Витер Виктор Кириллович. Разработка техники и технологии исследования кавитационных явлений в гидравлических системах

Короткий опис

Витер Виктор Кириллович. Разработка техники и технологии исследования кавитационных явлений в гидравлических системах : диссертация ... кандидата технических наук : 05.02.02.- Красноярск, 2003.- 191 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-5/3633-8

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи
ВИТЕР
Виктор Кириллович
Разработка техники и технологии исследования
кавитационных явлений в гидравлических системах
05.02.02 - машиноведение, системы приводов и детали машин
Диссертация
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент
В.А. Кулагин
Красноярск - 2003
ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ 9
1Л. Диспергирование цемента и минералов 9
1Л Л. Влияние различных факторов на стойкость бетонов 11
1Л .2. Методы испытаний 27
1Л .3. Моделирование кавитационных течений 31
1.2. Машины и аппараты для кавитационной обработки 32
1.2.1. Понятие кавитационной технологии 32
1.2.2. Технические средства кавитационной обработки материалов 33
1.2.3. Области применения кавитационной технологии 40
1.3. Техника исследования кавитационных процессов с применением
кавитационных труб 41
1.3.1. Классификация кавитационных труб 42
1.4. Исследования по обеспечению кавитационной стойкости бетонов при
низких отрицательных температурах наружного воздуха 43
2. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
КАВИТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ТРУБАХ 49
2.1. Основные принципы моделирования в кавитационных трубах 49
2.2. Способы моделирования кавитации в трубах 53
2.3. Влияние границ рабочего участка на минимальные числа кавитации .54
2.4. Кавитационные трубы разомкнутого типа 57
2.4.1. Особенности регулирования параметров потока 57
2.4.2. Теоретическая диаграмма рабочих режимов кавитационной трубы с
выбросным диффузором постоянного расширения 62
2.4.3. Теоретическая диаграмма рабочих режимов кавитационной трубы с
выбросным диффузором регулируемого расширения 64
2.4.4. Истечение из рабочего участка в регулируемый вакуум 71
2.4.5. Совершенствование кавитационных труб 73
2.4.6. Методика гидравлического расчета проточного тракта кавитационной
трубы 75
2.4.7. Методика расчета теоретической диаграммы рабочих режимов гидродинамической трубы с выбросным диффузором регулируемого
расширения 79
2.5. Пузырьковые гидродинамические трубы 82
2.5.1. Особенности моделирования режимов течения в скоростных
пузырьковых потоках 82
2.5.2. Способы получения скоростных пузырьковых потоков 83
2.5.3. Исследования пузырькового сверхзвукового потока в
гидродинамической трубе 85
3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 87
3.1. Экспериментальная установка и методика проведения испытаний 91
3.2. Программное обеспечение 97
3.2.1. Комплекс программ для автоматической градуировки средств
измерения 97
3.2.2. Комплекс программ для автоматического измерения и обработки
информации о параметрах потока и модели 98
3.3. Методика проведения испытаний 100
3.3.1. Наладка и подготовка кавитационной трубы к испытаниям 100
3.3.2. Исследование границ области эксплуатационных режимов с моделью
обтекаемого бычка в рабочем участке 102
3.3.3. Исследование эксплуатационных режимов кавитационной трубы без
модели в рабочем участке 106
3.3.4. Определение эксплуатационных возможностей гидродинамической
трубы с выбросным диффузором 115
3.3.5. Создание вакуума в вакуумном баке при выбросе незатопленной
струи из рабочего участка 115
3.4. Методика проведения кавитационных испытаний образцов бетона 119
3.4.1. Материалы для раствора и бетона 123
3.4.2. Выбор комплексных добавок 126
3.4.3. Состав и свойства бетонных смесей 129
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 130
4.1 Кавитационные трубы 130
4.1.1. Согласование теоретической диаграммы рабочих режимов с
эксплуатационной 130
4.1.2. Разработка и внедрение конструкции кавитационной трубы
гравитационного типа с истечением в регулируемый вакуум 135
4.1.3. Влияние конструктивных элементов трубы на однородность поля
скоростей 137
4.2. Разработка и создание кавитационной трубы с улучшенными
характеристиками 141
4.3. Влияние степени турбулентности потока в рабочем участке на
характеристики трубы 147
4.4. Рабочий проект кавитационной трубы в установке №4 ВГЛ 150
4.5. Создание гидродинамической трубы 2,5x2,5 м в лотке ВГЛ 155
4.6.. Результаты исследоваия кавитационной стойкости и
морозостойкости бетона 158
4.7. Влияние кавитационной обработки на прочность цементного камня.... 165
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 172
ЛИТЕРАТУРА 174
ПРИЛОЖЕНИЯ 188
Актуальность темы исследований. Гидроабразивный и кавитационный износ ряда деталей машин, которые работают в потоке воды, наносит значи¬тельный материальный ущерб, исчисляемый миллионами долларов. Эрозии подвергаются детали гидротурбин, насосов, гребных винтов, опор скольжения, запорной и регулирующей арматуры систем гидроприводов, а также элементов гидросооружений.
Кавитация в гидравлических системах (машинах и аппаратах гидропри¬водов) сопровождается ухудшением энергетических и эксплуатационных ха¬рактеристик оборудования, кавитационной эрозией поверхностей проточного тракта, шумом и вибрацией. Кавитационные явления, возникающие в системах гидроприводов, насосах, гидротурбинах, водоводах и на водосливах ГЭС и, в общем случае, при движении тел с большими скоростями в водной среде, за¬частую приводят к аварийным ситуациям, последствия которых требуют боль¬ших капитальных затрат на ремонты и восстановления.
Вследствие практической важности эффектов, сопровождающих различ¬ные виды кавитации, наблюдается повышенный интерес к исследованию кави¬тационных режимов движения жидкостей, процессов эрозии различного обору¬дования и материалов. Большой вклад в раскрытие важнейших закономерно¬стей кавитации и кавитационной эрозии внесли И. Г. Гинзбург, Э. Г. Донченко, В. М. Ивченко, В. А. Кулагин, А. Ф. Немчин, А Тирувенгадам, М. П. Плессет, Ф. Хэммит, К. К. Шальнев и др.
Различные формы кавитации существенно отличаются друг от друга, по¬этому, чтобы выявить общие закономерности кавитационной эрозии, необхо¬димо детальное изучение каждой из них. Из-за сложности кавитационно¬эрозионных процессов теоретический анализ их интенсивности представляет собой большую проблему.
При моделировании кавитационных процессов, которым посвящены ра¬боты А. С. Горшкова, И. Г. Гинсбурга, А. А. Русецкого и др., также возникают большие трудности, связанные с обеспечением условий подобия и учетом мас¬штабного эффекта.
Анализ литературных источников показывает, что сложные гидродина-мические процессы, протекающие в жидкости при различных формах кавита-ции изучены недостаточно. Поэтому задача повышения долговечности машин и оборудования, выяснения причин, вызывающих износ ведущих деталей путем создания и исследования оборудования для изучения кавитационных эффектов является весьма актуальной.
В связи с этим возникает много важных и недостаточно выясненных во-просов, например, о масштабном эффекте при переносе лабораторных резуль-
татов на натурные объекты, о нахождении и выяснении устойчивости выгодных режимов движения жидкостей и многофазных сред, о разработке рациональных каналов в соответствующих устройствах, аппаратах, оборудовании и режимов технологических процессов в условиях конкретных производств, ответы на ко¬торые должны быть найдены в процессе всесторонних исследований.
Таким образом, работы, направленные на разработку технологии и со-вершенствование техники эксперимента (кавитационных труб, установок, реак¬торов и др.) для проведения работ в натурных условиях с крупномасштабными образцами деталей машин, элементами приводов и материалов (например, бе¬тонов реальной структуры при эксплуатации гидротехнических сооружений) носят актуальный ресурсосберегающий характер и решают важную научно¬техническую задачу.
Цель работы состоит в создании техники и технологии исследования кави¬тационных явлений в гидравлических системах приводов и гидросооружениях.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка, создание и исследование кавитационных установок с целью определения характеристик режимов движения воды в натурных условиях (сверхзвукового, дозвукового, аэрированного и др.), максимально исключаю¬щих масштабный эффект;
разработка инженерных методик построения диаграмм рабочих режимов кавитационных труб, позволяющих на стадии проектирования моделировать различные по характеристикам (числа кавитации, неравномерность поля скоро¬стей, давления, возможность регулирования режимов работы и др.) типы тече¬ния, в том числе, с минимальными числами Эйлера и кавитации;
экспериментальное определение основных характеристик кавитационных труб гравитационного напора разомкнутого типа, а также труб замкнутого типа;
разработка и создание различных конструкций кавитационных труб при плотине Красноярской ГЭС, позволяющих исследовать материалы (бетоны) в натурных условиях;
определение влияния различных факторов (интенсивности физико-механической кавитационной обработки, времени, водоцементного (В/Ц) от-ношения, марки цемента и др.) на прочность и кавитационную стойкость изде¬лий из бетонов.
Методика исследования. Для решения поставленных задач использова¬ны аналитические и численные методы решений. Разработан и создан ряд экс¬периментальных лабораторных и крупномасштабных установок, проведены модельные и натурные физические исследования.
Научная новизна. Полученные в ходе выполнения результаты рассмат-ривались в аспектах энергоресурсосбережения (в частности снижения стоимо-сти эксперимента в гидродинамических трубах большой мощности) и расши-рения области применения критической кавитационной технологии. Усовер-шенствование технологии проведения натурного эксперимента с учетом мас-штаба и реальности структуры бетонов соответствует параметрам энергоэф-фективности и состоит в следующем:
создан и исследован ряд кавитационных установок, защищенных автор¬скими свидетельствами на изобретения, экспериментально определены их ха¬рактеристики (числа кавитации и Эйлера, неравномерность поля скоростей и давлений, степени турбулентности и др.), позволившие учитывать масштаб¬ный эффект в ходе экспериментальных работ и при проектировании техноло¬гического оборудования для исследования материалов на кавитационную стой¬кость;
разработаны методики построения диаграмм рабочих режимов кавитаци¬онных установок, позволяющие определить оптимальные режимы течения жидкости, в том числе с минимальными числами Эйлера;
исследованы характеристики гидродинамических труб разомкнутого и замкнутого типов, влияние выбросного диффузора за рабочим участком (РУ) на параметры потока, возможность создания в РУ монодисперсного пузырько¬вого потока. В результате предложен новый способ создания пузырьковых те¬чений, разработана новая схема гидродинамической трубы, позволяющая дос¬тичь независимое от скорости регулирование давления в потоке при низких числах Эйлера, существенно расширен диапазон эксплуатационных режимов;
разработаны методы проектирования кавитационных труб различных ти¬пов для исследования образцов различных конструкционных деталей машин (в том числе и бетонов) на кавитационную стойкость в натурных условиях;
определено влияние водоцементного отношения, времени и интенсивно-сти кавитационной обработки, состава и добавок цементных растворов на прочность и кавитационную стойкость бетонов гидросооружений, изготовлен¬ных из цементов различных марок.
Практическая значимость работы и внедрение результатов работы.
Разработаны на уровне изобретения, исследованы и внедрены в производство схемы и конструкции кавитационных труб. Разработаны методики определения диаграмм режимов работы кавитационных труб замкнутого и разомкнутого ти¬пов. На основании проведенных теоретических, модельных и натурных экспе¬риментальных работ созданы технология и оборудование для физико¬механической кавитационной обработки цементных и бетонных растворов. Усовершенствована методика проведения экспериментальных работ кавитаци¬онных течений в крупномасштабных установках, внедренная в практику науч¬ных исследований в Высоконапорной лаборатории (при плотине Красноярской ГЭС) ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева (Сибирский филиал). На базе результатов, полученных в диссертации, разработаны рабочие проекты гидротермодинами¬ческих труб большого сечения (01200 мм, напор ~ 100м, скорость в рабочем участке до 40 м/с), не имеющих аналогов в мировой практике подобных иссле¬дований. Конструкции, защищенные авторскими свидетельствами внедрены в исследовательском комплексе Сибирского филиала ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева (Красноярск) и НИИ прикладной гидромеханики (Москва), а также в исследо¬вательскую практику и учебный процесс Красноярского государственного тех¬нического университета, и могут быть использованы другими организациями, которые занимаются исследованиями кавитационной прочности деталей машин и систем приводов, а также эрозионной стойкости различных материалов.
Работа выполнена в рамках выполнения Всесоюзных и Всероссийских программ «Мировой Океан» (1981-86 гг.), «Энергетика океана» (1985 г.), «Си¬бирь» (1985-87 гг.), Международного проекта TACIS по энергосбережению.
Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка задач данного исследования, обоснования, формулировка и разработка всех положений, опре¬деляющих научную новизну и практическую значимость, участие в экспери¬ментальных исследованиях, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и рекомендаций. В совместных публикациях автору принадлежит ве¬дущая роль в решении поставленных задач.
На защиту выносятся следующие положения диссертационной работы, включающие результаты научных исследований и основанные на них выводы и рекомендации:
новые схемы и конструкции кавитационных труб, защищенные автор-скими свидетельствами на изобретения и апробированные рекомендации по созданию крупномасштабных высокоскоростных установок в производстве;
методики расчета диаграмм рабочих режимов работы кавитационных труб различного типа, позволяющие снизить влияние масштабного эффекта и существенно расширить их эксплуатационные возможности;
новый способ создания пузырьковой структуры потока с равномерным распределением концентрации объемного газосодержания по поперечным се-чениям, позволяющий изучать высокоскоростные аэрированные течения.
экспериментальные данные исследования кавитационных труб различных типов с целью использования при проектировании и создании исследователь¬ского и технологического оборудования для эрозионного испытания деталей машин и систем гидропривода, кавитационной обработки материалов;
экспериментальные данные о влиянии водоцементного отношения, вре-мени и интенсивности кавитационной обработки, состава и добавок цементных растворов на прочность и кавитационную стойкость бетонов, используемых в гидросооружениях.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использовани¬ем методов исследования, соответствующих современному состоянию при¬кладной гидродинамики, молекулярной физики и материаловедения. Работа ба¬зируется на общепринятых положениях и методах расчета и проектирования гидродинамических труб, теории подобия. Результаты, полученные различны¬ми методами, (например, теоретические и экспериментальные диаграммы ре¬жимов работы кавитационных труб), достаточно хорошо совпадают и не проти¬воречат физическим закономерностям в смежных областях знаний и данным, полученным другими авторами.
Апробация работы. Основные положения работы, результаты теорети¬ческих и экспериментальных исследований, докладывались и обсуждались на II Всесоюзной школе-семинаре по гидродинамике больших скоростей (Чебок¬сары, 1984), III Республиканской НТК « Проблемы гидромеханики в освоении Мирового океана» (Киев, 1984); V Национальном конгрессе по теоретической и прикладной механике (Болгария: Варна, 1985); XV сессии Болгарского инсти¬тута гидродинамики судна (Болгария: Варна, 1986); III Всесоюзной школе- семинаре по гидродинамике больших скоростей (Красноярск, 1987); Всесоюз¬ной НТК «Совершенствование средств и методов экспериментальной гидроме¬ханики судна для развития научного прогресса в судостроении» (Николаев, 1988); III Всероссийской НПК с международным участием «Достижения науки и техники - развитию Сибирских регионов» (Красноярск, 2001).

Список літератури

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Создан и исследован ряд кавитационных установок, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения, экспериментально определены их характеристики, позволившие учитывать масштабный эффект в ходе производственных испытаний материалов деталей машин систем приводов на кавитационную стойкость, а также при проектировании технологического оборудования:
1.1. Исследованы характеристики кавитационных труб разомкнутого типа гравитационного напора с малыми числами кавитации и различными принципами регулирования скорости и давления. Результатом исследований было создание при плотине Красноярской ГЭС уникальной крупномасштабной высокоскоростной гравитационной гидродинамической трубы, техническое решение которой защищено авторским свидетельством на изобретение;
1.2. Изучен новый класс гидродинамических труб с пузырьковой структурой потока, имеющего местные скорости звука меньше скорости потока. Исследованы режимы сверхзвукового обтекания препятствий пузырьковым потоком. Исследованы различные способы создания пузырьковой структуры потока в рабочем участке трубы. По результатам исследований предложен новый способ создания пузырьковых течений жидкости, защищенный авторским свидетельством на изобретение;
1.3. Исследованы характеристики выбросных диффузоров
гидродинамических труб разомкнутого и замкнутого типа. По результатам исследований предложена новая методика расчета выбросных диффузоров и определена оптимальная зона переменной степени расширения пДИф = (1,0¬1,5). Применение выбросного диффузора оригинальной конструкции и камеры гашения скорости переменного давления было достигнуто независимое регулирование параметров потока при малых числах кавитации, что приблизило эксплуатационные возможности трубы разомкнутого типа к возможностям широко распространенных труб замкнутого типа;
1.4. Разработана новая схема гидродинамической трубы, позволяющая достичь
независимое от скорости регулирование давления в потоке при низких числах
Эйлера (Ей < 0,1), существенно расширен диапазон эксплуатационных
режимов;
1.5. Разработаны технические и рабочие проекты гидродинамических труб с размерами сечения рабочих участков более 1x1 м при плотине Тереблинской ГАЭС и рабочим участком размером 2,5x2,5 м - при плотине Красноярской ГЭС.
2. На основании натурных экспериментальных и расчетно-теоретических исследований разработаны методики построения диаграмм рабочих режимов кавитационных установок, позволяющие определить режимы течения жидкости с минимальными числами Эйлера и исследовать материалы деталей машин и систем приводов в условиях, максимально приближенных к натурным.
3. Разработаны методы проектирования кавитационных труб различных типов для исследования образцов различных конструкционных материалов (в том числе и бетонов) на кавитационную стойкость в натурных условиях.
4. Определено влияние водоцементного отношения, времени и интенсивности кавитационной обработки, состава и добавок цементных растворов на прочность и кавитационную стойкость бетонов, изготовленных из цементов различных марок (Ml00 - М600).
Технические решения, рабочие проекты, методы проектирования и результаты экспериментальных исследований внедрены в практику на ряде предприятий и НИИ.