СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ КАВИТАЦИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ Российский патент 2003 года по МПК F03B11/04 B63H1/18 

Изобретение относится к судостроению и машиностроению, а именно - к способам снижения кавитационных повреждений и разрушений (кавитационной эрозии). Кавитация возникает на корпусах, крыльях, движителях судов и других плавучих тел, на лопатках и лопастях турбин, гидроагрегатов и на многих других инженерных сооружениях. Наиболее известным и наглядным ее проявлением является эрозия кавитирующего тела, которая может привести к полному его разрушению.

В связи с тем, что кавитационному износу подвержены все твердые тела, в том числе мягкие, вязкие, неметаллические материалы (Р. Кнэпп и др. "Кавитация", М. Мир, 1974 г., стр.32, 33), известные многочисленные способы борьбы с кавитационными повреждениями по существу сводятся в устранению кавитации или приведению ее к виду, не вызывающему эрозии, например к пленочной кавитации. Однако это не всегда возможно.

Способы уменьшения кавитационных повреждений разрабатывались исходя из гипотезы о том, что главной причиной эрозии материалов являются гидравлические удары в зоне замыкания каверны при схлопывании кавитационных пузырьков. Исходя из этого главное внимание уделялось отнесению зоны замыкания за пределы кавитирующего тела, отработке суперкавитирующих профилей (RU 2090440 А1, 20.09.97, В 63 Н 1/18) или стабилизации каверны.

Известен принятый в качестве ближайшего аналога способ снижения кавитации гребного винта, заключающийся в том, что на каверну воздействуют ультразвуковыми вынужденными колебаниями с частотой, совпадающей с частотой собственных колебаний каверны, в диапазоне 100-1000 Гц и интенсивностью, ограниченной прочностью упругих оболочек, посредством которых создают колебания (RU 2009957 C1, 30.03.94, В 63 Н 1/18).

Указанный способ уменьшает возмущения каверны в зоне ев замыкания, но не влияет на процессы зарождения и развития кавитационных полостей (пузырьков) и поэтому не приводит к заметному снижению кавитационных повреждений. Это объясняется следующим.

На базе теоретико-аналитических исследований выявлена преимущественно магнитная природа кавитационной эрозии и показано, что она вызывается воздействием на материал магнитного поля с напряженностью, эквивалентной силам межмолекулярного взаимодействия, которое возникает при вскипании микрочастиц жидкости и образовании кавитационного пузырька (научное открытие И.П. Калько "О магнитной природе кавитационной эрозии", зарегистрированное РАЕН).

Следствием этого открытия является вывод о том, что на эрозию материала при кавитации главным образом влияют отрыв и перемещение по поверхности кавитирующего тела кавитационных пузырьков с магнитным полем высокой напряженности. Это, в свою очередь, позволяет находить новые способы борьбы с кавитационными повреждениями.

Предложенный способ отличается от противопоставленного тем, что 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.

При воздействии на кавитационные пузырьки, обладающие собственным магнитным полем, импульсного магнитного поля происходит взаимодействие магнитных полей, в результате чего пузырек сразу же после его образования отталкивается от поверхности тела либо предварительно притягивается к нему с последующим отталкиванием без перемещения по поверхности и, следовательно, без отрыва частиц материала, приводящего к эрозии кавитирующего тела. То же происходит и в зоне замыкания каверны, куда перемещаются потоком кавитационные пузырьки из зоны их зарождения.

Длительность, частота и напряженность магнитного поля импульсов выражены в виде обобщенных признаков, так как значения периодов вращения газовой оболочки кавитационных пузырьков, времени зарождения и замыкания и напряженности магнитного поля кавитационных пузырьков изменяются в очень широких пределах. Например, влияющее на магнитное поле напряжение на пузырьке изменяется от 0 до 3000 В, величина электрического заряда на поверхности пузырька зависит от давления внутри него, а также от характера образования пузырька, частота вращения газовой оболочки пузырька (по прямым замерам электрических параметров оболочки) изменяется от 6 до 29 мксек, а время замыкания и зарождения каверны зафиксировано от 10^-5 до 8•10^-4 сек ("Сборник статей по вопросам кавитации и теории гребных винтов", Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып. 200, Судпромгиз, 1963 г.). Однако это не приводит к неопределенности признаков формулы изобретения, так как для конкретного кавитирующего тела все эти параметры определяются как с использованием существующей экспериментальной техники и регистрирующей аппаратуры, так и расчетным путем, что дает возможность при изготовлении устройств, реализующих данный способ, резко сузить диапазон изменения параметров импульсного магнитного поля относительно средних значений характеристик кавитации конкретного инженерного сооружения. О возможности экспериментально-теоретического нахождения требуемых характеристик кавитационных пузырьков см. упомянутый "Сборник", стр.24-41.

Реализация способа возможна на базе существующей техники с использованием, например, индуктора для генерирования магнитного потока, связанного схемой сравнения и формирования запускающего импульса с регулятором напряжения, таймером, регулятором выдержки времени и резистором для самонастройки частоты магнитного поля. Такие приборы используются, например, для получения электромагнитных импульсов (с другими параметрами и для другой цели) в схемах магнитных стимуляторов (US 5061234, 29.10.91, А 61 N 2/04).

Использование изобретения и разработанных на его базе устройств позволит эффективно влиять на процессы кавитационной эрозии и тем самым резко повысить ресурс работы и надежность широкого круга образцов современной техники.

Изобретение предназначено для использования в судостроении и машиностроении. Способ заключается в том, что на каверну в зонах ее зарождения и замыкания на кавитирующем теле воздействуют импульсным индуцированным магнитным полем. Длительность импульсов, частота и напряженность магнитного поля в импульсах равны средним значениям соответственно периода вращения газовой оболочки кавитационных пузырьков, времени их зарождения и замыкания и напряженности магнитного поля пузырьков в месте их зарождения. Использование изобретения позволяет эффективно влиять на процессы кавитационных повреждений и тем самым повысить ресурс и надежность движителей судов, паровых и гидравлических турбин и других объектов техники, работающих в режиме кавитации.

Способ уменьшения кавитационных повреждений, заключающийся в том, что каверну подвергают высокочастотному знакопеременному воздействию, отличающийся тем, что 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.