Спосіб використання робочої рідини в гідроімпульсних струминних установках

Реферат: UA 88611 U UA 88611 U 5 10 15 20 25 Корисна модель належить до водоструминних технологій, які засновані на використанні струменя високого та надвисокого тиску і може бути використана для підвищення ефективності гідроімпульсних струминних установок (гідрогармати, імпульсного водомету). Водоструминні технології використовуються в різних галузях промисловості: для очищення корпусу судна, складних конструкцій і надпалубного устаткування, баластних танків, резервуарів. За допомогою водоструминних технологій робиться підготовка поверхні перед нанесенням подальших покриттів, зняття застарілих захисних покриттів, локальний ремонт частково зношеного захисного покриття, вибіркове зняття фарби, беземісійна обробка поверхні корпусів судів і складних конструкцій, різання сталі, різання труб, гасіння газових факелів, без детонаційне розмінування вибухонебезпечних об'єктів. Відомим способом зміни параметрів гідроімпульсних струминних установок є спосіб зменшення тиску всередині установки при збільшенні швидкості струменя, який досягається шляхом використання на зрізі сопла коліматора (циліндричної ділянки певної довжини) [1]. При русі в коліматорі у фронті течії спостерігається вирівнювання швидкості, і протягом деякого часу струмінь витікає з більш-менш постійною швидкістю. Таким чином, можна отримати струмінь деякої довжини, що рухається зі швидкістю, близькою до швидкості води в коліматорі. Довжина струменя при збереженні швидкості руху та діаметра вихідного зрізу є показником досконалості установки. Чим довше струмінь, тим більшими будуть далекобійність та руйнівна здатність установки. Відомим способом зміни параметрів гідроімпульсних струминних установок є спосіб збільшення компактності струменя, який досягається шляхом зменшення крутості сопла гідрогармати на виході та збільшення його крутості на вході [2]. Найбільш близьким за технічною суттю та за результатом, що досягається, є методика параметричної оптимізації гідрогармати [3-4]. Вона полягає в наступних діях: 1) визначення необхідної швидкості струменя. Основною задачею гідрогармати є постріл в перешкоду імпульсним високошвидкісним струменем. Згідно з експериментальними даними мінімальне значення швидкості голови струменя umах визначається межею міцності на стиск перешкоди: umax  30 35 40 45 50 55 10 пр  ,  де пр - коефіцієнт міцності матеріалу перешкоди. 2) Визначення необхідного значення коефіцієнта компактності струменя. Коефіцієнт компактності струменя характеризує змінення швидкості по довжині високошвидкісної ділянки струменя. Чим більше коефіцієнт компактності, тим більш компактний струмінь, тим більше його вплив на перешкоду і далекобійність. Оцінка достатнього значення коефіцієнта компактності робиться за допомогою розрахунку взаємодії струменя з перешкодою. Розподіл швидкості по довжині струменя вважається лінійним. Швидкість голови струменя дорівнює максимальній швидкості струменя umах швидкість хвоста складає 0,7 umах, довжина варіюється. Знаючи максимальну відстань, на якій розташовуватиметься гідрогармата при пострілі в процесі експлуатації, підбирається значення довжини високошвидкісної ділянки струменя, при якій силова дія струменя на перешкоду буде достатньою. 3) Вибір найбільш ефективного сопла для конкретної гідрогармати. На даному етапі виконується розрахунок параметрів гідрогармати із соплами різної форми, які найчастіше використовуються в гідравліці. Далі проводиться порівняння їх ефективності по комплексу вибраних критеріїв. Після цього проводиться остаточна оптимізація форми сопла. За базисне сопло вибирається найбільш ефективне із розглянутих сопел. Вибране сопло замінюється подвійним конічним з точкою зламу посередині. Суттєва перевага складового конічного сопла перед соплами складної форми - простота виготовлення. Постійно варіюючи координату і радіус сопла в точці зламу, визначаємо оптимальне значення. Потім додаємо другу точку посередині першого конусу отриманого сопла, і, виконав аналогічним чином оптимізацію її положення і радіуса, отримаємо оптимальне потрійне конічне сопло. Точка зламу додається посередині кожного наступного конуса, доки змінення положення або радіуса кожної нової точки зламу суттєво впливає на параметри гідрогармати. 4) Якщо швидкість струменя для вихідної установки нижче потрібної, її можна підвищити, збільшивши масу пороху. Збільшення швидкості струменя також відбувається шляхом збільшення довжини сопла або зменшення маси заряду води. 5) Оптимізація інших конструктивних параметрів гідрогармати. На цьому етапі за основу береться установка, яка отримана в результаті розрахунків, що виконані у пп. 1-4. 1 UA 88611 U 5 10 15 20 25 30 Розраховуються критерії, що характеризують силову дію на перешкоду та компактність і далекобійність струменя, значення яких потім переводяться у стобальну шкалу і підсумовуються, після чого вибирається установка з максимальною сумою балів. Недоліком відомого способу є той факт, що існує певний обмежений діапазон зміни конструкції вже побудованої гідродинамічної установки. Таку оптимізацію краще проводити на етапі розробки установки. У випадку, коли установка вже готова для експлуатації змінювати можна лише початкову енергію, необхідну для пострілу (маса пороху або потужність електричного розряду) та параметри робочої рідини (маса, густина, довжина заряду робочої рідини тощо). В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення способу зміни параметрів гідроімпульсних струминних установок, результатом якого є підвищення ефективності гідроімпульсної струминної установки без зміни її конструктивних параметрів. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб використання робочої рідини в гідроімпульсних струминних установках, який містить розрахунки критеріїв, що характеризують силову дію, компактність, далекобійність струменя, значення яких потім переводять у стобальну шкалу і підсумовують, після чого вибирають установку з максимальною сумою балів, згідно з корисною моделлю, як робоча рідина використовується насичений водний розчин солі NaCl. Вибір такого розчину ґрунтувався доступністю та економічністю речовин. Приклад конкретного виконання. Для перевірки розробленої корисної моделі була проведена серія експериментів з поршневою гідрогарматою з наступною конструкцією: радіус ствола й входу в сопло 33 мм, радіус виходу із сопла 5 мм, довжина сопла 253 мм, маса поршня 2,25 кг, маса рідини 0,85 кг. 1 -kx Профіль сопла експонентний, який описується рівнянням R(x)=Rce , де k  L x lnR C / R S  [5]. При експериментальних дослідженнях вимірявся тиск всередині установки й швидкість струменя. Вимір тиску проводився апаратурою, призначеною для дослідження внутрішньої балістики ствольних знарядь. Виміри проводилися на двоканальній апаратурі. При вимірах паралельно з тиском вимірялася швидкість голови струменя лазерним безконтактним методом [6]. У табл. 1 наведені результати експериментів по виміру тиску й швидкості струменя. У якості 3 робочої рідини використовувалися вода (густина 1000 кг/м ) та насичений водний розчин солі 3 NaCl (густина 1197 кг/м ) [7]. Таблиця 1 Результати вимірювання тиску в установці та швидкості струменя № з/п 1 2 35 рідина вода сольовий розчин umax, м/с 1495 1409 pmaх, МПа 410 413 За цими даними було розраховано імпульс високошвидкісної ділянки струменя I, коефіцієнт перевищення тиску kр, коефіцієнт компактності струменя kv. Імпульс високошвидкісної ділянки струменя характеризує силову дію на перешкоду і визначається за формулою [2] t umax 2 I  u2Fsdt (1) t umax 40 . Коефіцієнт перевищення тиску kр характеризує наскільки максимальний тиск струменя на тверду перешкоду перевищує максимальний тиск всередині установки, за допомогою якого отриманий струмінь. Він дорівнює відношенню максимального динамічного тиску струменя до максимального статичного тиску всередині установки [2]: kp  u / 2 2 (2) p max . Коефіцієнт компактності струменя дорівнює оберненій величині модуля безрозмірного градієнта швидкості високошвидкісної ділянки струменя [2]: 2 UA 88611 U 1 u  umin L s  (3)  k v   max   L umax  . max   В табл. 2 надано критерії, що розраховані за формулами (1-3) для води і сольового розчину. Таблиця 2 Значення головних параметрів імпульсної гідродинамічної установки для води і сольового розчину № з/п 1 2 5 10 рідина вода сольовий розчин І, кг·м/с 1,61 1,71 kp 2,73 2,89 kv 0,19 0,19 Значення отриманих критеріїв відповідно порівнювались між собою для кожного головного параметра установки. Максимальне значення параметру в кожній категорії приймалося за 100 балів, інші розраховувались за формулою значення параметру результуюче значення параметру  100  максимальне значення параметру Результуючі параметри для кожної категорії підсумовуються. Найбільш ефективною вважається установка з найбільшою сумою балів. В табл. 3 надано результати комплексної оцінки ефективності гідрогармати в залежності від густини робочої рідини. Таблиця 3 Комплексна оцінка ефективності гідрогармати для робочої рідини № з/п 1 2 15 20 25 30 35 рідина вода сольовийрозчин ~ I 94 100 критерій ~ kp 95 100 ~ kv 100 100  289 300 За результатами розрахунків можна побачити, що із двох рідин кращі показники має насичений водний розчин солі NaCl, у якому максимальні значення всіх розрахованих параметрів. Ефективність гідрогармати по отриманих даних підвищилась на шість відсотків. Проведені дослідження впливу густини робочої рідини дозволяють зробити висновок, що збільшення густини робочої рідини приводить до збільшення далекобійності та компактності струменя, що забезпечує підвищення ефективності гідроімпульсної струминної установки без зміни її конструкції. Джерела інформації: 1. Атанов Г.А. Влияние формы сопла на параметры пороховой гидропушки / Г.А. Атанов, Э.С. Гескин, О.П. Петренко, А.С. Семко // Прикладна гідромеханіка. - № 4. - 2009. - С. 3-9. 2. Решетняк В.В. Влияние формы сопла на параметры гидропушки / B.В. Решетняк, А.Н. Семко // Прикладна гідромеханіка. - № 3. - 2010. - C. 62-74. 3. Решетняк В.В. Оптимизация параметров гидропушки: Дис. канд.т.н.: 01.02.05. Донецк: ДонНУ, 2010. - 167 с. (прототип). 4. Семко А.Н. О влиянии плотности жидкости на параметры гидропушки / А.Н. Семко, Ю.В. Локтюшина // Вісник НТУ "ХПІ". Зб. наук, пр.; Под ред. В.А. Ваніна - Харків: НТУ "ХПІ". - 2012. № 27. - С. 204-213. 5. Войцеховский Б.В. Кавитационный эффект в экспоненциальном струйном насадке / Б.В. Войцеховский, Ю.А. Дудин, Ю.А. Николаев, В.П. Николаев, В.В. Никитин // Динамика сплошной среды. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР. - 1971. - Вып. 9. - С. 7-11. 6. Семко А.Н. Импульсные струи жидкости высокого давления / А.Н. Семко. Донецк: Вебер (Донецкое отделение), 2007. - 149 с. 7. Врагов А.П. Матеріали до розрахунків процесів та обладнання хімічних і газонафтопереробних виробництв: Навчальний посібник / А.П. Врагов, Я.Е. Михайловський, С.І. Якушко. Суми: Вид-во СумДУ, 2008. 170 с. 3 UA 88611 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Спосіб використання робочої рідини в гідроімпульсних струминних установках, що містить розрахунки критеріїв, що характеризують силову дію, компактність, далекобійність струменя, значення яких потім переводять у стобальну шкалу і підсумовують, після чого вибирають установку з максимальною сумою балів, який відрізняється тим, що як робочу рідину використовують насичений водний розчин солі NaCl. Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4