способ инициирования кавитирующей струи жидкости
Классы МПК: | E21B7/18 бурение с помощью струи жидкости или газа с применением или без применения дроби |
Автор(ы): | Казеннов А.К., Козлов И.И., Коровушкин В.Ю., Прокофьев В.В., Якимов Ю.Л. |
Патентообладатель(и): | Научно-исследовательский институт механики МГУ им.М.В.Ломоносова |
Приоритеты: |
подача заявки:
1993-04-02 публикация патента:
20.05.1996 |
Использование: для обработки поверхностей кавитирующей струей жидкости в машиностроении, судостроении с целью очистки от ржавчины, окалины, обрастания, старой краски и т.д. Кавитация в струе жидкости инициируется путем подачи горячего пара в область повышенного давления, образующуюся при взаимодействии сходящихся струй жидкости. При этом возникают условия роста паровых пузырей за счет перепада давления между каверной, заполненной паром и окружающим пространством. В результате инерционного роста, а также теплопередачи горячий пар в пузыре остывает, конденсируется, и искусственно увеличенный пузырь превращается в обычный кавитационный пузырь. Преимущество предлагаемого способа - в возможности независимо от напора струи управлять количеством кавитационных пузырьков в струе, что повышает эффективность процесса и дает возможность снизить напор, необходимый для создания кавитирующей струи. 1 з. п. ф-лы, 6 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6
Формула изобретения
1. Способ инициирования кавитирующей струи жидкости, согласно которому возбуждают кавитацию в кольцевой высокоскоростной струе жидкости путем размещения в выходном сопле центрального тела, отличающийся тем, что в струе жидкости за центральным телом создают каверну с отрицательным числом кавитации, в которую подают нагретый пар, при этом давление пара и напор струи жидкости подбирают для образования каверны с плавным смыканием струи. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что верхнюю часть каверны заменяют твердой стенкой, для чего удлиняют центральное тело и профилируют его по форме каверны.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области технологии обработки поверхностей твердых тел кавитирующей струей жидкости в машиностроении, судостроении и других отраслях промышленности с целью очистки от ржавчины, окалины, старой краски и т.д. Изобретение может быть также использовано для повышения эффективности разрушения горных пород в горнорудной промышленности. Известны способы струйной обработки твердых поверхностей, использующие разрушающий эффект кавитации (Эрозия. М. Мир, 1982). Аналогом заявляемого изобретения является способ [1] в котором, как и в предлагаемом изобретении, используется эффект струйной, кавитационной эрозии для воздействия на твердую поверхность и кавитация возбуждается в вытекающей из сопла струе воды. В отличие от аналога, где кавитация возбуждается естественным путем при взаимодействии струи с окружающей неподвижной жидкостью, в предлагаемом способе струя может быть и не затопленной. Последнее обстоятельство позволяет значительно уменьшить потери энергии струи. Работа расширяющегося пара приведет к увеличению энергии струи. Изменяя расход подаваемого в каверну пара, можно регулировать количество кавитационных пузырей и инициировать кавитацию при значительно меньших напорах. Наиболее близкий аналог, принятый за прототип, это изобретение [2] в котором кавитация возбуждается в кольцевой высокоскоростной струе. Дополнительно кавитация возникает за стержнем, расположенным внутри истекающей из сопла струи. За торцом образуется область разряжения и при достаточно высокой скорости возникает естественная кавитация, в результате чего струя дополнительно насыщается кавитационными пузырями. Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что форму центрального тела и сопла профилируют так, что за центральным телом возникает область повышенного давления, в которую подается пар от внешнего источника. Без поддува пара кавитация в струе отсутствует. Преимущество предлагаемого способа в том, что используется тепловая энергия горячего пара (в прототипе на создание кавитационных пузырьков тратится механическая энергия струи), в результате чего струя насыщается кавитационными пузырьками при меньшей скорости истечения, чем при естественном возникновении кавитации. Сущность изобретения в том, что инициируется кавитация в струе холодной жидкости путем подачи горячего пара в область повышенного давления, возникающую при плавном (безударном) смыкании за торцом центрального тела конической или специальной формы, сходящейся кольцевой струи жидкости, вытекающей из отверстия, в которое вставлено это центральное тело. Область повышенного давления, возникающую за центральным телом (каверну), можно характеризовать параметром а (Ра Рk)/q (числом кавитации), где Ра давление во внешнем пространстве, Pk(больше Ра) давление в каверне, q скоростной напор истекающей из сопла струи. Число кавитации в нашем случае отрицательно. Давление в каверне поддерживается путем подачи пара от внешнего источника. Давление пара и напор струи подбирают так, чтобы обеспечить безударное (без образования возвратной струи) смыкание сходящейся струи. Благодаря перепаду давления между паровой каверной (Pk) и внешним пространством (Ра) возникают условия роста паровых пузырей, уносимых из каверны высокоскоростным течением жидкости. За счет инерционного роста пузыря и частично за счет теплоотвода в холодную жидкость происходит конденсация пара в пузыре и в момент достижения им максимального размера давление в нем оказывается значительно меньше давления Ра. Таким образом, пузырек превращается в обычный кавитационный, заполненный холодным паром с низким давлением. Преимущество предлагаемого способа по сравнению с аналогами в возможности независимо от напора истекающей струи управлять количеством кавитационных пузырьков в струе, что повышает эффективность процесса и дает возможность снизить напор, необходимый для создания кавитирующий струи. В отличие от аналогов, где механическая энергия струи затрачивается на возбуждение естественной кавитации, в предлагаемом способе энергия струи увеличивается за счет работы расширения пара. Именно неконтролируемость процесса возбуждения естественной кавитации по известным способам и зависимость ее от таких факторов, как качество жидкости, уровень турбулентности течения, шереховатость стенок сопла и т.п. сдерживают широкое использование метода струйной кавитационной эрозии. На фиг. 1 и 2 схема заявляемого изобретения (цифрами обозначено: 1 центральное тело; 2 корпус или внешний контур сопла; 3 истекающая из сопла кольцевая струя жидкости; 4 хвостовая точка каверны; 5 точка торможения на обрабатываемой твердой поверхности; 6 обрабатываемая поверхность; 7 магистраль подачи пара к торцу центрального тела; 8 область повышенного давления; 9 тело, заменяющее часть каверны); на фиг. 3 кривые Рх и Rx, качественно иллюстрирующие изменение давления Р в жидкости и радиуса R парового пузыря вдоль оси струи (координата х); на фиг. 4 зависимость отношения![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060002/964.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060002/964.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060002/964.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060002/964.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060028/945.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060002/964.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060002/964.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060002/964.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060344/2060344t.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060002/964.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060344/2060344-2t.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060031/961.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060031/961.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060061/916.gif)
Ro начальный радиус пузыря;
с удельная теплоемкость воды;
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060064/955.gif)
L удельная теплота конденсации;
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060061/916.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060002/964.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060002/964.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060002/964.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060002/964.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060028/945.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060028/948.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060344/2060344-3t.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060028/948.gif)
h (
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060028/948.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060028/945.gif)
L (
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060028/948.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060028/945.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060028/945.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060028/945.gif)
![способ инициирования кавитирующей струи жидкости, патент № 2060344](/images/patents/412/2060028/948.gif)
Класс E21B7/18 бурение с помощью струи жидкости или газа с применением или без применения дроби