Методы защиты деталей от кавитационного разрушения в вихревых гидравлических теплогенераторах

Секция «Проектирование машин и робототехника»

позволяет осуществлять их прием НАП совместно с сигналами спутников СРНС без изменения алгоритмов функционирования и приема сигналов, реализованных в навигационной аппаратуре потребителей. Совместная обработка сигналов спутников СРНС И НСФНС в навигационной аппаратуре потребителя приведет к отсутствию сбоев в определениях и повышению точности определения координат технических средств.

Антенна ГЛОНАСС устанавливается на строительно-дорожной машине на исполнительном механизме. Контроллер использует полученную информацию для управления агрегатами машины, гидроприводом и выдает информацию на дисплей оператора. Автоматизация строительно-дорожного процесса дает возможность оператору получать план задание на работу в виде электронной карты мест-

ности с заданным профилем на каждом участке, причем профиль может быть задан не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости. Так для автогрейдера, например, горизонтальный профиль, заданный на электронной карте может быть использован как программа управления гидроприводом рабочего механизма.

Дополнительным преимуществом системы является ее открытость для контроля заказчиком проведенных работ, автоматизирует систему контроля за работой операторов, позволит создавать в электронном виде техническую документацию по строительству и эксплуатации дорог.

© Шевцов С. М., Пискунов Н. В., Ереско С. П., 2010

УДК 621.483

Е. Д. Шориков Научный руководитель - А. А. Фадеев Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ДЕТАЛЕЙ ОТ КАВИТАЦИОННОГО РАЗРУШЕНИЯ В ВИХРЕВЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРАХ

Дается анализ причин возникновения разрушений в деталях вихревых гидравлических теплогенераторов (ВТГ) и анализ методов их защиты от кавитационного разрушения.

Тепловые гидродинамические насосы («вихревые гидравлические теплогенераторы») являются высокоэффективными, автономными, энергосберегающими системами отопления, теплоснабжения и горячего водоснабжения. В первую очередь они предназначены для автономного отопления помещений, нагрева воды для бытовых и технологических целей. В этом плане ВТГ более эффективны, чем электронагреватели и более экономичны, чем паровые установки. Они надёжны и безопасны [1].

Анализ условий и режимов работы вихревого гидравлического теплогенератора показал, что при вихревом движении жидкости имеется несколько источников выделения тепловой энергии. Главный -это кавитационные пузырьки, возникающие вследствие нарушения сплошности жидкости и заполненные паром, газом или их смесью [2].

Процесс кавитации происходит в результате местного уменьшения давления в жидкости ниже критического значения, которое приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре. При этом жидкость в пузырьках переходит в критическое состояние, когда отсутствует какое-либо различие между жидкой и газообразной фазами. В местах, где скорость потока жидкости резко уменьшается, а давление соответственно увеличивается, происходит переход жидкости из критического состояния в обычное. Этот переход сопровождается схлопыванием кави-

тационных пузырьков и выделением большого количества теплоты [1].

Нагрев жидкости при вихревом движении обеспечивается также в результате разрыва и восстановления межмолекулярных водородных связей воды. Их разрыв происходит при создании условий для кавитации в вихревой камере, а восстановление с выделением теплоты - при остывании жидкости.

Сложность в практическом применении кавита-ционного процесса состоит в том, что, с одной стороны, скорость течения жидкости в насадке должна быть достаточно большой, чтобы вызвать эффект кавитации, а с другой - чрезмерное количество ка-витационных пузырьков приводит к быстрому разрушению самой насадки. Говоря об этом, уместно привести пример инженеров, работающих на Волжской ГЭС, по их наблюдениям за 3 года использования турбины, кавитация «съела» 243 кг специальной антикавитационной стали.

Анализируя работу ВТГ, мы попробовали выделить ряд методов, которые могут помочь увеличить степень надежности и долговечности их использования, а также подчеркнули основные процессы, влекущие за собой причины разрушения ВТГ.

Изучение материалов, используемых при производстве ВТГ показало, что как правило, стойкость металлов против кавитационного разрушения повышается с увеличением механической их прочности или химической (окислительной) стойкости,

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

причем лучшие результаты дают материалы, в которых совмещаются оба эти качества. В этом плане рекомендуется использовать бронзу или нержавеющую сталь, не рекомендуется же чугун и углеродистая сталь. Также антикавитационную стойкость металла можно увеличить путем увеличения его твердости. Такая практика показала, что увеличение твердости нержавеющей стали со 150 до 400-420 НВ может повысить ее антикавитационную стойкость в десять с лишним раз.

Разрушительное действие кавитации на поверхности стальных деталей можно также уменьшить путем их нагартовки. Наиболее стойким из известных материалов является титан.

Помимо этого, наблюдения показали, что очень важную роль играет качество поверхностных слоев рабочего тела. С появлением первых изъязвлений (шероховатостей) интенсивность дальнейшего кави-тационного разрушения повышается. В равной мере процесс кавитационного разрушения ускоряется при наличии на поверхностях деталей шероховатостей, микротрещин и прочих местных дефектов. При захлопывании в этом случае кавитационных каверн, сопровождающется гидравлическими микроударами высокой частоты, в порах (микротрещинах) развиваются высокие ударные давления, превышающие давление гидроудара при захлопывании каверны. Таким образом, при выборе покрытий для деталей, работающих в условиях кавитационного разрушения, наиболее удачным вариантом будет являться хромирование. Толщину слоя хрома следует назначить исходя из условий работы детали: чем жестче кавита-ционные условия и чем дольше надо защищать деталь от разрушения, тем больший слой хрома требуется. Слои тоньше 50 мкм наносить не рекомендуется. Для некоторых же деталей, например, гидропрессов слой должен быть толщиной 150-250 мкм.

Помимо этого, процессами, создающими кавита-ционное разрушения, возможно управлять. Каким

образом? Гидравлические удары, возникающие при схлопывании кавитационных пузырьков, создают давление в сотни тысяч атмосфер. Такое давление не может не привести к разрушению водородных связей, а значит, и к бурному росту ионизации. Ионизированная вода - это уже не диэлектрик. Это кислота чудовищной силы, в сравнении с которой все известные в химии кислоты будут казаться безобидными жидкостями. Вода превращается в реактив, способный вызвать бурную ионообменную реакцию с металлом, из которого изготовлена деталь. Таким образом, это приводит к кавитационному разрушению этой детали. Если же оградить изделие от ионообменной реакции с водой, например, смонтировав к ВТГ дополнительные медные пояса и пустив через воду ток низкого напряжения, создав, таким образом, своеобразный гальванический элемент, процесс ионизации будет идти между водой и медными поясами, минуя рабочую деталь ВТГ, что может обеспечить увеличение ее долговечности в 40 раз.

Аналогично, вместо медных поясов, можно использовать пояса из разнородных металлов, образуя гальваническую пару. При применении такого способа ожидается уменьшение энергозатрат, так как подвод электрической энергии не предусматривается и в то же время понижается воздействие кавита-ционного разрушения.

Библиографические ссылки

1. Фоминский Л. П. Роторные генераторы дарового тепла. Сделай сам. Черкассы : Око-Плюс, 2003.

2. Пилипенко В. В., Задонцев В. А., Натанзон М. С. Кавитационные автоколебания и динамика гидросистем. М. : Машиностроение, 1977.

© Шориков Е. Д., Фадеев А. А., 2010