СПОСОБ СНИЖЕНИЯ КАВИТАЦИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ТЕЛ КРЫЛОВОГО ПРОФИЛЯ Российский патент 2003 года по МПК F03B11/04 B63H1/18 

Изобретение относится к области механики, а именно - к способам уменьшения кавитации и вызванных ею повреждений и разрушения, и может быть использовано в энергомашиностроении, судостроении и в других отраслях, использующих гидравлические и паровые машины, двигатели и движители, элементы которых работают в условиях кавитации.

Одним из наиболее неприятных проявлений кавитации является разрушение материалов кавитирующих тел. Кавитационному износу подвержены все твердые тела: любые металлы, твердые и мягкие, хрупкие и вязкие, а также резина, пластмасса, стекло и другие неметаллические материалы (Р. Кнэпп и др. "Кавитация", М., Мир, 1974 г., стр.32, 33). Поэтому известные многочисленные способы борьбы с кавитационными повреждениями по существу сводятся к способам устранения кавитации или приведения ее к виду, не вызывающему повреждений, например к пленочной кавитации. Однако это не всегда возможно в условиях роста удельных нагрузок на рабочие органы современных машин и механизмов - лопаток и лопастей гидравлических и паровых турбин, судовых движителей и других.

Способы снижения кавитационных повреждений разрабатывались исходя из гипотезы о решающем воздействии на материал гидравлических ударов, возникающих при разрушении (схлопывании) кавитационных пузырьков при повышении давления в потоке в зоне замыкания каверны. Поэтому основное внимание уделялось регулированию кавитационного течения в месте замыкания каверны с целью отнесения зоны замыкания за пределы кавитирующего тела (RU 2090440 А1, 20.09.97, В 63 Н 1/18) или обеспечения устойчивости каверны в зоне замыкания, для чего, например, на каверну воздействуют ультразвуковыми колебаниями с частотой, совпадающей с частотой собственных колебаний каверны, в диапазоне 100-1000 Гц и интенсивностью, ограниченной пределом натяжения упругих оболочек, посредством которых создают колебания (RU 2009957 С1, 30.03.94, В 63 Н 1/18).

К недостаткам известных способов замыкания каверны за пределами кавитирующего тела относится то, что коэффициент подъемной силы крыльев и, следовательно, КПД используемых при этом профилей существенно ниже, чем у оптимальных профилей (Я.И. Войткунский "Сопротивление движению судов", Л. Судостроение, 1988 г., стр.266-268). Стабилизация каверны слабо влияет на эрозию материала и, как уже было отмечено, не всегда возможна.

На базе теоретико-аналитических исследований заявителем была выявлена магнитная природа кавитационной эрозии и показано, что основной причиной, вызывающей ее, является воздействие на материал кавитационного тела магнитного поля с напряженностью, эквивалентной силам межмолекулярного взаимодействия, которое возникает при образовании кавитационных пузырьков в жидких или газообразных средах (научное открытие И.П. Калько "О магнитной природе кавитационной эрозии", зарегистрированное РАЕН).

Магнитное поле возникает при вскипании микрочастиц жидкости и образовании кавитационного пузырька, в процессе чего происходит расслоение сферы пузырька по составу входящих в него газов и вращение газовой ионизованной оболочки во внешней среде с образованием микромагнитного поля высокой напряженности. Наличие такого поля вблизи поверхности вызывает в материале спонтанную намагниченность микроучастков, доменов, а взаимодействие магнитных моментов кавитационных пузырьков и доменов при перемещении пузырька по поверхности кавитирующего тела приводит к отрыву микроскопических частиц материала, то есть к его эрозионному повреждению и в конечном итоге - разрушению.

Указанное выше приводит к выводу о том, что наиболее эффективным способом резкого уменьшения кавитационных повреждений или полного их устранения является прекращение контакта кавитационного пузырька с материалом кавитирующего тела на самых ранних стадиях зарождения пузырька.

Известен принятый в качестве ближайшего аналога способ снижения кавитационных повреждений тел крылового профиля, заключающийся в том, что в месте образования каверны формируют присоединенную каверну, замыкающуюся на профиле или за его пределами в свободном потоке жидкости. Этот способ реализуется в суперкавитирующих лопастях с острыми кромками, фиксирующими точку отрыва каверны, или на телах клинообразного профиля (Я.И. Войткунский, "Сопротивление движению судов", Л. Судостроение, 1993 г., стр.266).

Противопоставленный способ эффективен только на стадии развитой кавитации. На других режимах, в том числе при безотрывном обтекании, например на докритических скоростях хода судов, суперкавитирующие профили имеют низкие гидродинамические характеристики. Кроме того, как указано в упомянутой монографии "Кавитация", стр. 619, 620, кавитация возникает на участке поверхности, расположенном выше по потоку от начала каверны, поэтому формирование присоединенной каверны непосредственно на теле, в месте образования основной кавитационной каверны, недостаточно влияет на стадию зарождения каверны, которая, согласно открытию магнитной природы кавитации, имеет определяющее влияние на кавитационную эрозию.

Предложенный способ отличается от противопоставленного тем, что присоединенную каверну образуют полностью охватывающей засасывающую поверхность тела крылового профиля с началом присоединенной каверны перед кавитирующим телом в свободном потоке жидкости или газа, при этом присоединенную каверну образуют одновременно с началом кавитации тела крылового профиля и поддерживают до момента прекращения кавитации этого тела.

Предложенный способ реализуется следующим образом. Выбирают крыловой профиль с наилучшими гидродинамическими характеристиками для соответствующих условий работы. Перед ним устанавливают одно из известных устройств для искусственного создания присоединенной каверны. Отработку крылового профиля, определение моментов начала и окончания кавитации, а также отработку формы и параметров работы кавитаторов (размеров, мест установки, ориентацию жестких кавитаторов, режимов и мест подачи воздуха в поток жидкости и др.) производят предварительно на основе исследований в экспериментальных установках (упомянутое "Сопротивление движению судов", стр. 267-269). Кроме того, моменты начала и окончания кавитации могут определяться непосредственно в натуре одним из известных способов, например визуально или по акустическому шуму с использованием соответственно, стробоскопов, гидрофонов. Для уменьшения влияния кавитаторов на докавитационных режимах обтекания их целесообразно выполнять выдвижными с внешней поверхностью конформной, соответствующей части поверхности тела.

На докавитационном режиме эрозия не происходит. С началом кавитации приводятся в действие средства образования присоединенной каверны. Так как ею покрыта засасывающая поверхность тела полностью, а не только место замыкания каверны, кавитационные повреждения практически полностью устраняются. При этом, как указывалось, используются профили с наибольшим КПД. Присоединенная каверна образуется на таких режимах обтекания, когда кавитация возникает на крыловом теле сама по себе. Это позволяет использовать кавитаторы минимальных размеров или с минимальными параметрами подаваемой рабочей среды, и поэтому их влияние на КПД профиля минимально.

Использование изобретения позволяет практически полностью исключить кавитационные повреждения тел крылового профиля, являющихся основой широкого класса двигателей, движителей, средств поддержания судов и других. Одновременно становится возможно использовать наиболее эффективные профили и тем самым повысить эффективность указанных машин и механизмов.

Изобретение предназначено для использования в энергомашиностроении. Способ уменьшения кавитационных повреждений заключается в том, что каверну подвергают высокочастотному знакопеременному воздействию. Высокочастотное знакопеременное воздействие производят импульсным индуцированным магнитным полем с длительностью импульсов, частотой следования импульсов и напряженностью магнитного поля в импульсах, равными средним значениям соответственно периода вращения газовой оболочки кавитационных пузырьков, времени их зарождения и замыкания и напряженности магнитного поля кавитационных пузырьков в месте их зарождения. При этом импульсным магнитным полем на каверну воздействуют в зонах ее зарождения и замыкания на кавитирующем теле. Изобретение позволяет резко снизить или полностью исключить кавитационную эрозию тел крылового профиля во всем диапазоне их работы.

Способ снижения кавитационных повреждений тел крылового профиля, заключающийся в формировании присоединенной каверны, замыкающейся за пределами кавитирующего тела, отличающийся тем, что присоединенную каверну образуют полностью охватывающей засасывающую поверхность тела крылового профиля с началом присоединенной каверны перед кавитирующим телом в свободном потоке жидкости или газа, при этом присоединенную каверну образуют одновременно с началом кавитации тела крылового профиля и поддерживают до момента прекращения кавитации этого тела.