УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОКАВИТАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПОД ВОДОЙ
DEVICE FOR HYDROCAVITATION TREATMENT OF UNDERWATER SURFACES

Изобретение относится к судоремонтной и нефтегазодобывающей промышленностям, а именно к устройствам для очистки поверхностей под водой с гидродинамическим приводом и суперкавитационным воздействием на обрастания и наслоения.
Известно устройство для подводной очистки судов и погруженных конструкций (патент РФ №2076824, МПК В63В 59/00 от 26.05.1993), содержащее несущую раму, снабженную зачистным механизмом, сообщенным посредством высоконапорного шланга с надводным постом управления и водной насосной станцией, а также выполненную с блоками плавучести, колесами для передвижения по обрабатываемой поверхности и прижимным движителем, при этом зачистной механизм выполнен многосекционным, каждая секция с подвеской, независимой от других секций, с возможностью самоустановки относительно обрабатываемой поверхности и снабжена генераторами кавитирующей струи и механизмом прижима секции к обрабатываемой поверхности, при этом устройство снабжено установленными на несущей раме маршевыми движителями, масляной насосной станцией и блоком управления, соединенными электрическим кабелем с надводным постом управления, а также выполнено с дополнительным прижимным движителем, причем маршевые и прижимные движители выполнены винтовыми с гидравлическими двигателями и сообщены посредством блока управления с масляной насосной станцией, при этом маршевые движители размещены симметрично относительно продольной оси несущей рамы, а прижимные движители размещены на несущей раме и разнесены по разные стороны от центра массы устройства.
Каждая секция зачистного механизма выполнена с жестким колесным шасси с установленным на нем коллектором с поворотными боковыми частями и неподвижной центральной частью, соединенной с высоконапорным шлангом, причем центральная часть выполнена с механизмом прижима секции к обрабатываемой поверхности, содержащим закрепленное на центральной части коллектора секции зачистного механизма посредством карданного шарнира одно плечо главного рычага с возможностью поворота этой секции относительно ее продольной оси и шарнирное соединение для поворота этой секции относительно ее поперечной оси, а также шарнирно закрепленный на главном рычаге шток пружинно-гидравлического привода, цилиндр которого и другое плечо главного рычага снабжены шарнирами для соединения с несущей рамой устройства, при этом генераторы кавитирующей струи установлены на поворотных боковых частях коллектора и выполнены с регулируемым телескопическим соединением с возможностью регулирования угла наклона продольных осей этих генераторов относительно обрабатываемой поверхности, при этом поворотные боковые части коллекторов связаны между собой тягой синхронизации, а одна из поворотных боковых частей коллектора одной из секций зачистного механизма выполнена со связанным с нею приводом сканирования генератором кавитирующей струи, соединенным с блоком управления.
Каждая секция зачистного механизма выполнена с коллектором, имеющим вращающуюся часть, на которой размещены генераторы кавитирующей струи, и неподвижную часть, сообщенную с высоконапорным шлангом, а также снабжена механизмом прижима секции к обрабатываемой поверхности, содержащим первое плечо главного рычага, соединенное одним шарниром с неподвижной частью коллектора, причем главный шарнир выполнен с другим шарниром для поворота секции зачистного механизма во взаимно перпендикулярных плоскостях, перпендикулярных плоскости обрабатываемой поверхности, а первое плечо главного рычага снабжено шарнирно закрепленным на нем штоком пружинно-гидравлического привода, цилиндр которого и второе плечо главного рычага выполнены с шарнирами для их соединения с несущей рамой устройства, при этом каждая секция зачистного механизма выполнена с щеткой чистовой обработки, установленной на вращающейся части коллектора, а генераторы кавитирующей струи выполнены с приводом их вращения, соединенным с вращающейся частью коллектора и имеющим блок управления, связанный с этим приводом.
Известно также устройство для подводной гидродинамической очистки поверхности (патент РФ №2155698, МПК В63В 59/08 от 19.10.1999), содержащее корпус с опорными колесами, коллектор, на вращаемой части которого закреплены гидродинамические сопла, маршевый и прижимной движители, при этом устройство снабжено гидродинамическим рулем с тягой и регулируемыми захлопками, а вращаемая часть коллектора кинематически связана с маршевым движителем, выполненным в виде гребного винта в насадке, перед входной кромкой которой установлены регулируемые захлопки, при этом за выходной кромкой насадки установлен гидродинамический руль, связанный тягой с задними колесами, выполненными поворотными, ось поворота которых смещена относительно вертикальной оси колес, причем гидродинамические сопла выполнены с возможностью фиксируемого поворота на 360° относительно оси, перпендикулярной направлению выброса струи рабочего агента, передние колеса расположены внутри кольцевой зоны воздействия гидродинамических сопел, а задние колеса - вне этой зоны.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является известное устройство для гидродинамической очистки поверхностей (патент РФ №2168440, МПК В63В 59/00 от 09.08.1999), содержащее корпус в виде диска, коллектор, размещенный в корпусе по его центру и состоящий из неподвижного полого статора, размещенного по оси корпуса, и вращающегося на статоре ротора, размещенного под нижней поверхностью корпуса, ось вращения которого совпадает с осью корпуса, выполненного в виде радиальных трубопроводов, соединенных с каналами магистрали подачи рабочего тела, на концах которых под углом в горизонтальной и вертикальной плоскостях относительно оси коллектора установлены генераторы высоконапорных струй, опоры, взаимодействующие с обрабатываемой поверхностью, переходник и трубопровод подвода рабочего тела от источника высокого давления к коллектору, корпус выполнен в виде полого профилированного диска с, по крайней мере, одной нижней профилированной поверхностью, частично заполненного подвижным балластом, в центральной части корпуса по окружности выполнены окна, перекрываемые идентичными по расположению, форме выполнения и площади окнами, выполненными в кольце, установленном с возможностью вращения на верхней части корпуса устройства в центральной его части, устройство снабжено платформой с размещенными на ней опорами, установленной на статоре коллектора и размещенной под его ротором, профилированными лопатками, установленными на роторе с возможностью обеспечения формирования потока рабочей среды из-под нижней профилированной поверхности корпуса от его центра к периферии и создания пониженного давления под нижней поверхностью корпуса, и устройством изменения направления движения, причем форсунки генераторов высоконапорных струй установлены под углом к обрабатываемой поверхности так, что границы пятна контакта высоконапорной струи рабочего тела с обрабатываемой поверхностью, имеющего форму эллипса, малая ось которого равна максимальному диаметру сечения тела струи, определяются крайними точками большой оси эллипса, удаленными от среза сопла форсунки генератора высоконапорной струи на расстояние, определяемое из следующих математических соотношений:
1max
0
0
L=0,8 Pd;
2min
0
0
L=0,5 Рd,
1max
2min
где L и L - максимальное и минимальное расстояния соответственно, мм;
0
Р - давление на входе в форсунку;
0
d - минимальный диаметр проходного сечения форсунки.
Однако известные устройства имеют следующие недостатки, а именно:
- сложность и ненадежность конструкции, обусловленная большим количеством деталей и узлов;
- при вращении ротора в зазоре между подвижными и неподвижными деталями циркулирует рабочий агент (вода), что приводит к тому, что содержащиеся в рабочем агенте (воде) твердые частицы, попадая в зазор между ротором и статором, выводят их из строя, задирая и изнашивая сопряженные поверхности, что снижает надежность в работе и приводит к частым поломкам из-за выхода из строя сопряженных рабочих поверхностей;
- затруднено управление режимами работы установки и ее перемещения по очищаемой поверхности.
Технический результат, заключающийся в устранении отмеченных недостатков известных устройств того же назначения, а именно в повышении надежности устройства, повышении эффективности работы, а также в повышении качества проведения очистки поверхности под водой, достигается в предлагаемом устройстве для гидрокавитационной очистки поверхностей под водой, содержащем подвижную платформу тарельчатой формы с колесами, установленными на очищаемую поверхность, штурвал для ручного управления перемещением устройства по очищаемой поверхности, роторный механизм, реактивный движитель подвижной платформы, узел прижима устройства к очищаемой поверхности, содержащий верхний и нижний соосно установленные плоские диски с взаимно перекрываемыми отверстиями, коллектор для распределения кавитационных струй по очищаемой поверхности, связанный с магистралью подачи жидкой рабочей среды и содержащий радиально расположенные трубчатые полые спицы, на концах которых закреплены кавитаторы с обеспечением возможности их поворота по отношению к очищаемой поверхности, и крепежные элементы, тем, что в нем роторный механизм выполнен в виде герметически закрытой полой центральной головки, выполненной с двумя штуцерами, один из которых связан с магистралью подачи жидкой рабочей среды, а движитель содержит сопловой насадок и трубчатые элементы, между которыми установлен регулируемый клапан, при этом первый трубчатый элемент соединен с другим штуцером полой центральной головки, а сопловой насадок реактивного движителя расположен на конце второго трубчатого элемента, при этом коллектор для распределения кавитационных струй связан с полостью центральной головки, при этом в верхнем диске узла прижима устройства выполнены отверстия, расположенные в круговых зонах диаметром d, а в нижнем диске выполнены отверстия диаметром не менее d, на верхнем диске закреплены элементы захвата для поворота указанного диска, причем на нижнем диске закреплены радиально расположенные П-образные пластинчатые экраны по углом от 10 до 70° к очищаемой поверхности.
При этом для повышения удобства в эксплуатации устройство содержит направленные осветители, закрепленные на подвижной платформе посредством поворотных крепежных стоек с обеспечением возможности работы оператору в условиях с низкой естественной освещенностью.
Технический результат обеспечивается также тем, что кавитаторы выполнены в виде гидрокавитационных генераторов-резонаторов, установленных на спицах с возможностью изменения угла наклона к оси полой центральной головки и изменения геометрической длины плеча на спицах.
Для дополнительного повышения надежности конструкции устройство содержит элементы обеспечения жесткости конструкции, выполненные в виде радиально-кольцевой стержневой решетки, закрепленной в нижней части подвижной платформы.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 представлен общий вид устройства в разрезе;
- на фиг.2 изображен вид на устройство сзади;
- на фиг.3 показан вид на устройство снизу;
- на фиг.4 приведен вид на устройство сверху.
Устройство (фиг.1) состоит из подвижной платформы 1 тарельчатой формы, к которой с двух боков крепятся два колеса 2 и 3 и одно поворотное колесо 4, закрепленное сзади тарелки 1. устройство устанавливается колесами 2, 3, 4 на очищаемую поверхность 5. Для управления перемещением устройства по поверхности 5 водолазом используется штурвал 6. В центре платформы 1 смонтирована полая центральная роторная головка 7, в состав которой входят штуцеры 8 и 9. Верхняя часть головки является, по существу, распределителем рабочего потока для обеспечения реактивного движения платформы 1 и для кавитационной очистки поверхности 5.
В нижней части головки расположен коллектор 10, предназначенный для распределения рабочей жидкости на радиально расположенные в одной плоскости трубчатые полые спицы 11 с закрепленными на их концах кавитаторами 12. Ось 13 головки 7 закреплена в подшипниках 14. В нижней части полая головка 7 загерметизирована уплотнителем (сальником) 15.
Устройство имеет реактивный движитель, выполненный в виде соплового насадка 16, закрепленного в стойке 17.
К штуцеру 9 подсоединены трубчатые элементы 18 и 19, между которыми расположен регулируемый клапан 20. Сопловой насадок 2 привернут к концу трубчатого элемента 19.
Узел прижима устройства к очищаемой поверхности содержит два плоских диска 21 и 22 (фиг.3 и фиг.4), установленных соосно с полой центральной головкой 7, при этом в верхнем диске 21 выполнены отверстия 23, расположенные в круговых зонах диаметром d (фиг.4), а в нижнем диске 22 (фиг.3) выполнены отверстия 24 диаметром не менее d с обеспечением возможности перекрытия упомянутых круговых зон при взаимном повороте дисков 21 и 22 относительно друг друга.
На верхнем диске 21 между круговыми зонами с отверстиями 23 закреплены элементы захвата 25 с обеспечением возможности поворота верхнего диска 21 относительно нижнего 22 для частичного или полного перекрытия отверстий 24 нижнего диска.
На нижнем диске 22 рядом с отверстиями 24 закреплены радиально расположенные П-образные пластинчатые экраны 26 по углом от 10 до 70° к очищаемой поверхности.
Устройство содержит направленные осветители 27, закрепленные на подвижной платформе 1 посредством поворотных крепежных стоек 28 с обеспечением возможности работы оператору в условиях с низкой естественной освещенностью.
Штурвал 6 закреплен в стойках 29.
Устройство содержит элементы обеспечения жесткости конструкции, выполненные в виде радиально-кольцевой стержневой решетки 30, закрепленной в нижней части подвижной платформы 1.
Устройство работает следующим образом.
Рабочий агент (вода соленая или пресная) от насоса высокого давления по гибкому высоконапорному шлангу (на чертежах не показаны) с давлением от 5 до 20 МПа, расходом от 75 до 200 л/мин поступает к штуцеру 8 и далее во внутреннюю полость оси 13 головки 7. Вместе с тем вода поступает по трубчатому элементу 18 к регулируемому клапану 20. Поток воды проходит внутри оси 13 и поступает в коллектор 10 и затем по внутренней полости трубчатых полых спиц 11 к кавитаторам 12, из которых истекает в виде суперкавитационных струй на очищаемую поверхность 5 с наслоениями, отложениями или обрастаниями.
Устройство управляется водолазом, который удерживает устройство за поручень 6. Для перемещения устройства по очищаемой поверхности водолаз открывает клапан 20, через который поток рабочего агента поступает к сопловому насадку 16 и в виде струйного потока истекает наружу, создавая реактивную струю, двигающую устройство в противоположную сторону от истекающего потока.
Кавитаторы 12 закреплены с возможностью регулирования угла наклона их осей в диапазоне от 0 до 90° относительно поверхности 5, по которой перемещается устройство. Струйные суперкавитационные потоки рабочей жидкости, истекающие из кавитаторов 22 на очищаемую поверхность по настраеваемым углам наклона к поверхности 5, создают вращающий момент пары сил, позволяющей оси 13 роторного механизма вращаться вместе с коллектором 10, спицами 11 и кавитаторами 22.
При истечении струйного потока возникает усилие, действующее в обратном направлении от истекающего потока. Силовое воздействие вытекающего струйного потока относительно оси 13 создает момент М [кгс см] силы:
0
d - диаметр наименьшего проходного сечения резонатора кавитации, см;;
2
Pо - давление на срезе резонатора кавитации, кгс/см;
2
Рз - давление в затопленной полости истечения струйного потока (противодавление столба жидкости над устройством), кгс/см;
у - угол наклона струйного потока к оси вращения ротора устройства, [град];
h - длина плеча (расстояние от силы приложения струйного истекающего потока до оси вращения ротора), см.
Струйные суперкавитационные вращающиеся потоки жидкости, истекающие из кавитаторов 22, направлены из центральной части устройства к периферии, что способствует созданию в центральной части устройства, а именно в нижней внутренней части тарелки зону с давлением ниже давления окружающей устройство жидкости, что способствует созданию присасывающего эффекта прижимающего устройство к очищаемой поверхности. Регулирование силы, присасывающей устройство к очищаемой поверхности,. осуществляется экраном 25, который перемешается водолазом путем вращения по верхней поверхности тарелки 1 с помощью ручек 27, совмещая отверстия 26 на экране 25 с отверстиями 33 в верхней части тарелки 1.
Путем замены сменного диска 22 с П-образными пластинчатыми экранами 26, загнутыми под разными углами к поверхности 5, можно регулировать величину скорости вращения оси 13 роторного механизма, что способствует повышению эффективности воздействия струйного суперкавитационного потока на очищаемую поверхность 5 в зависимости от конкретного вида обрастаний и наслоений, увеличивая производительность и повышая качество очистки.
Использование в устройстве двух осветителей 27, установленных на поворотных стойках 29, облегчает водолазу выбор зон, покрытых наслоениями и обрастаниями, и эффективнее производить очистку поверхности 5.
Истекающие струйные вращающиеся кавитационные потоки воды из кавитаторов, выполненных в виде резонаторов кавитации, создауют суперкавитационные каверны с огромным количеством газопаровых пузырьков, которые, растекаясь по поверхности 5, схлопываются, производя эрозионное разрушение наслоений и обрастаний на очищаемой поверхности.
Струйные вращающиеся суперкавитационные потоки жидкости истекающие из кавитаторов, одновременно создают силовой момент, позволяющий вращать эти струи и одновременно вращающимися струйными кавитационными потоками воздействовать на очищаемую поверхность, разрушая при этом обрастания и наслоения в виде краски и ржавчины до белого металла.
Предлагаемое устройство предназначено для очистки поверхностей под водой с помощью водолаза.
Скорость перемещения устройства зависит от параметров поступающей к устройству жидкости, а именно от ее давления и расхода, а также от сопротивления водной окружающей среды.
Эффективность силового гидрокавитационного воздействия струйного потока истекающего из резонаторов кавитации (кавитаторов) на отложения и наслоения на поверхности можно определить по формуле
L
F=200 Sρ(Ро-Рп)Ksinγ,
2
где S - площадь сечения струи истекающей из генератора кавитации, м;
3
F - силовое воздействие кавитационного потока на очищаемую поверхность, кг/м;
L
K коэффициент, зависящий от относительного расстояния от среза генератора кавитации до очищаемой поверхности;
3
ρ - плотность жидкости, кгс/м;
γ - угол наклона струйного потока истекающего из гидродинамического генератора к очищаемой поверхности, град;
В качестве резонатора кавитации в данном устройстве используется гидрокавитационный генератор Родионова В.П. по патенту РФ №1614241 А1.
Резонатор кавитации (на чертежах не показан) имеет корпус, внутренняя часть которого выполнена в форме конфузора, сообщающегося с диффузором посредством двухступенчатого цилиндрического участка, у которого диаметр первой ступени равен меньшему диаметру конфузора и меньше или равен 0,5 диаметра второй ступени, при этом отношение меньших диаметров диффузора и конфузора равно 1,25-2,0, а отношение расстояния от входного отверстия диффузора до поверхности воздействия (отражательного элемента) к меньшему диаметру конфузора не менее 4.
Предложенное устройство для гидрокавитационной очистки поверхностей под водой находится в опытном производстве.
Основные детали и узлы устройства изготавливаются из коррозийно-стойкого материала - из нержавеющей стали
Проведенные испытания показали надежность устройства, повышение эффективности работы и качества проведения очистки поверхности под водой по сравнению с аналогами.