RU2796207C1 - Способ исследования кавитационных явлений в технологических жидкостях и стенд для его осуществления - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к области исследования гидродинамики жидкостей, и предназначена для исследования кавитационных эффектов. Стенд содержит блок создания давления (БСД) на исследуемую технологическую жидкость, блок трубной обвязки (БТО) и блок обнаружения кавитации (БОК). При этом БСД содержит гидравлический насос (1), снабженный частотно-регулируемым приводом (2), и гидроцилиндр (3) с двумя полостями, разделенными подвижным поршнем (4), одна полость (5) которого выполнена с возможностью заполнения ее исследуемой технологической жидкостью (ТЖ), а вторая полость (7) выполнена с возможностью подачи в нее через линию (8) рабочей среды гидравлического насоса (1). БТО включает участок (8) и напорную линию (10), а также измерительную линию (ИЛ) (11) и сливной патрубок (12), гидравлически соединенный с емкостью (13) для слива исследуемой жидкости. ИЛ (11) снабжена кавитатором (К) (14), выполненным в виде сужающегося канала. В зоне размещения К (14) установлен БОК, который выполнен в виде фотоумножителя (15) со считывающим устройством (16), обеспечивающим возможность регистрации явлений соно- и гидролюминесценции в интервале видимого излучения, возникающих в исследуемой жидкости при ее прохождении через К (14). Согласно способу, ТЖ заливается в правую часть гидроцилиндра (3). С помощью гидравлического насоса (1) в левой полости (7) гидроцилиндра создается давление, которое через поршень (4) воздействует на ТЖ в полости (5), которая, в свою очередь, под давлением пропускается через напорный участок (10) трубопровода, далее через измерительную линию (11) и через К (14). С помощью фотоумножителя (15) с подключенным к нему счетным устройством (16) в исследуемой жидкости, проходящей под давлением в К (14), фиксируются явления соно- или гидролюминесценции в интервале видимого излучения. Технический результат - обеспечение возможности исследования кавитационных явлений, проявляющихся в не агрессивных к металлическим поверхностям технологических жидкостях с широкой номенклатурой физическо-химических свойств, а именно с вязкостью от 1,3 до 950 мм²/с и с плотностью от 0,82 до 1,15 г/см³, в широком диапазоне давлений от 1 до 250 атм. 2 н. и 6 з.п. ф-лы; 1 табл., 1 ил.

Description

Группа изобретений относится к области исследования гидродинамики жидкостей, и предназначена для исследования кавитационных эффектов, в частности, регистрации фактического возникновения кавитации при определенном давлении в технологических жидкостях, обладающих широким спектром физическо-химических характеристик.

Технологические жидкости - это рабочие (технические) жидкости, которые используются для обеспечения выполнения машинами, механизмами и другим оборудованием своих функций.

Предлагаемые технические решения предназначены для прогнозирования свойств технических жидкостей применительно к узлам и деталям систем высокого давления в процессе эксплуатации с целью предотвращения возникновения в технических жидкостях, используемых в этих системах, кавитационных явлений, отрицательно влияющих, например, на прочность рабочих поверхностей указанного оборудования.

Технические жидкости, в которых проявляются кавитационные эффекты, широко используются в гидравлических приводах; в топливных системах высокого давления; в наземных, водных и воздушных транспортных средствах; в космической технике; в технологии гидроразрыва пласта при добыче нефти; в жидкостных системах охлаждения, и в других механизмах, в которых используются жидкости при высоких давлениях.

Под кавитационными понимают эффекты, которые возникают при течении жидкостей под высокими давлениями через золотниковые и струйные распределители, плунжерные пары и другие узкие каналы. Эти эффекты могут вызывать деструкцию технических жидкостей, образование сгустков, а также повреждение рабочих поверхностей механизмов.

Кавитация может возникать в гидродинамических системах, если в гидродинамическом потоке падает давление текучей среды. Падение давления вызывает появление маленьких пузырьков в гидродинамическом потоке. Пузырьки могут схлопываться, если давление повышается. Схлопывание может вызывать повреждение материала, находящегося в непосредственной близости от схлопывающегося пузырька, и эрозию материала в области стенок.

Статистика показывает, что 70-80% случаев выхода из строя гидравлических систем и до 90% поломок подшипников вызваны загрязнением инородными частицами, нерастворимыми продуктами износа проточных частей и деструкцией гидравлического масла.

Однако кавитация в некоторых случаях несет и положительные результаты, например, при обработке топлива. Во время кавитационной обработки топливо дополнительно очищается и перераспределяется соотношение фракций в сторону более легких. Эти изменения обеспечивают более полное сгорание топлива и уменьшение массовой доли загрязняющих веществ. Кавитационные процессы имеют высокую разрушительную силу, которую используют для дробления твердых веществ, которые находятся в жидкости.

Приведенные примеры отражают только часть возможных случаев использования кавитации, свидетельствуя о необходимости теоретического и экспериментального исследования кавитационных явлений с целью их эффективного практического применения.

Известен ряд технических решений, основанных на использовании явление кавитации как в жидкостях, так и учитывающих воздействие этого явления на оборудование, в котором в качестве рабочей среды используются эти жидкости.

Существует способ (патент РФ №2284437) возбуждения кавитации в жидкой среде, заключенной в замкнутый объем, путем создания чередующихся растягивающих и сжимающих напряжений в режиме циклической нагрузки, создаваемой изменением этого объема. Причем изменение этого объема производят путем пропускания через жидкость переменного электрического тока, частота которого больше частоты приложения циклической нагрузки, по меньшей мере, в четыре раза.

Недостатками указанного известного способа являются отсутствие возможности регулировки давления, так как генерация кавитации обеспечивается пропусканием электрического тока, а также ограниченная номенклатура жидкостей, пригодных для исследования.

Также известен способ определения концентрации ядер кавитации жидкости в кавитационном режиме (патент РФ №2256895), который включает регистрацию критического давления кавитации в трубке с пережатием. Причем в проточной части трубки с пережатием при установлении кавитационного режима запирания расхода в зоне разрежения, измеряется величина критического давления кавитации и расход жидкости, по которому определяют ее скорость в горловине трубки. Полученную величину критического давления кавитации относят к давлению насыщенного пара перекачиваемой жидкости, после чего вносят на предварительно построенный расчетный график зависимости относительной величины критического давления от критической скорости потока в горловине канала в момент установления режима запирания при различной концентрации ядер кавитации. Путем интерполяции определяют искомую концентрацию ядер кавитации перекачиваемой жидкости.

Недостатки данного известного способа заключаются в сложном и неточном определении интенсивности кавитационных явлений и в обеспечении лишь узкого диапазона регулирования давления жидкости.

Известен способ определения кавитационных характеристик насоса через определение этих характеристик у рабочей жидкости - масла, которая обеспечивает функционирование этого насоса (патент РФ №2244855), заключающийся в том, что формируется замкнутый гидравлический контур, через который гидравлическим насосом прокачивают рабочую жидкость, на входе и выходе из насоса измеряется давление и температура, и расход жидкости, а затем по предложенным формулам вычисляют напор насоса и кавитационный запас прочности. Недостатками известного решения являются то, что в качестве рабочей жидкости можно использовать только масло, так как оно прокачивается гидравлическим насосом, т.е. ограничена номенклатура исследуемых жидкостей; метод преимущественно позволяет исследовать кавитационную прочность рабочих поверхностей гидросистемы, а не свойства самих жидкостей; отсутствует регистрация фактического возникновения кавитации.

Известен стенд для исследования стационарных процессов в трубопроводных гидротранспортных установках и стенд для его осуществления, по сути, эффективного действия кавитационных колебаний жидкости, включающий герметичную кавитационную трубу, кавитатор, средство изменения критического сечения кавитатора, насос, связанный всасывающей магистралью с зумпфом, заполненным жидкостью, а нагнетательной - с кавитатором, дроссель-регулятор, установленный на линии сброса жидкости из герметичной кавитационнной трубы в зумпф, и датчики давления жидкости, расположенные на различном удалении от кавитатора в герметичной кавитационной трубе, на участках заполнения ее жидкостью (Патент РФ №1346541).

Известный стенд позволяет оценивать кавитационные силы, проявляющиеся в виде мгновенно меняющихся перепадов давлений, изменений температур, интенсивном перемешивании от действия ударных волн и микропотоков. Недостатком известного стенда является узкий диапазон регулирования давления жидкости, возможности применения лишь узкого спектра жидкостей, в частности, гидросмеси с различной дисперсностью частиц.

Также известна экспериментальная установка в виде замкнутого трубопровода, использованная при экспериментальном моделировании процессов окисления соединений железа в условиях низконапорной гидродинамической кавитации (статья М.Р. Сизых и др. «Кавитационная активация процессов обезжелезивания природных подземных вод», Журнал Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2018. - №12 (часть 1) - с. 9-14; https://applied-research.ru/ru/article/view?id=12512). Указанная установка состоит из центробежного многоступенчатого насоса Grundfos CRNE-15, снабженного преобразователем частоты, бака-усреднителя объемом 7 л, в котором поддерживалась термостатом постоянная температура 20°С, линию для интенсивного и быстрого перемешивания исследуемого раствора, напорную линию, включающую генератор кавитации, снабженный форсункой из фторопласта, которая размещена в проходном штуцере с плечиками и манометр. При работе установки исследуемый рабочий раствор из бака-усреднителя насосом по напорной линии направляется в генератор кавитации, где развивается кавитация за счет формирования области пониженного давления. Все элементы установки выполнены из материалов, стойких к агрессивным средам. Однако, указанная установка не лишена следующих недостатков, а именно: данная установка имеет конкретное прикладное значения обезжелезивания природных подземных вод, путем кавитационной активации процессов окисления железа (II) пероксидом водорода. Данная установка не предназначена для проведения лабораторных исследований воздействия кавитации на технические жидкости и лишена возможностей регистрации данного явления.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ исследования кавитационных явлений в технологических жидкостях, включающий воздействие на исследуемую технологическую жидкость заданным давлением, нагнетание указанной жидкости под давлением по напорной линии через кавитатор и фиксацию явления кавитации в исследуемой жидкости (Статья: А.Ю. Радзюк и др. «Модернизация кавитационного стенда для исследования двухфазных режимов течения», журнал Сибирского федерального университета «Инженерия и Технология», 2019, 12(4), с. 468-475; https://cyberleninka.ru/article/n/modemizatsiya-kavitatsionnogo-stenda-dlya-issledovaniya-dvuhfaznyh-rezhimov-techeniya/viewer).

Однако, указанный известный способ характеризуется следующими недостатками, а именно узкий диапазон рабочих давлений, в свою очередь ограниченная номенклатура применяемых жидкостей; отсутствие каких-либо технических средств для регистрации возникновения кавитационных явлений, что ухудшает качество проводимых исследований.

Из указанного источника информации также известна конструкция стенда для исследования кавитационных явлений в технологических жидкостях, принятая за наиболее близкий аналог, включающая блок создания давления на исследуемую технологическую жидкость, блок трубной обвязки, напорный участок которой снабжен манометром, и блок обнаружения кавитации (Статья: А.Ю. Радзюк и др. «Модернизация кавитационного стенда для исследования двухфазных режимов течения», журнал Сибирского федерального университета «Инженерия и Технология», 2019, 12(4), с. 468-475). Указанный известный стенд представляет собой замкнутый гидродинамический контур. При этом блок создания давления в этом стенде включает емкость исследуемой жидкости, которая трубопроводом соединена с насосом. Далее посредством напорного трубопровода жидкость проходит через хойнекомб длиной 300 мм, представляющий собой набор трубок меньшего диаметра, поступает в ресорбер, затем - в измерительную линию с кавитатором и далее снова на насос. При этом в качестве кавитатора используют диффузор и усеченный конус, которые установлены на измерительной линии внутри прозрачной трубки, выполняющей функцию блока обнаружения кавитации. Посредством этой трубки визуально устанавливают наличие/отсутствие кавитации.

Указанный известный стенд не позволяет проводить исследования технологических жидкостей широкой номенклатуры, т.к. эти жидкости пропускаются через насос, а для его работы существуют ограничения в плане использования определенного типа рабочей среды (можно использовать только определенные типы масел).

Кроме того, известный стенд позволяет проводить исследования только в узком диапазоне регулирования давления жидкости, т.к. отсутствует система регулировки частоты вращения электродвигателя циркуляционного насоса; конструкция стенда не рассчитана на большие давления (например, на рабочие давления гидравлических масел ~250 атм.)

Единый технический результат, достигаемый предлагаемой группой изобретений, заключается в обеспечении возможности исследования кавитационных явлений, проявляющихся в не агрессивных к металлическим поверхностям технологических жидкостях с широкой номенклатурой физическо-химических свойств, а именно, с вязкостью от 1,3 до 950 мм²/с и с плотностью от 0,82 до 1,15 г/см³, в широком диапазоне давлений от 1 до 250 атм.

К указанным типам технологических жидкостей относятся, например, все виды моторных, трансмиссионных, гидравлических, вакуумных, трансформаторных и подобных масел; растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ); топливные смеси и другие.

Поставленный технический результат достигается предлагаемым способом исследования кавитационных явлений в технологических жидкостях, включающим воздействие на исследуемую технологическую жидкость заданным давлением, нагнетание указанной жидкости под давлением по напорной линии через кавитатор и фиксацию явления кавитации в исследуемой жидкости, при этом новым является то, что воздействие на исследуемую технологическую жидкость заданным давлением производят посредством блока создания давления, состоящего из гидравлического насоса, снабженного частотно-регулируемым приводом, и гидроцилиндра с двумя полостями, разделенными подвижным поршнем, одна полость которого выполнена с возможностью заполнения ее исследуемой технологической жидкостью, а вторая выполнена с возможностью подачи в нее рабочей среды гидравлического насоса; нагнетание исследуемой жидкости под давлением по напорной линии через кавитатор производят посредством напорного участка, вход которого гидравлически соединен с полостью гидроцилиндра, предназначенной для исследуемой жидкости, а выход - с измерительной линией, снабженной кавитатором, выполненным в виде сужающегося канала; а фиксацию явления кавитации в исследуемой жидкости осуществляют посредством блока обнаружения кавитации, выполненного в виде фотоумножителя со считывающим устройством, обеспечивающим возможность регистрации явлений соно- и гидролюминесценции в интервале видимого излучения, возникающего в исследуемой жидкости при ее прохождении через кавитатор.

Единый технический результат также достигается заявляемым стендом для исследования кавитационных явлений в технологических жидкостях, включающим блок создания давления на исследуемую технологическую жидкость, блок трубной обвязки, кавитатор и блок обнаружения кавитации, при этом новым является то, что блок создания давления на исследуемую технологическую жидкость содержит гидравлический насос, снабженный частотно-регулируемым приводом, и гидроцилиндр с двумя полостями, разделенными подвижным поршнем, одна полость которого выполнена с возможностью заполнения ее исследуемой технологической жидкостью, а вторая выполнена с возможностью подачи в нее рабочей среды гидравлического насоса; блок трубной обвязки включает напорный участок гидравлического насоса, напорный участок измерительной линии, измерительную линию, снабженную кавитатором, выполненным в виде сужающегося канала, и сливной патрубок, соединенный с емкостью для слива жидкости; при этом блок обнаружения кавитации выполнен в виде фотоумножителя со считывающим устройством, обеспечивающим возможность регистрации явлений соно- и гидролюминесценции в видимом интервале излучения, возникающего в исследуемой жидкости при ее прохождении через кавитатор.

В преимущественном варианте исполнения стенда:

- в качестве кавитатора он содержит трубку Вентури, или узкий канал с фиксированным сечением произвольной формы.

- канал, выполняющий функцию кавитатора, имеет сужающуюся геометрию с диаметрами торцов в пределах 0,3-3 мм.

- напорный участок измерительной линии снабжен прибором для регистрации величины давления.

- он содержит гидравлический насос высокого давления.

- в качестве частотно-регулируемого привода гидравлического насоса он содержит электродвигатель с блоком регулировки оборотов вращения.

- позволяет исследовать широкий класс жидкостей, таких как все виды моторных, трансмиссионных, гидравлических, вакуумных, трансформаторных и подобных масел; растворы поверхностно-активных веществ; топливные смеси.

Указанный технический результат достигается за счет следующего.

При реализации предлагаемого способа с использованием заявляемого стенда применяется новый принцип исследования технических жидкостей на кавитационную стабильность, что обеспечит лабораторные испытания поведения жидкостей, близкие к реальным условиям эксплуатации с варьированием в широком диапазоне рабочего давления, и сократит временные затраты по определению критических кавитационных режимов.

Благодаря выполнению предлагаемого стенда в виде разомкнутого гидродинамического контура (в противовес прототипу, где гидродинамический контур выполнен замкнутым), появилась возможность проводить исследования широкого номенклатурного ряда технических жидкостей, как органической, так и неорганической природы, с широким спектром физико-химических свойств, а именно, с вязкостью от 1,3 до 950 мм²/с и с плотностью от 0,82 до 1,15 г/см³. Это обусловлено тем, что, согласно предлагаемого способа, исследуемая жидкость не прокачивается через насосное оборудование, а автономно закачивается в полость гидроцилиндра, конструктивно выполненного с двумя полостями, разделенными подвижным поршнем. При этом одна его полость гидравлически связана с насосом, а вторая выполнена с возможностью заполнения исследуемой жидкостью. Изменяя объем указанных полостей за счет подвижного поршня, можно добиться воздействия на исследуемую жидкость давлением в широком диапазоне от 1 до 250 атм., например, если при перемещении поршня увеличивать объем полости, заполняемой рабочей средой гидравлического насоса, и соответственно уменьшать объем полости, заполненной исследуемой жидкостью, то возможно обеспечивать высокое давление, оказываемое на жидкость. А при обратном действии давление, оказываемое на жидкость, будет уменьшаться вплоть до атмосферного.

Пропускание технологической жидкости под большим давлением через узкий (сужающийся) канал, выполняющий роль кавитатора, позволяет максимально приблизить лабораторные исследования к реальным условиям эксплуатации.

Благодаря наличию в предлагаемом стенде блока трубной обвязки, которая включает напорный участок гидравлического насоса, напорный участок измерительной линии, измерительную линию, снабженную кавитатором, выполненным в виде сужающегося (узкого) канала, и сливной патрубок, соединенный с емкостью для слива жидкости, обеспечивается возможность увязать все конструктивные узлы и детали стенда в единую работоспособную схему. При этом напорный участок гидравлического насоса обеспечивает его гидравлическую связь с полостью гидроцилинда. Выход напорного участка трубопровода соединен с полостью гидроцилиндра, в которой находится исследуемая жидкость, а второй конец напорного участка соединен с измерительной линией, снабженной кавитатором, выполненным в виде узкого канала, преимущественно, диаметром 0,6 мм (но не ограничиваясь только этой величиной. Узкий канал, выполняющий функцию кавитатора, имеет сужающуюся геометрию с диаметрами торцов преимущественно в пределах 0,3-3 мм).

Второй конец измерительной линии соединен со сливным патрубком, гидравлически соединенным с емкостью для слива исследуемой жидкости.

В качестве кавитатора может быть использована, например, трубка Вентури, которая может быть оборудована съемными втулками, изменяющими критическое сечение кавитатора, или может быть использован узкий канал фиксированного круглого сечения, или узкий канал с фиксированным сечением произвольной формы.

Благодаря тому, что предлагаемые технические решения снабжены блоком обнаружения кавитации, который выполнен в виде фотоумножителя со считывающим устройством, обеспечивающим возможность регистрации явлений соно- и гидролюминесценции в интервале видимого излучения, возникающего в исследуемой жидкости при ее прохождении через кавитатор. (практически это происходит в интервале излучения 400-700 нм, возникающих в исследуемой технической жидкости, характеризующейся вышеуказанными физико-химическими параметрами, при ее прохождении через кавитатор), обеспечивается получение объективных данных о наличии кавитации (в то время как в прототипе применяют метод субъективного визуального обнаружения кавитации), что не только повышает точность фиксации кавитационных процессов в исследуемой жидкости, но и снижает временные затраты на проведение исследований, а также не требует привлечения специалистов высокой квалификации.

Опытным путем было установлено, что предлагаемая группа изобретений применима для технологических жидкостей с вязкостью от 1,3 до 950 мм²/с и с плотностью от 0,82 до 1,15 г/см³, в широком диапазоне давлений от 1 до 250 атм. и кавитационные процессы в них проявляются тогда, когда посредством фотоумножителя со считывающим устройством регистрируются в этих жидкостях при прохождении их через кавитатор, явления соно- и гидролюминесценции в интервале видимого излучения: («видимое излучение - это электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом, которые занимают участок спектра с длинами волн приблизительно от 380 нм (фиолетовый) до 780 нм (красный). Такие волны занимают частотный диапазон от 400 до 790 терагерц»; https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/234206). Отсутствие сигнала, регистрируемого фотоумножителем, говорит об отсутствии кавитационных явлений в исследуемой жидкости при заданных параметрах исследования.

Таким образом, индикатором возникновения кавитации в предлагаемых технических решениях служит регистрация с помощью фотоумножителя явлений соно- и гидролюминесценции в видимом интервале излучения при прохождении жидкостей через узкий канал (кавитатор).

Следует пояснить, что в жидкостных кавитационных системах, наблюдается явление сонолюминесценция. Это явление связано с излучением света схлопывающимися кавитационными пузырьками при определенных условиях, причем возникающая в результате ударная волна внутри схлопывающегося пузыря создает температуру внутри пузыря, вызывающую излучение света, которое коррелирует с излучением черного тела внутри пузыря. Излученный свет, испускаемый сонолюминесценцией, может находиться в видимом диапазоне, и это излучение можно уловить посредством фотоумножителя со считывающим устройством.

Гидролюминесценция - это явление эмиссии света в погранслое с большим градиентом давления вблизи стенки канала при покачивании этой жидкости под высоким давлением через данный узкий канал. Данное испускание света так же фиксируется фотоумножителем.

Благодаря использованию в предлагаемом способе и стенде в качестве индикатора возникновения в жидкости кавитационных явлений объективного показателя сонолюминесценции или гидролюминесценции, был получен вывод о принципиальной возможности создания эффекта кавитации в конкретной технологической жидкости при установленных величинах давления, что обеспечивает условия, близкие к эксплуатационным условиям использования этой жидкости в системах высокого давления.

В преимущественном варианте исполнения конструкция заявляемого стенда может содержать установленные на напорном участке запорную арматуру (для отключения потока исследуемой жидкости) и гидроаккумулятор (это сосуд, работающий под давлением, который позволяет накапливать энергию сжатого газа или пружины и передавать ее в гидросистему потоком жидкости, находящейся под давлением, «Википедия»).

Выбор в качестве гидравлического насоса - насоса высокого давления, например, шестеренчатого гидравлического насоса, а в качестве его привода -электродвигателя с блоком регулировки оборотов вращения, например, асинхронного электродвигателя, обусловлено доступностью этого оборудования и их простотой обслуживания. Однако в конструкции заявляемого стенда может быть использовано и другое оборудование данного предназначения.

Таким образом, благодаря совокупности признаков предлагаемых технических решений обеспечивается возможность исследования кавитационных явлений, проявляющихся в не агрессивных к металлическим поверхностям технологических жидкостях с широкой номенклатурой физическо-химических свойств, а именно, с вязкостью от 1,3 до 950 мм²/с и с плотностью от 0,82 до 1,15 г/см³, в широком диапазоне давлений от 1 до 250 атм.

Данные, получаемые при реализации предложенного способа, позволят, например, прогнозировать свойства различных технических жидкостей применительно к узлам и деталям систем высокого давления в процессе эксплуатации, и рекомендовать к практическому использованию только те из них, которые не вызовут явлений кавитации, а значит не приведут к негативным эффектам в отношении прочности и долговечности работы оборудования.

Следует подчеркнуть, что указанная совокупность признаков в формуле изобретения находится в конструктивном единстве для предлагаемого стенда, и исключение хотя бы одного из них нарушит это единство, т.к. представляет собой один объект в виде единой конструкции, конструктивные элементы которой соединены, сочленены между собой и в соединении обеспечивают реализацию предлагаемым стендом общего функционального назначения при лабораторных исследованиях, т.е. исследования кавитационных явлений в технологических жидкостях.

Таким образом, каждое техническое решение из предлагаемой группы изобретений характеризуется совокупностью взаимообусловленных признаков, которые все участвуют в обеспечении достижения технического результата, т.к. этот результат проявляется только при использовании этого технического решения в целом.

Предлагаемый стенд иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 представлена его схема для регистрации и исследования воздействия кавитационных эффектов на технические жидкости. Указанный стенд содержит блок создания давления на исследуемую технологическую жидкость, блок трубной обвязки и блок обнаружения кавитации. При этом блок создания давления на исследуемую технологическую жидкость содержит гидравлический насос (1), снабженный частотно-регулируемым приводом (2), и гидроцилиндр (3) с двумя полостями, разделенными подвижным поршнем (4), одна полость (5) которого выполнена с возможностью заполнения ее посредством горловины (6) исследуемой технологической жидкостью, а вторая полость (7) выполнена с возможностью подачи в нее через линию (8) рабочей среды гидравлического насоса (1) из бака (9).

Блок трубной обвязки заявляемого стенда включает участок (8) трубопровода и напорную линию (10) трубопровода, а также измерительную линию (11) и сливной патрубок (12), гидравлически соединенный с емкостью (13) для слива исследуемой жидкости. Измерительная линия (11) снабжена кавитатором (14), выполненным в виде сужающегося канала (например, в виде узкой трубки, или в виде трубки Вентури, оборудованной съемными втулками, изменяющими критическое сечение кавитатора, или в виде узкого канала фиксированного круглого сечения, или узкий канал с фиксированным сечением произвольной формы). В зоне размещения кавитатора (14) установлен блок обнаружения кавитации, который выполнен в виде фотоумножителя (15) со считывающим устройством (16), обеспечивающим возможность регистрации явлений соно- и гидролюминесценции в интервале видимого излучения, возникающих в исследуемой жидкости при ее прохождении через кавитатор (14). В качестве фотоумножителя со считывающим устройством может быть использован, например, фотоумножитель Photon counting heads H12386-01, регистрирующий излучение в интервале длин волн 230-870 нм, с разрешающей способностью 20 нс.

Все оборудование, используемое в конструкции заявляемого стенда, является традиционным, широко известным специалистам в области исследования гидродинамики жидкостей.

Сущность предлагаемого способа поясняется работой заявляемого стенда. Исследуемая жидкость, через горловину (6) заливается в правую часть (фиг. 1) по схеме гидроцилиндра (3), при этом поршень (4) перемещен в крайнее левое положение для увеличения объема полости (5), заполняемой исследуемой жидкостью. После чего горловина (6) герметично закрывается. С помощью гидравлического насоса (1), приводимого в движение частотно-регулируемым приводом, в качестве которого, например, может быть асинхронный электродвигатель (2), в левой полости (7) гидроцилиндра создается давление, которое через поршень (4) воздействует на исследуемую жидкость в полости (5), которая в свою очередь под давлением пропускается через напорный участок (10) трубопровода, далее через измерительную линию (11) и через кавитатор (14), например, выполненный в виде узкого канала диаметром в 0,6 мм, после чего через сливной патрубок (12) сливается в емкость (13). При этом с помощью фотоумножителя (15) с подключенным к нему счетным устройством (16) в исследуемой жидкости, проходящей под давлением в узком канале (кавитаторе), фиксируются явления соно- или гидролюминесценции в интервале видимого излучения. Фиксация данных явлений в указанном интервале свидетельствует о возникновении кавитации в исследуемой жидкости. С помощью частотного регулятора (17) задается давление в исследуемой жидкости от 1 до 250 атм., которое фиксируется с манометром (18). Гидроаккумулятор (19) мембранного типа позволяет, например, компенсировать некоторые колебания давления, тем самым повысить качество проводимых исследований. Жидкость, пропущенная через узкий канал (14), выполняющий роль кавитатора, может быть исследована различными лабораторными способами с целью оценки воздействия кавитационных эффектов.

В ходе лабораторных испытаний на предлагаемом стенде, с кавитатором диаметром в виде узкой трубки диаметром 0,6 мм и длиной 5 мм, были проведены испытания предлагаемым способом ряда технологических жидкостей с целью обоснования существенности режимов заявляемого способа. Данные, полученные в ходе указанных исследований, приведены в таблице 1.

Данные, приведенные в таблице 1, показывают, что предложенный метод и конструкция лабораторного стенда применимы к техническим жидкостям с вязкостью в интервале 1,3 до 950 мм²/с и плотности от 0,82 до 1,15 г/см³ и с обеспечением давления до 250 атм.

Предложенный способ и конструкция лабораторного стенда позволяет исследовать кавитационные явления для большинства известных технических жидкостей, так как при помощи гидроцилиндра исследуемая жидкость не контактирует с гидравлическим насосом. И одновременно в свою очередь гидравлический насос, например шестеренчатый, позволяет создавать в исследуемой жидкости очень высокие показатели давления от 1 до 250 атм.

Проведение исследований заявляемым способом на предложенном лабораторном стенде позволяет:

- установить возникновение кавитации в конкретных технических жидкостях при определенном, установленном при лабораторных испытаниях, давлении;

- определить предельные критические условия эксплуатации исследованных жидкостей, т.е. например, такие давления при которых технологическая жидкость вследствие кавитации способна нарушать прочность поверхности оборудования;

- предложить методы снижения дистракционного влияния кавитации на технические жидкости и рабочие поверхности деталей систем путем изменения состава жидкостей, внесением специальных противокавитационных присадок.

Предложенный способ в совокупности с заявляемым лабораторным стендом позволяет выявить кавитационные явления и определить их параметры в технических жидкостях, тем самым определить эксплуатационные характеристики указанных жидкостей, что, в свою очередь, необходимо для разработки методологии для снижения негативного кавитационного воздействия на различные технические жидкости, а также на рабочие поверхности деталей и оборудования.

Пропускание жидкостей через узкий канал (кавитатор) под большим давлением позволяет максимально приблизиться к условиям эксплуатации исследуемых жидкостей, в отличие от большинства известных устройств, где для генерации кавитации используется ультразвук.

Claims (8)

1. Способ исследования кавитационных явлений в технологических жидкостях, включающий воздействие на исследуемую технологическую жидкость заданным давлением, нагнетание указанной жидкости под давлением по напорной линии через кавитатор и фиксацию явления кавитации в исследуемой жидкости, отличающийся тем, что воздействие на исследуемую технологическую жидкость заданным давлением производят посредством блока создания давления, состоящего из гидравлического насоса, снабженного частотно-регулируемым приводом, и гидроцилиндра с двумя полостями, разделенными подвижным поршнем, одна полость которого выполнена с возможностью заполнения ее исследуемой технологической жидкостью, а вторая выполнена с возможностью подачи в нее рабочей среды гидравлического насоса; нагнетание исследуемой жидкости под давлением по напорной линии через кавитатор производят посредством напорного участка, вход которого гидравлически соединен с полостью гидроцилиндра, предназначенной для исследуемой жидкости, а выход – с измерительной линией, снабженной кавитатором, выполненным в виде сужающегося канала; а фиксацию явления кавитации в исследуемой жидкости осуществляют посредством блока обнаружения кавитации, выполненного в виде фотоумножителя со считывающим устройством, обеспечивающим возможность регистрации явлений соно- и гидролюминесценции в интервале видимого излучения, возникающего в исследуемой жидкости при ее прохождении через кавитатор.

2. Стенд для исследования кавитационных явлений в технологических жидкостях, включающий блок создания давления на исследуемую технологическую жидкость, блок трубной обвязки, кавитатор и блок обнаружения кавитации, отличающийся тем, что блок создания давления на исследуемую технологическую жидкость содержит гидравлический насос, снабженный частотно-регулируемым приводом, и гидроцилиндр с двумя полостями, разделенными подвижным поршнем, одна полость которого выполнена с возможностью заполнения ее исследуемой технологической жидкостью, а вторая выполнена с возможностью подачи в нее рабочей среды гидравлического насоса; блок трубной обвязки включает напорный участок гидравлического насоса, напорный участок измерительной линии, измерительную линию, снабженную кавитатором, выполненным в виде сужающегося канала, и сливной патрубок, соединённый с ёмкостью для слива жидкости; при этом блок обнаружения кавитации выполнен в виде фотоумножителя со считывающим устройством, обеспечивающим возможность регистрации явлений соно- и гидролюминесценции в видимом интервале излучения, возникающего в исследуемой жидкости при ее прохождении через кавитатор.

3. Стенд по п.2, отличающийся тем, что в качестве кавитатора он содержит трубку Вентури, или узкий канал с фиксированным сечением произвольной формы.

4. Стенд по п.2 или 3, отличающийся тем, что канал, выполняющий функцию кавитатора, имеет сужающуюся геометрию с диаметрами торцов в пределах 0,3-3 мм.

5. Стенд по п.2, отличающийся тем, что напорный участок измерительной линии снабжён прибором для регистрации величины давления.

6. Стенд по п.2, отличающийся тем, что он содержит гидравлический насос высокого давления.

7. Стенд по п.2 или 6, отличающийся тем, что в качестве частотно-регулируемого привода гидравлического насоса он содержит электродвигатель с блоком регулировки оборотов вращения.

8. Стенд по п.2, отличающийся тем, что позволяет исследовать широкий класс жидкостей, таких как все виды моторных, трансмиссионных, гидравлических, вакуумных, трансформаторных и подобных масел; растворы поверхностно-активных веществ; топливные смеси.

Images