Дискове гідрогальмо

Винахід стосується машинобудування і може бути використаний при іспиті двигунів різноманітних типів. Відоме гідрогальмо, що містить диск, розміщений усередині статора з малим осьовим зазором, торцеві стінки якого обладнані зливальними вікнами, зміна перетину яких здатна змінювати гальмуючий момент за рахунок зміни внутрішнього кільця рідини в камері гідрогальма (Л. Б. Євангулов. Деякі питання проектування та експлуатації гідрогальмівного динамометра. Робочі процеси теплових двигунів. М. Оборонвидат., 1962, с. 105). Дане гідрогальмо має достатньо широкий діапазон регулювання навантаження, проте, через високі значення окружної швидкості рідини у вузькому осьовому зазорі між обертовим диском і торцевою стінкою статора і, відповідно, високими напругами у прикордонному прошарку на нерухомій стінці статора гранична периферійна лінійна швидкість обертання диску обмежена значеннями 250 - 270 м/с. При більш високих значеннях лінійної швидкості ресурс подібного гідрогальма дуже обмежений. Відоме також гідрогальмо, що містить оребрений корпус, усередині якого на значному видаленні від внутрішніх стінок розташовані робочий диск і два паралельних площині диску екрани, спроможних переміщатися в осьовому напрямку і дві нерухомі діафрагми [Патент на винахід України № 6405 від 29 грудня 1994 р.]. При наближенні екранів до диску відбувається зниження гальмуючого ефекту ребер на швидкість обертання рідини в придисковій порожнині, остання при цьому зростає, відбувається утворення парового ядра в центральній зоні, зниження поверхні тертя, результатом чого і є зменшення гальмуючого моменту. При віддаленні екранів від диску, вплив ребер на робочий процес збільшується і гальмуючий момент зростає. Гальма подібної конструкції спроможні довгостроково працювати при значеннях лінійної швидкості до 350 -400 м/с. У залежності від положення екранів гальмо спроможне працювати по тій або іншій характеристиці, близькії до кубічної залежності N = k · n 3 , що відрізняються коефіцієнтом k, де - Ν - потужність, споживана гідрогальмом; - k-коефіцієнт; - n - частота обертання валу. Недоліком даної конструкції є неможливість зробити перенастроювання гідрогальма в процесі його роботи. При роботі гідрогальма на екрани діють дуже значні зусилля через .різницю тисків у гальмівній камері і придисковій порожнині, що призводить до виникнення істотних осьових зусиль на екранах, слідством чого є неможливість їхньої перекладки при працюючому гідрогальмі. В основу винаходу поставлена задача удосконалення дискового гідрогальма, у якому за рахунок переливних вікон між гальмівною камерою і придисковою порожниною, а також змінюваного перетину зливального патрубку забезпечується можливість зміни гальмуючого моменту в процесі роботи, розширення діапазону робочих режимів і тим самим поліпшення експлуатаційних характеристик гідрогальма. при зберіганні спроможності до тривалої експлуатації при високих значеннях окружної швидкості диску. Поставлена задача вирішується тим, що в дисковому гідрогальмі, який містить оребрений корпус, усередині якого знаходиться гладкий робочий диск, діафрагми і екрани, що розділяють гідрогальмо на гальмівну камеру і придискову порожнину, відповідно до винаходу екрани виконані нерухомими і прикріплені до корпусу за допомогою діафрагм, що мають розташовані по окружності переливні вікна, які зв'язують гальмівну камеру і придисковую порожнину, при цьому, усередині кожного вікна встановлені перепускні клапани. Крім того, у верхній частині гальмівної камери гідрогальма виконаний зливальний патрубок, у якому встановлений регулюючий зливальний клапан. Наявність у діафрагмах переливних вікон із встановленими в них перепускними клапанами дозволяє при роботі гідрогальма варіювати кількість води, що перепускається з гальмівної камери в придискову порожнину, за рахунок кількості відчиняємих клапанів або ступеню їхнього відкриття і, тим самим, змінювати гальмуючий момент у процесі роботи. Для розширення діапазону робочих режимів у верхній частині гальмівної камери гідрогальма виконаний зливальний патрубок, у якому встановлений регулюючий зливальний клапан, що змінює прохідний перетин гідрогальма, причому останній початкове спроектовано перерозміренним по прохідному перетину, що забезпечує мінімальний рівень тиску в гальмівній камері при повному відкритті зливального клапану. Таким чином, зміна перетину зливального патрубка, що визначає рівень тиску в гальмівній камері при постійній витраті води на вході в гідрогальмо у сукупності зі зміною прохідного перетину переливних вікон і варіюванням витрати живильної води, що визначає температурний режим, дозволяє забезпечити максимальний діапазон стабільних робочих режимів гальма при можливості зміни режиму роботи гальма в процесі роботи, що дуже актуально в разі потреби проведення іспитів двигунів, що працюють на перемінних навантаженнях при постійній частоті обертання валу. На кресленні зображений подовжній розтин гідрогальма. Гідрогальмо містить розташований на валі 1 робочий диск 2, розміщений усередині обладнаного ребрами 3 корпуса 4. Усередині корпусу, поблизу робочого диску, установлені нерухомі екрани 5, що утворюють придискову порожнину 6. Екрани 5 прикріплені до корпусу 4 за допомогою діафрагм 7, що утворюють із корпусом 4 гальмівну камеру 8 і мають розташовані по окружності переливні вікна 9, у кожному з який установлені перепускні клапани 10. Підвід проточної води до кореня робочого диска здійснюється за рахунок дифузорів 11. Зливання води, що відпрацювала, із гідрогальма провадиться через розташований у верхній частині гальмівної камери 8 зливальний патрубок 12, у якому встановлений регулюючий зливальний клапан 13. При роботі гідрогальма з мінімальним можливим навантаженням усі перепускні клапани 10 знаходяться у закритому положенні, зливальний клапан 13 цілком відкритий. При цьому до кореня диска 2 за допомогою дифузорів 11 підводиться тільки проточна вода, доступ води до кореня диска з гальмівної камери 8 закритий. За рахунок насосного ефекту обертового диска вода в придисковій порожнині відтіснюється на периферію і змочена поверхня диску має мінімальний розмір. Вода. що обертається в придисковій порожнині 6, передає імпульс воді, що заповнює гальмівну камеру 8, яка у свою чергу відчуває вплив ребер 3, що здійснюють перешкоду обертанню рідини в порожнині 8. Проте, унаслідок наявності насосного ефекту, що виникає в периферійній частині придискової порожнини 6 та перешкоджає надходженню води в придискову порожнину 6, ребра 3 роблять дуже незначний вплив на процес плину в придисковій порожнині 6. Таким чином, унаслідок наявності насосного ефекту в периферійній частині придискової порожнини 6 та неможливості надходження води з гальмівної камери 8 до кореня диску 2 через вікна 9, швидкість обертання води в придисковій порожнині 6 досягає свого максимально можливого значення. Підвищення швидкості обертання рідини в придисковій порожнині 6 призводить до зниження швидкісного напору в прикордонному прошарку на диску, що призводить до зниження моменту тертя диску. На додаток до зазначеного ефекту при достатньо високих значеннях кутової швидкості обертання води, у центральній зоні придискової порожнини 6 виникає і розвивається суперкавитуюча порожнина, заповнена насиченою парою, унаслідок чого знижується змочена поверхня диску 2 і знижується момент тертя диску. Повне відкриття зливального клапанна 13 призводить до зниження тиску в гальмівній камері 8, що також знижує надходження води в придискову порожнину 6 через її периферійну частину та вплив гальмуючого ефекту ребер 3 на навантаження гальма. Підвищення навантаження гідрогальма здійснюється шляхом відкриття перепускних клапанів 10 і зниження перетину зливального патрубка 12 за рахунок закриття зливального клапану 13. Вода, що обертається в гальмівній камері 8, відчуває гальмуючий вплив ребер З, через що кутова швидкість рідини в камері 8 істотно знижується в порівнянні з кутовою швидкістю води в придисковій порожнині 6 для випадку роботи гальма з мінімальним навантаженням. Вода з порожнини гальмівної камери 8 надходить до кореня диску 2 через вікна 9, що призводить до збільшення насосної роботи диску. Зниження прохідного перетину зливального патрубка 12 призводить до підвищення тиску в порожнині гальмівної камери 8 і придисковій порожнини б, що, у свою чергу веде до зниження і повного зникнення суперкавитуючої порожнини у центральній зоні коло маточини диска 2. Спільна дія перерахованих чинників забезпечує одержання максимального навантаження гідрогальма. Часткове відкриття перепускних клапанів 10 і зливального клапана 13 забезпечує роботу гідрогальма на режимах часткового завантаження. З погляду математичного опису робочого процесу гідрогальма можна призвести такі спрощені формули для уявлення про вплив ряду фізичних чинників на навантаження гідрогальма (Дисертація на конкурс ученого ступеня кандидата технічних наук «Розробка і дослідження регульованих дискових гідрогальм», МВТУ ім. Н.Э. Баумана, Москва, 1989,162с.) Для моменту тертя диску Мд = С м ´ r ´ (R 5 - R 5 ) ´ (w д - b ж )2 д п де: М д - момент тертя диску об воду (1) См - коефіцієнт тертя r - щільність води R д - зовнішній радіус диску Rп - вн утрішній змочений радіус диску (зовнішній радіус парової порожнини) w д - кутова швидкість обертання диску b ж - кутова швидкість обертання рідини, в якій обертається диск З урахуванням того, що внутрішній змочений радіус диску дорівнює зовнішньому радіусу суперкавитуючої порожнини, заповненої насиченою парою Rп , що виникає в центрі обертової рідини, доцільно також призвести таку спрощену формулу, одержувану з рівняння рівноваги обертової рідини з вільною поверхнею: [ ( Rп = R2 - 2 ´ (Р зов н - Р нп ) / r ´ b 2 ж k )] 0,5 (2) де: Rk - радіус кожуха, в якому обертається рідина Pзов н - зовнішній тиск на периферії обертової рідини Р нп - тиск насиченої пари усередині суперкавитуючої порожнини. Аналіз приведених формул показує, що вплив на навантажувальну характеристику гідрогальма можливо в приведеній конструкції здійснювати за допомогою такого ряду чинників: - змінюючи сумарну площу перепускних клапанів 10 можливо змінювати кількість імпульсу рідини в районі придискової порожнини j тим самим змінювати розмір b ж - кутової швидкості в порожнині 6, вплив якої на процес у гальмі приведено у формулах (1) і (2). При цьому можливо змінювати як витрату води, що підводиться до кореня диску, тим самим змінюючи насосну роботу диску, так і впливати на швидкість обертання води в придисковій порожнині b ж за рахунок зміни подачі в неї загальмованої води з гальмівної камери гідрогальма; - змінюючи положення зливальних клапанів 13 можливо управляти розміром тиску на зовнішній поверхні обертової рідини Pзов н 1 тим самим впливати на появу і розвиток суперкавитуючої порожнини (див. формулу (2). Зниження тиску за рахунок відкриття зливальних клапанів 13 призводить до підвищення розмірів суперкавитуючої порожнини, (зниженню навантаження гальма), а підвищення тиску в гальмівній камері 8 за рахунок закриття зливальних клапанів 13 призводить до росту суперкавитуючої порожнини, (підвищенню навантаження гальма); - змінюючи витрату живильної води, що підводиться до гідрогальма можливо змінювати температурний режим гідрогальма і, тим самим, змінювати розмір тиску насиченої пари Pнр , вплив чого також приведено у формулі (2). Зміна витрати живильної води за допомогою зміни температурного режиму гідрогальма веде до зміни тиску насичених парів у суперкавитуючій порожнині, що, відповідно, викликає збільшення суперкавитуючої порожнини при підвищенні температури (зниженню гальмуючого моменту) або її скороченню при зниженні температури (збільшенню гальмуючого моменту).