Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрогидроимпульсный эффект для динамических испытаний вагонов. Монография
.pdf
91
Сопротивление канала разряда изменяется по гиперболическому закону в
течение первого полупериода до минимального значения (рис. 4.7), а затем достигает максимума после окончания пробоя.
С уменьшением длины канала разряда максимальная величина плотности
внутренней энергии увеличивается и уменьшается время достижения экстремума для внутренней энергии.
На рис. 4.8 представлена зависимость удельной энергии W/V = f(t). Максимальная энергия на единицу объема наблюдается при длине разрядного канала l = 1 см. Убывание энергии на единицу объема носит нелинейный характер,
при l = 3,4 см не столь значительно. Соответственно при необходимости получения наименьшей энергии затрачиваемой на ударную волну необходимо использовать наибольший разрядный промежуток l = 5 см. При увеличении внутренней энергии плазмы увеличивается электропроводность, а увеличение сечения при расширении приводит к уменьшению полного сопротивления канала
разряда за счет изменения его геометрических размеров. Поэтому при необходимости получения наименьшей энергии, затрачиваемой на ударную волну,
необходимо использовать наибольший разрядный промежуток l = 5 см.
0,00E+00
1,00E+16
2,00E+16
3,00E+16
4,00E+16
5,00E+16
6,00E+16
7,00E+16
8,00E+16
9,00E+16
0,00E+00 5,00E-07 1,00E-06 1,50E-06 2,00E-06 2,50E-06 3,00E-06 3,50E-06 4,00E-06
t, c
W/V
l=1 см
l=2 см
l=3 см
l=4 см
Рис. 4.8. Зависимость удельной энергии от времени
Как видно, для уменьшения коэффициента полезно действия необходимо
уменьшать удельную энергию в канале разряда, это возможно путем уменьшения напряжения и увеличения разрядного промежутка.
Для определения оптимальных параметров электрогидроимпульсного
стенда, обеспечивающими минимальные значения давления ударной волны,
92
необходимо воспользоваться зависимостями: 4.3, 4.4, 4.8. Как видно, зависимости максимального давления P
max
от зарядного напряжения 35 кВ и 40 кВ про-
ходят близко относительно друг друга, аппроксимационные данные указывают
на монотонный характер зависимости максимального давления от разрядного
промежутка, следовательно, необходимо принять следующие параметры электрогидроимпульсной установки: U0 = 40 кВ, L = 1 × 10-3 Гн, C = 1 × 10-3Ф, длина
разрядного промежутка l = 2–3 см.
4.5. Конструктивные решения для отвода
ударной волны от поршня
Следует отметить, что ограничение по максимально допустимым силам
является достаточно жестким не только с точки зрения формирования требуемого механического импульса, но и с точки зрения необходимости разработки
конструктивных мероприятий, направленных на защиту подвижного элемента
разрядной камеры от воздействия ударных волн (УВ). Эта задача является нетипичной для технологических установок с использованием электрогидравлического эффекта (например, установки электрогидроимпульсной штамповки
[86]), так как основным их назначением является как раз создание максимально
возможных механических воздействий на объекты. Возможным вариантом решения является такая организация гидродинамической структуры разрядной
камеры, при которой подвижные элементы будут экранированы от воздействия
УВ. На рис. 4.9 приведен пример возможной реализации русла гидравлического
потока в камере, при которой исключена возможность прямого воздействия УВ
на ускоряемый поршень.
Рис. 4.9. Экранировка поршня от прямого воздействия УВ.
93
В зависимости от общей концепции предполагаемых испытаний рассматриваемый электрогидроимпульсный способ позволяет реализовать режим испытания двух объектов одномоментно. Для этого случая схема рабочей камеры
может иметь вид, представленный на рис. 4.10.
Рис. 4.10. Схема двуобъектного воздействия.
Разрядная камера является сложным устройством, подвергаемым импульсным воздействиям. Камера должна быть герметичной и выдерживать импульсное
давление на уровне 20–40 МПа в течение 0,1–0,2 с. Механический расчет камеры
может быть выполнен после окончательного выбора конструкции нагружающего
устройства и определения параметров генераторов импульсных токов.
Разрядная камера, служащая емкостью для удержания рабочей жидкости,
является также опорным устройством, в ней помещен поршень и система электродов, соединенных с генератором импульсов, который включает конденсаторную батарею и коммутатор.
Разрядная камера представляет собой сварную конструкцию цилиндрической формы, выполненную из листовой легированной стали, возможно исполь-
94
зование ребер жесткости для упрочнения конструкции. Для удержания веса
разрядной камеры и равномерной передачи его на грунт, гашения колебаний,
возникающих в разрядной камере при высоковольтных импульсных разрядах,
необходимо использовать фундамент, который может быть выполнен в виде
толстой железобетонной плиты или в виде железобетонного приямка с металлическим каркасом. Толщину фундамента устанавливают в зависимости от качества грунта, массы и условий работы установки. Размеры железобетонного
фундамента определяются габаритными размерами разрядной камеры. Разрядная камера крепится к фундаменту с помощью стальных седловых опор.
При выборе марки стали, из которой изготовляется разрядная камера, руководствуемся СНиП II-23-81. Сталь группы 1 для сварных конструкции либо
их элементов, работающих в особо тяжелых условиях или подвергающихся
непосредственному воздействию динамических, вибрационных или подвижных
нагрузок: С255, С285, С345, С375, С390, С390К, С440.
Выбираем сталь марки C375 (10ХСНД). Допускаемое напряжение
][
= 140 МПа.
Толщину стенки разрядной камеры определим по формуле для тонкостенного цилиндра:
у
у
P-]2,3[
D
P
=
, (4.23)
где P
у —
условное давление
( )
P3,12,1
, Па;
][
— допускаемое напряжение на растяжение, Па;
D — внутренний диаметр разрядной камеры, м.
В связи с тем, что камера должна выдерживать давления ~ 3 × 107 Па,
определим [42]:
120,0
1
1
=
=
76
7
102,2-101402,3
1103,2
м. (4.24)
Для изготовления разрядной камеры диаметром 1 м длиной 2 м необходим лист с размерами 3,14 × 2 м.
Толщину поршня разрядной камеры определим по формуле для толщины
крышки цилиндра:
95
][
P
d,
у
кк
4330=
, (4.25)
где dк — диаметр поршня.
При dк = 0,25м:
045,0
10140
1022,1
25,0433,0
6
7
=
=
к
м. (4.26)
Главным элементом камеры, определяющим ее работоспособность как
источника импульсного давления на основе электрогидроимпульсного эффекта,
является система электродов. Эта система подвергается не только механическим напряжениям в процессе разряда, но и должна выполнять свою основную
функцию — обеспечить поступление электрической энергии непосредственно в
рабочую межэлектродную зону. Конструкция высоковольтного ввода приведена на рис. 4.11. Токоведущий элемент 1 отделен изолятором 2 от фланца 4, закрепляемого на стенках камеры, и устанавливается на нем с помощью болтового соединения через прижимные кольца 3 и 6. По данным эрозионной стойкости металлов [10], наиболее подходящим металлом для токоведущего элемента
электрода является сталь марки 40Х или 40ХНМ. Изоляционная прокладка 5
используется для повышения осевой стабильности конструкции, а изоляционная гайка 6 для увеличения пути утечки по наружной поверхности изолятора.
Изолятор может быть изготовлен из капролона, полиэтилена, стеклонаполненного полипропилена. Фирма «Рита», г. Москва изготавливает изоляторы из
специальной ударопрочной керамики для работы в жидком бетоне при коммутации энергии до 100 кДж, однако опыта работы с большей энергетикой у них
нет. Изолятор подвергается не только ударной и электрической нагрузке, но и
радиационному воздействию излучения из канала разряда. Поэтому необходимо обеспечить экранировку изолятора от действия и ударной волны и излучения из канала разряда. Эту функцию в предлагаемой конструкции выполняет
рабочая часть электрода 1, формирующая акустическую и радиационную тень в
зоне изолятора.
В устройствах со стержневыми электродами изоляция высоковольтного
электрода должна выполняться монолитной, например, из полиэтилена высокого давления марки 15802-020.
96
M 18-24
300-400
1
2
3
4
5
6
7
Рис. 4.11. Конструкция электрода.
Следует отметить комплексность и многофакторность процесса формирования гидродинамического течения в ограниченном переменном объеме. Во
всех рассмотренных примерах имел место одиночный канал разряда, что облегчает анализ общих характеристик процесса.
Выводы
1. Расчетные исследования показали, что для получения наименьшего
давления ударной волны, при конструировании электрогидроимпульсных стендов для динамических испытаний вагонов необходимо отдавать приоритет конструкциям с наименьшим напряжением заряда конденсаторной батареи, максимальным разрядным промежутком, наибольшей индуктивностью и наименьшей
емкостью, разумеется, при обеспечении требуемых сил, получаемых с помощью парогазовой полости
2. Для снижения силового воздействия ударной волны предложено кон-
структивное решение, заключающееся в изменении русла гидродинамического
течения в разрядной камере.
3. Разработана конструкция электродов главного элемента камеры, кото-
рые определяют ее работоспособность как источника импульсного давления на
основе электрогидроимпульсного эффекта. Изолятор данных электродов экранирован от действия и ударной волны и излучения из канала разряда
97
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ХАРАКТЕРИСТИК НА МОДЕЛИ
УДАРНОГО ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНОГО СТЕНДА
5.1. Обоснование достоверности результатов
экспериментальных исследований и определение
требуемых значений параметров экспериментальной установки
Известно, что задачей исследований является определение того круга
свойств объекта, которые необходимы и достаточны для того, чтобы характеризовать объект на требуемом уровне точности. Эти свойства на практике и
должны быть измерены.
В сложных случаях, как в случае мощных электрогидроимпульсных установок, когда реальный объект или физическое явление не могут быть исследованы непосредственно или это исследование связано с большими трудностями
и затратами, прибегают к исследованиям на специально изготовленных моделях, подобных реальным объектам или явлениям, но более доступным для измерения. При этом выдвигается основное требование — подобие между реальным объектом (натурной установкой) и моделью. В рассматриваемом случае
речь идет о физическом подобии, так как в натурной установке и в модели протекают процессы одинаковой физической природы.
Из работ, посвященных вопросами подобия характеристик электрического разряда в жидкостях следует отметить [33, 50, 52]. Здесь рассматривалось
подобие разрядов с цилиндрическим каналом, причем для стабильности его
формы в начале разряда использовалась нихромовая проволочка диаметром
0,03 мм. Движение воды предполагалось изэнтропическим, канал считался однородным по длине и сечению, потерями на излучение пренебрегали. Подобие
силовых характеристик рассматривалось для первого полупериода разрядного
тока, так как амплитуда давления определяется в основном скоростью выделения энергии, которая максимальна в первом полупериоде.
При допущении, что скорость расширения канала не изменяется, а удельная проводимость постоянна
0
как по сечению, так и по длине l канала были
выведены следующие критерии подобия:
C
L
lП
LCc
l
П
cl
СU
П
3 2
2
0
1 0
0
2
00
3
;; ==
=
, (5.1)
98
где
0
— плотность воды в невозмущенном состоянии;
0
c
— скорость звука в воде в невозмущенном состоянии.
Из данных критериев следует, что для обеспечения подобия характеристик в одной и той же жидкости при увеличении длины канала в «m» раз необходимо величину емкостной батареи увеличить в «m2» раз ее начальное напряжение в
m
раз, сохранив индуктивность разрядного контура неизменной.
Так как давление определялось в акустическом приближении при пренебрежении диссипативными процессами, т. е. рассматривались слабые ударные
волны на небольшом удалении от оси канала, для мощных медленных разрядов
данные критерии вряд ли применимы.
Уравнения (5.1) справедливы только в отсутствие влияния магнитного
поля разрядного тока на плазму канала, если это магнитное поле велико (в случае мощных разрядов), то в число размерных постоянных, определяющих процесс, необходимо включить магнитную постоянную
0
. Тогда критериев подо-
бия будет четыре:
L
l
П
CL
l
c
П
LCc
l
П
Ll
U
c
1
П
04 3 2
2
0
1
=
==
= ;
1
;;
2/12/32
00
0
4
00
. (5.2)
где
1
П
— отвечает за динамические характеристики канала (скорость стенки,
давление, температуру и т. п.);
2
П
— характеризует длину разрядного канала как излучателя ударной
волны;
3
П
— электрические характеристики;
4
П
— отношение магнитного давления к кинетическому.
Из анализа критериев (5.1), (5.2) вытекает, что в общем случае строгого
подобия в одной и той же жидкости достичь невозможно. Однако, если система
обладает определенным видом симметрии, положение упрощается. Например,
для случая цилиндрической симметрии, критерий
2
П
вырождается (
1=
2
П
), и
условие подобия для двух систем записывается следующим образом:
1
2
1
2
01
02
1
2
C
C
L
L
U
U
l
l
===
. (5.3)
Если имеем дело с системой со сферической симметрией, то условие гидродинамического подобия, согласно работе [62], выглядит так:
99
1
2
2/3
1
2/3
2
2
01
2
02
C
C
L
L
U
U
==
. (5.4)
В работе [33] приведен следующий критерий подобия электрических и
гидродинамических характеристик канала плазмы:
2
0
A
П
E LC
=
, где
0
E
—
начальная напряженность на разрядном промежутке (
0
0
U
E
l
=
),
LC
— дли-
тельность первого полупериода тока при короткозамкнутом промежутке, A, так
называемая, искровая постоянная, характеризующая степень ионизации и температуру плазмы, подвижность и потенциал ионизации атомов.
Искровая постоянная рассчитывается по формуле:
0
0
1
1,5 1
i
e
kT e U
x
A
e
++
=
, (5.5)
где x — степень ионизации плазмы;
k
— постоянная Больцмана;
0
e
— заряд электрона;
i
U
— потенциал ионизации;
e
— подвижность. При изменении температуры в диапазоне от
4
101
К
до
4
103
А изменяется в диапазоне от
5
1022,0
2
2
м
сВ
до
5
104,1
2
2
м
сВ
.
Использование искровой постоянной предполагает, что в электрогидроимпульсных процессах, протекающих в натурной и модельной установках, крутизна мощности на единицу длины канала должна отличаться не более чем на
порядок, так как в противном случае будет наблюдаться значительное расхождение по температуре плазмы каналов в натурной и модельных установках. В
связи с этим величину А нельзя считать постоянной.
Обобщая вышеприведенную информацию, можно прийти к выводу, что
соблюдение полного подобия между натурной и модельной установками трудоемкая, а порой неосуществимая операция. К тому же, как правило, при решении конкретных научно-исследовательских задач требуется получение достоверных результатов экспериментов по отдельным характеристикам того или
иного процесса. В связи со сказанным можно потребовать от модельной установки соблюдения подобия в частном, например в гидродинамическом смысле.
100
Руководствуясь этим требованием, и учитывая, что канал разряда из-за малости
межэлектродного промежутка, как в натурной, так и в модельной установках,
будет иметь сферическую симметрию, воспользуемся условием гидродинамического подобия (5.3).
Принимая во внимание, что параметры натурной установки (снабжены
нижним индексом 1) были определены в главах 2, 3, а именно, U
01
= 35 кВ,
С
1
= 10
-3
Ф, L1 = 10
-3
Гн, определим требуемые значения основных параметров
модельной установки (снабжены нижним индексом 2).
Предварительно задаемся численным значением разрядного напряжения
модельной установки, оно равно
6 кВ
.
Из соотношения
2
02
2
2
1
01
U
C
C
U
=
получаем
( )
( )
6-
10
U
U
СС =
==
−
4,29
1035
106
10
2
3
2
3
3
2
01
2
02
12
Ф.
С учетом емкостей типовых конденсаторов (батарея из четырех конденсаторов каждый емкостью 100 мкФ, емкость батареи — 25 мкФ) откорректированное значение напряжения на конденсаторной батарее модельной установки
равно 6,32 кВ.
По соотношению
3
2
2
02
2
23
2
01
1
U
L
U
L
=
определяется значение индуктивности раз-
рядного контура модельной установки:
( )
( )
5
3/2
2
3
2
3
3
3/2
2
01
2
02
12
1054,8
1035
1053,5
10
−−
=
=
=
U
U
LL
Гн. (5.6)
5.2. Разработка конструкции и изготовление
модели электрогидроимпульсной установки
При изготовлении экспериментальной установки, предназначенной для
исследования электрогидравлического эффекта, за основу была принята схема
ГИТ с одним разрядником (рис. 5.1). Модель представляет собой цилиндрическую камеру с поршнем.
Установка состоит из четырёх блоков:
1. Блок питания.
Блок питания (рис. 5.2) служит для преобразования напряжения до необ-
ходимых параметров, и состоит из повышающего трансформатора (Т1), умножителя напряжения [69, 70] и ограничительного сопротивления (R1). Использу-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]