Энергетический анализ гидродинамического «Эффекта Трещалова»

5. Комиссаров В. И., Леонтьев В.И., Старостин В.Г. Размерная наладка универсальных металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1968. 207 с., ил.

6. Кудинов В.А. динамика станков. М.: машиностроение, 1967. 359 с.

7. Леонтьев Б.В. Исследование колебаний линейной системы с двумя степенями свободы применительно к резанию упругими резцами // Прогрессивные технологические процессы: сб. Кишинев: Штиинца, 1975. С. 14-18.

8. Леонтьев В.И. некоторые закономерности возникновения автоколебаний при точении стали // Тр. ДВПИ. 1962. Т. 56, вып. 4.

9. Леонтьев В.И., Леонтьев Б.В. Защита от низкочастотных вибраций на токарном переходе // Исследование и оптимизация процессов механической обработки при автоматизации технологического проектирования: межвуз. сб. Вып. 8. Владивосток: Изд-во ДВПИ, 1977.

10. Огнев Ю.Ф., Кукишев В.М., Чебоксаров В.В. Виброустойчивые концевые фрезы для обработки высокопрочных материалов на станках с ЧПУ // Тез. докл. 37-й науч.-техн. конф. ДВГТУ Владивосток: ДВГТУ, 1997. С. 107-108.

11. Рыжков Д .И. вибрации при резании металлов и методы их устранения. М.: Машгиз, 1961.

12. Соколовский А.П. Жесткость в технологии машиностроения. М.: Машгиз, 1946.

13. Тлустый И., Полачек М. теория возникновения автоколебаний при обработке и расчет устойчивости металлорежущих станков // Станки и инструмент. 1956. № 3, 4.

14. Штейнберг И.С. Устранение вибраций, возникающих при резании металлов на токарном станке. М.: Машгиз, 1947.

15. Эльясберг М.Е. Основы теории автоколебаний при резании металлов // Станки и инструмент. 1962. № 10, 11.

X

УДК 621.311

Г.В. Трещалов, Р.С. Федюк

ТРЕЩАЛОВ Герман Вячеславович - кандидат технических наук, главный инженер ННО «Инженерно-исследовательская группа «ЭРГ» (Ташкент, Узбекистан). E-mail: erg@list.ru, ФЕДЮК Роман Сергеевич - преподаватель Учебного военного центра Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: roman44@yandex.ru ©Трещалов Г.В., Федюк Р.С., 2012

Энергетический анализ гидродинамического «эффекта Трещалова»

Анализируется возможность масштабного моделирования гидродинамического эффекта, возникающего в безнапорном потоке жидкости, названного в ряде источников «эффектом Трещалова», при его ускорении и переходе режима потока через критическое состояние.

Ключевые слова: турбина, свободно-поточный, поток, глубина, критическая, гидродинамический, эффект, гидравлика, число Рейнольдса, число Фруда, гидравлический прыжок, эффект эжекции.

Energy analysis of hydrodynamic effect of power cain flow - «Treschalov's effect». German V. Treschalov (The Engineering and Research Group "ERG", Tashkent, Uzbekistan), Roman S. Fedyuk - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

This article analyses the possibility of full-scale modelling of the hydrodynamic effect that appears in free hydraulic flow as a result of its acceleration and transition through a critical state.

Key words: energy, hydrodynamics, turbine, free flow, calm, turbulent, critical, sub critical, super critical, hydraulic jump, dept, effect, feedback, Froude number, Reynolds number, ejection effect.

В материалах [1, 3, 6] проведен анализ специфического гидродинамического эффекта в свободном безнапорном потоке жидкости и представлены результаты испытаний гидравлической свободно-поточной турбины оригинальной конструкции, работающей на основе этого эффекта. При замере мощности турбины выяснилось, что энергии она дает больше, чем по традиционным расчетам, несколько больше, чем полная кинетическая энергия потока [1]. Кроме того, испытания показали, что на выходе этой установки глубина потока уменьшается и несколько увеличивается скорость потока. Впоследствии выяснилось, что турбина работает, используя особый гидродинамический эффект, особенность которого состоит в том, что благодаря ускорению потока, создается локальный искусственный перепад уровней, и такая турбина, в отличие от традиционных свободно-поточных турбин, не замедляет выходящий поток, отнимая у него кинетическую

МАШИНОСТРОЕНИЕ 163

энергию, а ускоряет его, извлекая потенциальную. Описанный гидродинамический эффект впоследствии в некоторых источниках получил название «эффект Трещалова» - по имени автора, впервые проанализировавшего его как самостоятельное физическое явление и опубликовавшего его теоретическое обоснование [3, 4, 6]. Этот эффект характерен тем, что его энергетическая диаграмма имеет ярко выраженный экстремум по всем входящим и выходящим параметрам - входящей и выходящей скорости и глубине потока

Математический анализ, проведенный в [3, 6], показал, что за турбиной скорость и глубина потока соответствуют критическим параметрам, и вследствие этого, в результате эффекта эжекции на выходе устройства, возникает гидравлический прыжок [5, с. 280]. Также в проанализированных материалах показано, что описанный эффект проявляется лишь при определенных условиях.

Рассмотрим варианты технической реализации гидравлической свободно-поточной турбины, использующей этот гидродинамический эффект, и проанализируем энергетические характеристики этого эффекта для предварительного расчета мощности таких турбин. На рис. 2 представлен один из наиболее наглядных вариантов модели гидравлической турбины, использующей этот эффект. Другие варианты технического исполнения подобных турбин приведены в материалах [1, 4].

Н1, Н2 - глубина (потенциальный напор) входного и выходного потоков, соответственно; К12/2§, -

скоростной напор входного и выходного потоков, соответственно; ДБ' - разница удельной энергии входного и выходного потоков.

Данная свободно-поточная турбина представляет собой два нижнебойных водяных колеса, соединенных обратной связью, которой в данном случае является цепная или ременная передача. Обратная связь обеспечивает вращение второго колеса несколько быстрее первого, за счет чего и происходит ускорение выходящего потока воды. Принцип работы установки следующий: рабочие органы входного потока (левое колесо на рис. 2) получают часть кинетической энергии потока и передают ее при помощи обратной связи (цепи или ремня) рабочим элементам выходного потока (правое колесо на рис. 2), дополнительно ускоряющим выходной поток. Поскольку расход воды, входящий в установку, равен выходящему, и скорость вытекающего потока выше, чем входящего, то площадь сечения выходящего потока будет меньше, чем входящего и, следовательно, его глубина Н2 будет меньше, чем глубина входящего потока Н1. Возникшая вследствие этого разница уровней бьефов входящего и выходящего потоков высвобождает потенциальную энергию, которую и забирает турбина.

На рис. 2 изображен баланс энергии на входе и выходе турбины. Из рис. 2 видно, что в зоне гидравлического прыжка имеется недостаток удельной энергии потока по отношению к начальному и установившемуся

Рис. 1. Зависимость энергии от трех параметров: разницы уровней, входной скорости и входной эффективной глубины для значений 0,9, 1,2, 1,5 и 1,8 м [6]

Н]

Рис. 2. Один из вариантов турбины и баланс энергии входного и выходного потоков

(за прыжком) режиму потока. Видно, что эта энергия (Д£') значительно (в несколько раз) превышает полную кинетическую энергию (скоростной напор) входящего потока (Fj2/2g). Именно эта часть энергии и забирается турбиной.

На основе базовых законов гидродинамики - уравнении Бернулли (законе сохранения энергии) и уравнении неразрывности потока (законе сохранения массы) в [3, 6] была выведена формула удельной энергии потока при возникновении этого гидродинамического эффекта, которая может быть применена для предварительного расчета энергетических характеристик турбин, работающих по этому принципу. Приведем эту формулу здесь, переведя удельную энергию в полную энергию, извлекаемую турбиной из потока воды за секунду:

з 1-

E = р *L*( Hj2* Vj*g + Hj* - - * ^(Hj* Vj^g2),

где: L - эффективная ширина турбины поперек потока, H - эффективная глубина входящего потока, Vj -скорость входящего потока, р - плотность жидкости (воды).

Из формулы видно, что зависимость выходной мощности от входной глубины потока достаточно сложная. По первому члену многочлена формулы она увеличивается квадратично, по второму - линейно, по третьему - уменьшается в степени 5/3.

Рассчитаем выходную мощность турбины в ваттах по приведенной выше формуле для различной скорости и эффективной глубины входного потока, на j м поперек потока (см. таблицу).

Таблица показывает, что при скорости 1.8 м/с и глубине потока равной 0.3 м, режим потока становится критическим, в чем можно легко убедиться, подставив эти данные в формулу критической глу -бины потока [5, с. 5]. Дополнительная мощность турбины при этом режиме потока, как видно из таблицы, стремится к нулю. А при увеличении глуби -ны мощность турбины увеличивается нелинейно и достигает экстремума.

Итак, при конструировании турбин, использующих эффект Трещалова [4], следует учитывать несколько важных моментов.

1. Этот эффект имеет достаточно узкий диапазон, т.е. должен быть жестко выполнен ряд условий истечения потока, а именно - соотношение входящей скорости потока и его глубины. При незначительном отклонении этих параметров от оптимальных эффект либо сильно смазывается, либо пропадает вовсе, и его уже очень трудно обнаружить и очень легко спутать с погрешностями измерений.

2. Следует отметить, что при увеличении скорости входного потока, следовательно и его кинетической энергии, т. е. при приближении его к критическому или бурному состоянию, эффект исчезает. Наиболее оптимальной является скорость входного потока порядка 1-1,5 м/с.

3. Критична к проявлению этого эффекта входная глубина потока. При глубине не более метра этот эффект малозаметен и расплывается в гидравлическом и механическом КПД турбины.

Следует отметить, что описанный выше эффект Трещалова был выведен автором для безнапорных потоков жидкости. Для напорных потоков подобные исследования были опубликованы [2] профессором Л. С. Ко -тоусовым, который экспериментально обнаружил аналогичный эффект при исследовании истечения жидкости из сопел с различной конфигурацией. Этот эффект, впоследствии в некоторых источниках получил название «эффект Котоусова».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Ленев Н.И. Бесплотинные ГЭС нового поколения на основе гидроэнергоблока // Альтернативная энергетика и экология. 2005. № 3. С .76-78.

2. Котоусов Л.С Исследование скорости водяных струй на выходе сопел с различной геометрией // ЖТФ. 2005. Т. 75, вып. 9. С. 8-14.

3. Трещалов Г.В. Высокоэффективный способ извлечения энергии из безнапорного потока текущей жидкости на основе специфического гидродинамического эффекта // 6-я Междунар. научн.-практ. конф. Иркутск: Иркутский гос. техн. ун-т, 2009. С. 111-125.

4. Трещалов О.В. Трещалов Г.В. Турбина со спаренными рабочими колесами и обратной связью и между ними // Патентная заявка ФИПС РФ № 2007135381/20(038680).

5. Чугаев Р.Р. Гидравлика. М.: Энергоиздат, 1982.

6. Treshchalov G.V. A highly efficient method for deriving energy from a free-flow liquid on the basis of the specific hydrodynamic effect // Int. Sci. J. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2010. № 12. Р. 23-29.

Мощность турбины (в Вт) в зависимости от глубины и скорости входного потока

Глубина (в м), скорость потока (в м/с) 0,3 0,6 0,9 1,2 1.5 1,8

0,3 144 672 1619 2998 4820 7090

0,6 167 930 2400 4624 7629 11436

0,9 128 934 2637 5329 9064 13883

1,2 66 779 2494 5357 9460 14864

1,5 14 542 2098 4897 9068 14703

1,8 0 291 1563 4108 8102 13670