способ регулирования кавитационных процессов

Формула изобретения

1. Способ регулирования кавитационных процессов, в котором осуществляют перевод процесса образования кавитационных полостей с твердых и жидких ядер кавитации (планктонных организмов) на газовые пузырьки, отличающийся тем, что перевод процесса образования кавитационных полостей осуществляют посредством пропускания газа через пористый или сетчатый (ячеистый) материал, способный изменять размер пор или ячеек под воздействием давления газа, пропускаемого через него.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулируют количество и размеры газовых ядер кавитации, в частности воздушных пузырьков.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что количество и размеры газовых ядер кавитации регулируют пропорционально количеству и размерам планктонных организмов, проходящих через зону образования кавитационных полостей в единицу времени.

4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что в качестве указанного пористого и сетчатого материала используют материал, несмачиваемый водой.

5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что в качестве указанного материала используют материал, обладающий малой склонностью к зарастанию, корродированию, гниению, в частности используют стеклохолст, или стеклоткань, или стеклорогожку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области гидродинамики и гидробиологии. Изобретение может быть использовано в гидромашинах гидроэлектрических станций (ГЭС), гидроаккумулирующих станций (ГАЭС), в насосных установках, а также в других гидромашинах и установках.

В последние годы было установлено, что при прохождении жидкости через гидромашины ГЭС, ГАЭС, насосные установки, винты судов, а также через другие гидроустановки, процесс образования кавитационных полостей, вызывающих при их захлопывании наибольшую интенсивность кавитационного воздействия, происходит в основном не на газовых пузырьках (газовых ядрах кавитации), находящихся в жидкости, а на твердых или жидких ядрах кавитации. Так, в частности, было установлено, что при прохождении природной воды через указанные зоны образования кавитационных полостей, процесс образования этих полостей развивается в основном на планктонных ядрах кавитации (планктонных организмах) ввиду их большого количества в широком диапазоне размеров. В результате захлопывания этих полостей интенсивность кавитационного воздействия, в данном случае, значительно выше, чем интенсивность кавитационного воздействия при захлопывании кавитационных полостей, образовавшихся на газовых ядрах кавитации, в частности на воздушных пузырьках. Кроме того, было установлено, что основа жизни водоемов планктонные организмы гибнут при этом в массовом количестве. В некоторых случаях гибель зоопланктона и фитопланктона достигает 90% и более (см. например, статью о работах Лашкова А.С. Постоева В.С. и др. опубликованную в газете "Вечерний Ленинград" от 15 декабря 1986 года под названием "Пустая вода"). В указанной статье отмечалось, что для осуществления перевода процесса образования кавитационных полостей с планктонных ядер кавитации на воздушные пузырьки следует в гидромашины подавать сжатый воздух, формируя указанные воздушные пузырьки путем пропускания воздуха через раструбы.

Известен также способ формирования дополнительных газовых ядер кавитации путем пропускания газа через специальные жесткие вставки с отверстиями на кавитирующих поверхностях по авт.св. N1361387 кл. F 04 D 29/66, 1987 г.

Однако ни тот, ни другой из указанных способов не позволяют регулировать кавитационный процесс без замены аэраторов.

В предлагаемом изобретении решается задача расширения диапазона регулирования количества и размеров газовых ядер кавитации, на которые осуществляют перевод процесса образования кавитационных полостей наиболее простыми средствами. Решается также дополнительная задача связанная с уменьшением количества газа, идущего на формирование упомянутых газовых ядер кавитации.

Решение указанных основной и дополнительной задач и, соответственно, достижение указанных в этих задачах технических результатов позволяет получить положительный эффект, а именно: уменьшить интенсивность кавитационного воздействия на элементы проточной части гидромашин; уменьшить количество гибнущих от кавитации планктонных организмов, находящихся в воде, протекающей через гидромашины; уменьшить затраты, связанные с эксплуатацией и ремонтом гидромашин и восстановлением экологического равновесия в водоемах.

Решение упомянутых задач и достижение указанных в этих задачах технических результатов, а следовательно, и упомянутого положительного эффекта происходит за счет того, что в способе регулирования кавитационных процессов, в котором осуществляют перевод процесса образования кавитационных полостей с твердых и жидких ядер кавитации на газовые пузырьки, в частности с планктонных ядер кавитации (планктонных организмов) на воздушные пузырьки, формируют газовые ядра кавитации, в частности воздушные пузырьки, дополнительно к имеющимся ядрам кавитации. Новым является то, что формирование дополнительных газовых ядер кавитации, в частности воздушных пузырьков, осуществляют путем того, что пропускают газ через пористый или сетчатый (ячеистый) материал, способный изменять размер пор или ячеек под воздействием давления газа, пропускаемого через него. Под пористым или сетчатым материалами здесь понимается любое тело (или его элемент), пронизанное множеством каналов. Разница между терминами "пористый" и "сетчатый" усматривается здесь лишь в том, что канал, образующий пору, имеет длину большую, чем размер поперечного сечения этого канала, а канал, образующией ячейку сетки, имеет длину меньшую, чем размер поперечного сечения этого канала.

Тело, в котором имеются или выполнены упомянутые поры или ячейки, может быть полностью эластичным (например, резиновая, тканая, плетеная, вязанная оболочки) или полностью неэластичным (например, песчаная и др. засыпки). Возможно и совмещение. Также указанное тело может содержать эластичные или неэластичные элементы с имеющимися или выполненными в них упомянутыми порами или ячейками.

В соответствии с заявляемым техническим решением формирование дополнительных газовых ядер кавитации, в частности воздушных пузырьков, осуществляют путем того, что пропускают газ через пористый или сетчатый (ячеистый) материал, способный изменять размер пор или ячеек под воздействием давления газа, пропускаемого через него. Как показали исследования, проведенные авторами заявляемого изобретения, в данном случае поперечный размер пор и ячеек может быть значительно меньше 1 мм, следовательно, при том же массовом расходе воздуха, что и в способах-аналогах, можно значительно увеличить количество дополнительных газовых ядер, в частности воздушных пузырьков, формируемых в единицу времени, уменьшив при этом их размер.

Дело в том, что указанные материалы при размещении их в жидкости обладают малой склонностью к зарастанию их пор и ячеек даже при малом поперечном размере этих пор или ячеек. Как показали исследования, проведенные авторами заявляемого изобретения, поры и ячейки в песчаных, гравийных и других засыпках под воздействием потока воды и пропускаемого через них газа интенсивно меняют как свою конфигурацию (форму), так и положение друг относительно друга, в результате чего интенсивно промываются водой, что практически исключает их зарастание и закупорку. Поры и ячейки в тканых, вязаных, плетеных и т. п. материалах под воздействием потока воды и пропускания через них газа также меняют свою конфигурацию (форму), к тому же сами материалы интенсивно прополаскиваются водой, что практически исключает их зарастание и закупорку. Поры и ячейки в эластичных, например в резиновых, материалах под воздействием пропускаемого через них газа, интенсивно меняют свой размер, что также практически исключает их зарастание и закупорку.

Таким образом, заявляемое изобретение по сравнению со способами-аналогами позволяет значительно расширить диапазон регулирования количества и размеров газовых ядер кавитации, на которые осуществляют перевод процесса образования кавитационных полостей, при этом массовое количество газа, идущего на формирование упомянутых газовых ядер кавитации, значительно уменьшится.

Использование материала, способного изменить размер пор или ячеек, уменьшает опасность зарастания и закупорки указанных пор или ячеек, дает возможность в широком диапазоне регулировать размеры газовых ядер кавитации, формируемых путем пропускания упомянутого газа через такой материал.

Еще одним отличием является то, что регулируют количество и размеры газовых ядер кавитации, в частности воздушных пузырьков, сформированных (образованных) в течение единичного временного промежутка.

Указанное отличие практически невозможно осуществить в вышеприведенных способах-аналогах, но в заявляемом изобретении это легко достижимо. Это целесообразно делать тогда, когда имеются значительные изменения количества или размеров имеющихся в потоке жидкости ядер кавитации в течение упомянутого единичного временного промежутка. Так количество планктонных ядер кавитации и их размер могут значительно измениться в течение короткого промежутка времени, например в течение суток, или даже в течение меньшего промежутка времени. Такое регулирование позволит уменьшить массовый расход газа, идущего на формирование упомянутых ядер кавитации.

Еще одним отличием является то, что упомянутое регулирование количества или размеров осуществляют в зависимости от количества и размеров планктонных ядер кавитации (планктонных организмов), проходящих через зону (зоны) образования кавитационных полостей в течение упомянутого единичного временного промежутка. Данное отличие развивает предыдущее отличие, т.е. является его вариантом. Это целесообразно делать тогда, когда значительные изменения количества или размеров, имеющихся в потоке жидкости ядер кавитации, происходят в основном среди планктонных ядер кавитации (планктонных организмов). Такое регулирование позволит уменьшить количество погибающих от кавитации планктонных организмов при уменьшении массового расхода газа, идущего на формирование упомянутых ядер кавитации, т.е. воздушных пузырьков.

Еще одним отличием является то, что в качестве указанного материала используют материал, несмачиваемый водной средой.

Указанное отличие позволяет уменьшить давление газа, пропускаемого через такой материал, в особенности, если размер поперечного сечения его пор или ячеек очень мал.

Еще одним отличием является то, что в качестве указанного материала используют материал, обладающий малой склонностью к его зарастанию, гниению, корродированию и повреждению водными организмами при его длительном нахождении в водной среде, в частности используют стеклохолст (стекломат), или стеклорогожку, или стеклоткань. Указанное отличие позволит повысить надежность и долговечность устройств, реализующих данный способ, и уменьшить затраты на изготовление и эксплуатацию этих устройств. Данные материалы выпускаются отечественной промышленностью.

На фиг. 1 изображена схема реализации заявляемого способа, в котором газовые ядра кавитации формируют путем пропускания газа через тороидальную резиновую оболочку, имеющую многочисленные проколы (поры); на фиг. 2 схема реализации предпологаемого способа, в котором газовые ядра кавитации формируютпутем пропускания газа через пористую засыпку и сетчатый (ячистый) материал, в котором размещена пористая засыпка; на фиг. 3 схема пропускания газа через пористую резиновую или матерчатую оболочку, имеющую матерчатую форму; на фиг. 4 та же схема, но резиновая или матерчатая оболочка имеет удлиненную форму; на фиг. 5 то же, что на фиг.4, но резиновая или матерчатая оболочка закреплена на жестком каркасе, образуя чехол; на фиг. 6 схема пропускания газа через пористую резиновую или матерчатую оболочку, имеющую произвольную форму.

Ниже показывается возможность получения указанных в разделе "Сущность изобретения" основного и дополнительных технических результатов на конкретных примерах, описывающих некоторые из многочисленных возможных вариантов осуществления заявляемого способа.

Как уже указывалось выше, в данной заявке на предлагаемое изобретение заявляется способ регулирования кавитационных процессов, т.е. процессов образования и захлопывания кавитационных полостей, в котором осуществляют перевод процесса образования указанных полостей с твердых и жидких ядер кавитации на газовые пузырьки, причем указанный перевод осуществляют для уменьшения кавитационного воздействия.

Для осуществления указанного в потоке жидкости, например воды 1, содержащей упомянутые ядра кавитаций, в частности планктонные организмы (на чертежах не показаны), формируют дополнительно газовые ядра кавитации, в частности воздушные пузырьки 2, показанные условно стрелками. При этом формирование дополнительных ядер кавитации, в частности воздушных пузырьков 2, осуществляют путем того, что пропускают газ, в частности воздух 3, через пористый материал или через сетчатый (ячеистый) материал. Все из приведенных вариантов обеспечивают возможность регулировать количество и размеры газовых ядер кавитации, в частности воздушных пузырьков 2, в течение короткого временного промежутка, т.е. обеспечивают возможность дискретного регулирования, а при необходимости, данное дискретное регулирование может быть практически сведено к непрерывному регулированию. Таким образом, упомянутое регулирование количества и размеров возможно осуществить в зависимости от практически любых изменений количества и размеров имеющихся в потоке жидкости 1 ядер кавитации, в частности от изменений количества и размеров планктонных ядер кавитации (на чертежах не показаны), проходящих через зону (зоны) 4 образования кавитационных полостей (на чертежах не показаны).

Все из приведенных вариантов в качестве упомянутого пористого или сетчатого материала используют материал, размер пор или ячеек которого может быть менее 1 мм при исключении опасности зарастания этих пор или ячеек. Кроме того, указанные материалы не корродируют, не гниют и не повреждаются водными организмами при их длительном нахождении в водной среде 1 и мало ею смачиваются.

На фиг.1 изображен вариант осуществления способа, в котором жидкость, в частности вода, перед прохождением через зону (зоны) 4 образования кавитационных полостей кроме поступательного движения находится также в интенсивном вращательном движении (закручивается). В данном случае газовые ядра кавитации, в частности воздушные пузырьки 2, целесообразно формировать, пропуская газ 3 через тороидальную резиновую оболочку 5, имеющую многочисленные проколы (поры) 6, которую закрепляют перед зоной (зонами) 4. Количество и размеры газовых ядер кавитации, в частности воздушных пузырьков 2, регулируют путем изменения давления газа 3. Данная резиновая оболочка 5 обладает эффектом самозакрепления при наполнении ее газом 3. На фиг.2 изображен вариант осуществления способа, в котором жидкость, в частности вода, проходит через зону (зоны) 4 образования кавитационных полостей, имеющую малое проходное сечение, например, через зону 4 вентиля 7 или насоса (на чертежах не показан). В данном случае газовые ядра кавитации, в частности воздушные пузырьки 2, целесообразно формировать путем пропускания газа 3 через пористую засыпку 8, размещенную в сетчатом (ячеистом) материале 9. В данном случае получают большое количество газовых ядер 2, обладающих малыми размерами (доли миллиметра). Сетчатый (ячеистый) материал 9 можно закрепить на конце раструба 10 с помощью упругой муфты 11. Также в данном варианте можно использовать схему пропускания газа 3 через пористую резиновую или матерчатую оболочку 12 или 13, изображенные на фиг. 3 и 4. Оболочки 12 и 13 можно закрепить на конце раструба 10 с помощью конусной муфты 14.

Схемы пропускания газа 3, изображенные на фиг. 5 и 6, целесообразно применять в случае, если зона (зоны) 4 образования кавитационных полостей имеет большое проходное сечение, например, в турбомашинах ГЭС, ГАЭС, крупных насосных установках и др. Жесткий каркас 15 (фиг. 5), на котором закреплен резиновый или матерчатый чехол 16, раструбы 10 и муфты 11 и 14 могут быть выполнены из стеклопластика. В каркасе 15 может быть одно или несколько щелевых отверстий 17. Чехол 16, а также оболочка 18 (фиг. 6) могут быть выполнены из водостойкой резины или из ткани на основе стекловолокна, например, из стеклохолста (стекломата), или стеклорогожки, или стеклоткани. Могут быть осуществлены и другие варианты заявляемого способа, в которых в качестве газа 3 использован не воздух, а другой газ, например углекислый газ, хлор, фтор, выхлопные газы и др.