книги из ГПНТБ / Дмитриев Ю.Я. Гидравлические импульсные струи на лесосплаве

Q — расход;

/эф — эффективная длина струи; ■Ош— диаметр штока;

dH— диаметр насадка;

гих работ большей частью касаются вопроса создания ■струй и практического использования их. Лишь в некоторых работах име­ ются теоретические исследования динамики развития и распро­ странения свободных незатопленных струй, в большинстве своем касающиеся начальных условий струи, количества движения жид­ кости в струе и ее энергетического потенциала. Законы изменения осевых скоростей, скоростей по поперечному сечению струи авто­ рами не рассматриваются.

Импульсные затопленные гидравлические струи с низкой ча­ стотой пульсации и созданные ими потоки вообще не исследова­ лись. Первые попытки исследования таких струй и созданных ими потоков принадлежат Н. Diekmann. Исследуя работу импульсного поршневого двигателя водометных судов, автор в результате ви­ зуального наблюдения дает схематически картину потока жидко­ сти, созданного движителем при всасывании и при импульсе (рис. 3). Характерной особенностью потока, созданного затоплен­ ной импульсной струей низкойчастоты пульсации, распространя­ ющейся в неограниченном водном пространстве тех же физических свойств, является образование ряда осесимметричных циркуляци­ онных водоворотных областей и цилиндрической транзитной ча­ сти потока, которая распространяется осесимметрично между водо.воротными областями как естественными границами. Законо­ мерности распространения импульсных струй и созданных ими потоков автором не исследованы.

Таким образом, если стационарные гидравлические струи, на­ шедшие широкое применение в различных отраслях промышлен­ ности, имеют достаточно изученную теоретическую базу, то им­ пульсные струи находятся в стадии экспериментальных и теоре­ тических исследований.

Импульсная гидравлическая струя, распространяясь осесим­ метрично в неограниченной, однородной с нею жйдкой среде, не­ прерывно расширяется. Расширение происходит за счет турбулент­ ного перемешивания частиц струи и окружающей ее среды. С удалением от выходного сечения насадка струя постепенно рас­ сеивается в окружающем ее водном пространстве.

Общая протяженность струи. может быть поставлена в зави­ симость от начальной скорости истечения ее из струеобразующего насадка или от напора струи при вылете из него, а также от на­ чального диаметра насадка. Изменение осевой скорости импульс­ ной. струи, в зависимости от расстояния по оси в каждом единич­

20

ном импульсе по аналогии со стационарной гидравлической струей, по нашему предположению, должно подчиняться гипербо­ лической зависимости.

Изоляция импульсной осесимметричной турбулентной струи твердыми стенками от бесконечной и однородной с нею среды в значительной степени может изменить перераспределение скоро­ стей по длине возбужденного струей потока по сравнению со

Рнс. 3. Схема ішпульсного потока, созданного поршневым двигателем:

a — при всасывании; б — пріі импульсе

струей, распространяющейся в неограниченной водной среде. Со- г зданные импульсными струями потоки, по нашему замыслу, могут служить транспортным средством на акваториях лесосплавных рейдов, работающих в условиях подпора, в бассейнах целлюлоз­ но-бумажных комбинатов и деревообрабатывающих предприятий. С технологической точки зрения намечаемые исследования дол­

жны создать предпосылки для создания гидравлических ускорите­ лей на принципиально новой основе.

Чтобы установить Диапазоны исследований возбужденного струей потока, рассмотрим условия, в которых придется работать

21

импульсными гидравлическими ускорителями. Основные положе­ ния этих условий следующие:

1.Лесоматериалы, подлежащие транспортировке, с длиной от­ дельных бревен от 1 до 9 м, с объемным весом 0,7н-0,9 т/м3, дол­ жны перемещаться на различные расстояния любым из сущест­ вующих видов щети в зависимости от того или иного технологиче­ ского процесса, в спокойной воде или в спутном потоке.

2.Расстояния, на которые желательно перемещать лесомате­ риалы по акваториям рейдов, работающих в условиях подпора от водохранилищ, как показывает практика, находятся в пределах от нескольких десятков метров до нескольких километров. Следова­ тельно, исследуя возможные дальности действия потоков, возбуж­ денных импульсными гидравлическими струями, необходимо обеспечить в лабораторных условиях неограниченное по длине

ввозбужденном импульсной струен потоке.

3.На увеличение дальности боя импульсных гидравлических струй определенное влияние оказывают вертикальные стенки, об­

разующие транспортный коридор и уменьшающие сферу турбу­ лентного обмена струи с окружающей средой, а также шерохова­ тость этих стенок. Очевидно, исследованиям-должно быть подверг­ нуто распространение возбужденного струей потока в коридорах различной ширины, образованных вертикальными стенками, при различном заглублении их.

4. Определенное влияние на длину потока, созданного импульс­ ной гидравлической струей, будет иметь степень заглубления струеобразующего насадка под горизонт воды в водоеме, что и должно быть проверено лабораторными исследованиями.

5.Весьма важными факторами следует считать расход жид­ кости, выбрасываемой из струеобразующего насадка определен­ ного диаметра: напор, под которым происходит это выбрасывание,

иначальные выходные скорости при импульсном режиме работы.

6.По технологическому процессу сплавных предприятий, пере­ валочных баз и лесозаводов может требоваться подача лесомате­

риалов к Заданным пунктам строго определенными видами щети, с определенными интервалами подачи между предыдущими и по­ следующими бревнами щети, а также более крупных сплоточных ■единиц. В связи с этим представляет интерес выяснение воздейст­ вия возбужденного импульсной гидравлической струен потока на плавающие лесоматериалы как при продвижении их различными видами щети, так и при перемещении отдельных грузоединиц или бревен.

7. Импульсные гидравлические струи, по нашему предположе­

ит. д.

8.Определенный интерес представляет создание при помощи импульсных гидравлических струй циркулирующих потоков в бас­

22

сеймах деревообрабатывающих предприятий и целлюлозно-бу­ мажных комбинатов.

9. Теоретическое обоснование рассматриваемых выше вопросов, насколько нам'известно, не подвергавшихся ранее исследованиям, представляет значительный как научный, так и практический ин­ терес. Наши исследования проводились в сравнении с известными теоретическими и экспериментальными работами по гидравлическим струям и данными их технического использования.

ИМПУЛЬСНЫЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СТРУИ В НЕОГРАНИЧЕННОМ ВОДНОМ. ПРОСТРАНСТВЕ

ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Злектрогпдравлический эффект (ЭГЭ) состоит в том, что при мощном конденсированном импульсном электрическом разряде в воде создаются высокие давления в зоне разряда, сопровождае­ мые направленным движением жидкости.

Рис. 4. Электрическая схема установки для создания электрогндравлического эффекта ■

Простейшая схема установки, с помощью которой можно полу­ чить мощный конденсированный импульсный разряд в воде, пока­ зана на рис. 4.

Источником переменного тока высокого напряжения служит высоковольтный трансформатор (Тр), который через выпрямитель тока (Вп) заряжает рабочую емкость (С) до определенного потен­ циала. Рабочая емкость через формирующие промежутки (Пр-1) и (Пр-2) разряжается на основном разрядном промежутке (Пр), помещенном в ванну с водой (В).

Электрогидравлический эффект легко наблюдается в открытом сосуде, заполненном любой жидкостью. При этом можно видеть, какое значение имеет предварительное формирование импульса. Так, например, мощный, но не специально сформированный им­ пульс пробивает достаточно большой водный промежуток, не со­ здавая существенных внешних эффектов. Наблюдается только

23

легкое колебание поверхности жидкости. Менее мощный, но спе­ циально сформированный импульс выбрасывает достаточно боль­ шой объем жидкости на высоту нескольких метров при той же

длине искры.

Формирование импульса осуществляется дополнительными «формирующими» искровыми промежутками. Введение «форми­ рующих» воздушных промежутков придает -электрической схеме особые свойства, а именно: накапливать дозированные количества энергии с импульсной подачей ее на основной промежуток, зна­ чительно сокращать длительность импульса и получать мощный кратковременный импульс с крутым передним фронтом волны. Устойчивый режим работы установки при регулировании его с помощью дополнительных «формирующих» промежутков имеет широкий диапазон. Когда они замкнуты, жидкость между остри­ ями основного промежутка свободно пропускает ток. Если же «формирующие» промежутки постепенно раздвигать, то на основ­ ном (Пр) вначале пробой не возникает, хотя оба дополнительных уже начали пробиваться. Пробой основного промежутка насту-' пает при определенной длине «формирующих». Нижний предел устойчивого режима работы определяется такой длиной «форми­ рующих» промежутков, которая обеспечивает не только формиро­ вание импульсов, но и напряжение, достаточное для пробоя основ­ ного промежутка. Верхний предел режима при дальнейшем раз­ двигании дополнительных промежутков наступит тогда, когда напряжение, развиваемое установкой, окажется уже недостаточным для пробоя всех трех промежутков. Длина основного разрядного промежутка, при которой наблюдается электрогидравлический эффект, зависит от рабочей емкости цепи, ее индуктивности и на­ пряжения. Увеличение длины рабочего промежутка требует и уве­ личения приложенного напряжения на конденсаторе.

Увеличение емкости конденсатора создает пробой основного промежутка одной и той же длины при меньшем напряжении. Так, например, при емкости 0,03 мкф даже при 50—80 кв не удавалось получить искру длиннее 5 мм, а при емкости 0,7 мкф и том же напряжении легко вознйкйли разряды длиной 100, 150 и 200 мм.

Влаборатории Марийского политехнического института прове­ дены исследования по установлению функциональной зависимости величины пробивного напряжения от длины основного и «форми­ рующих» промежутков.

Впроводимых исследованиях в качестве источника высокого напряжения был использован трансформатор типа УРД-105-к4,

дающий напряжение на высокой стороне в пределах от 40 до ПО кв рабочей мощности 4,5 кет. Рабочей емкостью служила бата­ рея, составленная из конденсаторов типа Рл-32, 50, 25, позволяю­ щая получать рабочие емкости в пределах от 0,1 до 1,5 мкф на напряжение от 33 до 100 кв. Экспериментальная установка была собрана по простейшей электрической схеме с двумя дополнитель­ ными искровыми промежутками. Эксперименты проводились при рабочей емкости 0,38 мкф, рассчитанной на напряжение от 40 до

24

80 кв, при котором есть возможность получать стабильные им­ пульсные разряды с частотой 1,5 им!сек на основном промежутке, помещенном в жидкость (воду).

В процессе экспериментальных исследований удалось устано­ вить, что в зависимости от длины основного и дополнительных искровых промежутков электрогидравлический эффект может на­ блюдаться при определенных минимальных величинах подаваемого на рабочую емкость напряжения. Величина минимального пробив­ ного напряжения существенно зависит от равенства длин допол­ нительных промежутков. Так, если длина дополнительных проме­ жутков равна соответственно 15,5 и 12 мм, то для пробоя основ­ ного промежутка длиной 24 мм необходимое минимальное напря­ жение равно 63 кв. При равенстве длин (длины дополнительных

Рис. 5. Зависимость минимального пробивного напряжения от длины искровых промежутков

промежутков по 14 мм) то же напряжение 63 кв является мини­ мальным для пробоя основного промежутка длиной., уже 30 мм. Установлена зависимость величины минимального пробивного на­ пряжения (Umin) от длины основного (R) и дополнительных (г) промежутков (рис. 5). Кроме того, установлена функциональная зависимость величины минимального пробивного напряжения от длины дополнительных промежутков для различных длин основ­ ного промежутка, которая выражается семейством кривых (рис. 6). Начало каждой кривой лежит на графике зависимости umin = f(r). По установленной выше зависимости можно заранее определить величину минимального пробивного напряжения и длину допол­ нительных промежутков для данной длины основного искрового промежутка, при которых устанавливается стабильная частота электрических разрядов.

Исследованием природы импульсного электрического разряда занимались и занимаются многие советские и зарубежные ученые. Большинство из них придерживаются мнения, что явление ЭГЭ наиболее точно описывается так называемой стриммерной теорией. При электродах типа острие—острие длина положительного лидера в 12—15 раз больше отрицательного. При встрече двух лидеров формируется проводящий канал. Следующей стадией

25

электрического разряда в воде является стадия яркой вспышки, начи­ нающейся после завершения лидерной стадии, от которой она от­ личается во много крат большей яркостью свечения канала и весьма малой продолжительностью, порядка 1Ö2—ІО3 сек. Стадия яркой вспышки завершается дуговым разрядом. Около 60% всего напряжения контура приходится на искровой канал. При этом про­ исходит непрерывное нарастание тока с крутым передним фрон­

\Ѵ — полная энергия, выделившаяся на единицу длины канала ко времени То;

V — длительность фронта нарастания тока; Т0— время разряда.

Ударная волна и газовая полость в своем развитии вызывают спутный поток воды. Основная масса движущейся жидкости имеет

26

направленное движение к свободной поверхности и выброс ее в ат­ мосферу. Вода в поверхностном слое с большой скоростью взле­ тает вертикально, и над зоной электрического разряда образуется купол, размеры которого определяются электрическими характе­ ристиками разрядного контура и условиями, в которых протекает электрический разряд.

ИМПУЛЬСНЫЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ УСКОРИТЕЛИ

Импульсный гидроускоритель на принципе электрогидравлического эффекта. Направленное движение жидкости при электрогидравлическом эффекте послужило основой для создания импульс­ ного гидравлического ускорителя, изображенного схематически на рис. 7.

Импульсный гидравлический ускори­ тель состоит из следующих основных эле­ ментов: цилиндрическая часть корпуса 1, через стенки которого введены электроды основного разрядного промежутка Пр типа острие—острие 2; рабочая полость

•гндроускорителя <3; струеобразующий ко­ нически сходящийся насадок 4; цилиндр рическая хвостовая часть импульсного гидроускорителя 5.

При работе гидроускоритель погружа­ ется в воду так, что плоскость свободной поверхности воды совпадает с верхней кромкой выходного отверстия струеобра­ зующего насадка (рис. 8). На элек­ троды подается импульсное высокое на­ пряжение, частота импульсов регулиру­

ется электрическими параметрами контура цепи, а также геомет­ рическими размерами разрядных искровых промежутков как дополнительных,так и основного.

Массы воды, получившие начальное движение от единичного импульсного разряда тока на основном разрядном промежутке,, из зоны разряда поступают в рабочую полость ускорителя, пре­ терпевают в ней предварительное поджатие и выбрасываются че­ рез струеобразующий насадок, сформировавшись в импульсную^ гидравлическую струю.

Пополнение, ускорителя новыми массами воды извне обеспечи­ вается за счет статического давления окружающей массы жидко­ сти, которая поступает в ускоритель через хвостовую часть, имею­ щую форму открытого цилиндра. Определенную роль играет здесь и некоторый вакуум, возникающий вслед за выбросом воды из ускорителя.

ГІри каждом последующем импульсе тока описанный выше про­ цесс будет повторяться и из насадка будут выбрасываться перио­ дически определенные массы воды, сформированные в струю.

27

Такая струя получила название импульсной гидравлической струи, а ускоритель, работающий по принципу ЭГЭ, — импульсного гид­ равлического ускорителя.

Изложение процессов, происходящих в импульсном ускорителе, следует считать весьма упрощенным в отдельных элементах до предела. На самом же деле процессы, протекающие в ускорителе, являются весьма сложными и требуют проведения значительных экспериментальных и теоретических исследований.

Исследования работы импульсного ускорителя велись в на­ правлении установления основных его геометрических размеров, а также определения основных начальных параметров импульсной гидравлической струм.

Рис. 8. Импульсная струя, вытекающая из гидроускорителя

Приведем некоторые результаты проведенных исследований. Условные обозначения (табл. 1):

do— диаметр выходного отверстия насадка, мм; ■t — время единичного импульса струи, м ■сек; Q — расход единичного импульса, л/сек;

по — начальная скорость истечения струи, м/сек;

L — дальность боя струи при истечении в атмосферу, м. Импульсный гидроускоритель с механическим отсекателем.

При внезапном закрытии установленного в напорном трубопроводе запорного приспособления (задвижки, клапаны и прочее), в ре­ зультате резкого изменения скорости движения жидкости в тру­ бопроводе возникает повышение давления, называемое гидравличе­ ским ударом. В коротком трубопроводе оно превышает иногда в де­ сятки раз начальное давление в трубопроводе.

Теория гидравлического удара, разработанная Н. Е. Жуков­ ским, получила широкое признание и распространение как у нас,

28

так и за рубежом. Примером механического воплощения теории гидравлического удара является работа гидравлического тарана.

следующих электрических параметрах цепи: длина раз­ рядного промежутка— 40 мм, рабочее напряжение — 74 кв, емкость батареи конденсаторов — 0,38 мкф, частота раз­ рядов — 1,5 гц.

Рис. 9. Схема импульсного ускорителя с механическим отсекателем:

Повышение давления при гидравлическом ударе и прерывность движения жидкости в коротком трубопроводе легли в основу им­ пульсного гидравлического ускорителя с механическим отсекате­ лем, схема которого представлена на рис. 9.

Корпус ускорителя 1 имеет цилиндрическую форму. Передней стенкой служит крышка 2, крепящаяся к корпусу на резьбе. В крышке имеется отверстие с резьбой для установки сменных на­ садков 3. К внутренней поверхности крышки тщательно притерты поверхности сменных отсекателей 4, имеющих кольцевые вырезы под углом соответственно 60, 120 и 180°. Отсекат'ель крепится на валу 5 консольного устройства, установленного на тыльной стенке уско­ рителя. На противоположном конце вала консольного устройства установлена ведомая звездочка 6, которая бесконечной цепью 7 соединяется с ведущей звездочкой 8, установленной на валу

29