узкого сечения конфузора 8 будет не меньше 0,6-0,9 МПа, а скорость не менее 140 м/с, происходит образование ядер кавитации, а именно пузырьков, заполненных газом или паром, которые перемещаются далее вместе с потоком, который проходит через втулку 6. Поскольку в расширительной камере 9 статическое давление меньше атмосферного, происходит резкое расширение потока жидкости, интенсивное выделение воздуха, содержащегося в воде, и возбуждение кавитации в струйном потоке. Наличие отверстий 11 в патрубке 4 (первый вариант) и отверстий 11 в третьей втулке 7 способствует улучшению условий кавитации в камере 9.
Далее поток жидкости проходит втулку 7 и, расширяясь в диффузоре 10, выполненном с углом раскрытия φ, равным 10-60°, истекает из возбудителя во внешнюю окружающую его среду. Поскольку на выходе диффузора 10 статическое давление больше атмосферного давления, в струйном потоке идет резкое сжатие газопаровых и воздушных пузырьков и частичное их схлопывание. Схлопывание газопаровых пузырьков приводит к коммулятивному колебательному процессу, направленному как в сторону движения потока, так и хаотическому мгновенному колебательному процессу динамического давления, направленного перпендикулярно движению потока.
Суммарное наложение колебаний приводит к пульсации динамического давления в струйном потоке. Возбудителем колебаний динамического давления в струйном потоке являются газопаровые пузырьки при создании условий интенсивного развития кавитации за счет изменения гидродинамических параметров струйного потока с помощью конструкционных параметров элементов возбудителя кавитации.
Основная масса газопаровых пузырьков переносится вытекающим из возбудителя кавитации потоком и образует зону их скопления в виде простирающегося факела, начинающегося от нижнего среза диффузора (фиг.5) и далее в затопленную среду.
Если схлопывание газопаровых пузырьков происходит около твердой поверхности с отложениями, то происходит интенсивное эрозионное разрушение материала отложений, т.е. очистка поверхности (фиг.4 и фиг.5).
Наличие резьбового соединения между третьей втулкой 7 и патрубком 4 позволяет регулировать объем расширительной камеры 9 и выбрать наилучший режим при формировании каверны. Поскольку втулка 3 является сменной, это позволяет при различных эксплуатационных условиях при предварительной настройке выбрать втулку с оптимальным углом раскрытия φ с учетом характеристик жидких сред.
Конструкция предлагаемого возбудителя кавитации, формирующего пульсацию динамического давления в струйном суперкавитационном затопленном потоке, позволяет получить отрывную кавитационную зону скопления газопаровых пузырьков, которая незначительно воздействует на внутреннюю поверхность устройства, т.е. не подвергает его материал, из которого изготовлен возбудитель, его эрозионное разрушение.
Предложенный способ и устройство для его осуществления прошли производственные испытания. Способ показал повышенную эффективность очистки под водой поверхностей судов по сравнению с известными способами.
Устройство изготавливается из коррозийно-стойкого материала - из нержавеющей стали.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №898954, кл. В63В 59/08, 1979.
2. Авторское свидетельство СССР №1102712, кл. В63В 59/08, 1982.
3. Патент РФ №2072937, кл. В63В 59/08, 1993.
4. Авторское свидетельство СССР №1614241, кл. B01F, 1987.