Влияние кавитации на гидравлические характеристики дроссельных устройств гидропривода

Влияние кавитации на гидравлические характеристики дроссельных устройств гидропривода

М.М. Глазков, канд.техн.наук, доц.;

Вступление

В условиях использования в гидравлических приводах высоких давлений особую актуальность приобретает проблема предотвращения нежелательных проявлений кавитационных эффектов.

Кавитация ставит проблему научного исследования механизма влияния на гидравлические характеристики дроссельных устройств в ряд наиболее острых.

В то же время управление процессами, сопровождающими кавитационное истечение - перспективное, поскольку позволяет не только бороться с кавитационными процессами, но при необходимости их инициировать. Кавитация нашла применение в следующих функциональных устройствах: генераторы пульсаций давления, ограничители и стабилизаторы расхода, компенсаторы гидроудара, диспергаторы, устройства для очистки и др.

Для предотвращения кавитации очень важным является определение рациональных параметров проточной части дроссельных устройств и соответственно создаваемого противодавления для заданной конфигурации проточной части.

Поскольку работа устройства в режиме кавитации приводит к изменению гидродинамических характеристик потока, значительный практический интерес имеет знание методик расчёта проточной части дроссельных устройств, работающих в нормальных условиях эксплуатации и в кавитационном режиме.

Целью данного исследования была разработка методик расчёта кавитационных характеристик дроссельных устройств. Данные исследования создают предпосылки для использования кавитации в практических целях.

Результаты

При заданной форме гидравлического канала (дросселя) кавитация возникает при некотором вполне определённом для данного сечения потока значении безразмерного параметра, который принято называть числом кавитации:

,

где - скорость истечения жидкости; - давление входа; - давление порога кавитации.

Этот параметр служит одним из критериев моделирования кавитации. Полная система определяющих критериев для несжимаемой жидкой среды без учёта сил тяжести и поверхностного натяжения для удовлетворения условий гидродинамического подобия при истечении через дроссельное устройство будет следующей:

;;;; ;,

где - длина дросселя; - диаметр канала, в котором установлен дроссель; - шероховатость стенок дросселя; - кинематическая вязкость рабочей среды.

Для условий кавитационного истечения

, или,

,

После деления числителя и знаменателя с учётом того, что для напорных магистралей получают. Таким образом, противодавление представляет собой безразмерный критерий подобия при моделировании истечения жидкости через дроссельные устройства. Перепад давления представляет собой, в свою очередь, число кавитации, записанное в виде

.

Под критическими параметрами истечения жидкости подразумевают значение перепада давления или противодавления, при которых в дроссельном устройстве возникает кавитация. Критическое значение перепада давления на дросселе разграничивает режимы истечения жидкости с кавитацией и без кавитации (рис. 1).

Положение точки расходной характеристики для цилиндрического насадка, в которой происходит смена режимов истечения, можно найти из равенства в этой точке расходов, определяемых уравнениями:

, (1)

; (2)

где _`- расход жидкости при истечении без кавитации; - коэффициент расхода, отнесенный к перепаду давления на насадке от входа до выхода; - расход жидкости при кавитационном истечении; µ_II- коэффициент расхода, отнесенный к перепаду давления от входа до критического сечения.

По уравнениям (1) и (2) определяют расход для жидкости для истечения без кавитации. Уравнение (1) относится только к бескавитационным режимам, уравнение (2) описывает истечение жидкости при кавитации только для сечений вверх по потоку от критического сечения.

Приняв, уравнения (1) и (2) решают совместно. Находят критический перепад

.

После математических преобразований получают:

(3)

Критический перепад зависит от двух параметров: гидродинамической характеристики дросселя и критического давления, при которых в потоке возникают разрывы сплошности, - порога кавитации. Критическое давление для напорных и всасывающих линий гидравлических систем, работающих на жидкости АМГ-10, составляет 1 - 5 кПа. Давление порога кавитации зависит от степени насыщения жидкости свободным газом.

Для напорных магистралей гидравлических систем и уравнение (3) примет вид

=. (4)

Коэффициент расхода жидкости характеризует свойства одной входной части насадка. Применительно к истечению жидкости через насадок Вентури для зоны автомодельности. Следовательно, на одном дросселе типа насадка Вентури может быть без кавитации сработан перепад давления ==.

Критическое давление за дросселем в долях давления

=.

Для дроссельных каналов с известными гидравлическими коэффициентами сжатия струи сопротивление и трения по длине критических параметров и можно получить из совместного решения уравнений Бернулли и расхода с учётом дополнительного уравнения, отражающего условия нарушения сплошности потока . Для насадка конфузорно-диффузорного типа критический перепад и критическое противодавление можно рассчитать по известным коэффициентам сопротивления конфузора и диффузора, используя уравнения Бернулли, расхода и условие.

Учитывая, что критический перепад и критическое противодавление связаны между собой зависимостью, получают

,

Аналогичным образом производят расчёт кавитационных характеристик насадка Борда (рис.2.), для которых формула имеет вид

,

где коэффициент сжатия струи.

Методика расчёта кавитационных характеристик дроссельных устройств базируется на их гидродинамических характеристиках. Данные о гидродинамических коэффициентах получают экспериментально.

Поскольку натурные испытания трудоёмки и для вновь проектируемых устройств просто невозможны, то эксперименты проводятся чаще на моделях. На рис.3. показаны зависимости коэффициентов расхода от числа Рейнольдса для цилиндрических и конфузорно-диффузорных насадков. Верхние кривые 1 соответствуют режиму истечения жидкости без кавитации, нижние кривые 2, полученные при кавитационных режимах истечения жидкости, характеризуют бескавитационное истечение через изолированную входную часть насадка.

Области малых чисел Рейнольдса на истечение жидкости значительное влияние оказывают силы вязкости рабочей среды. Характерной особенностью зависимости для всех типов исследованных дроссельных устройств является наличие области, где коэффициент расхода линейно возрастает с увеличением числа Рейнольдса. Данная область у исследованых дроссельных устройств ограничена значением критерия. Преобладающими в ней являются силы трения.

Сжатие струи за выходным сечением отсутствует, так как силы инерции невелики и с избытком компенсированы силами вязкости. Потери на внезапное расширение струи за сжатым сечением отсутствуют.

В области развитого турбулентного течения коэффициенты сопротивления и сжатия принимают стабилизированные значения, поэтому и коэффициенты расхода у дроссельных устройств также принимают постоянные значения. Область стабильных значений коэффициентов расхода у исследованных типов дроссельных устройств начинается с числа Re10⁴. Отклонение от линейной зависимости между и у различных типов дроссельных устройств происходит при различных значениях числа Рейнольдса. Для цилиндрических насадков, для конфузорно-диффузорных. Коэффициент расхода входной части дроссельного устройства рассчитывается только для условий истечения с кавитацией, когда давление в сжатом сечении известно без его измерения. Коэффициент расхода от значений числа Рейнольдса зависит в меньшей мере, чем, что можно объяснить незначительностью гидравлических потерь на входной части насадков рис.3. кривые 2. Главным фактором, влияющим на значение коэффициента, которое незначительно изменяется в диапазоне, является сжатие струи.

Влияние кавитации на значение коэффициентов расхода показано на примере цилиндрического насадка (=1,5мм, =6,0мм, =8мм). Из рис.4. следует, что после зарождения кавитации по мере роста перепада давления сверх критического резко уменьшаются значения коэффициентов расхода до минимального.

Резкое снижение значений коэффициентов расхода при увеличении перепада и неизменном расходе вызвано ростом гидравлических потерь в кавитационной зоне. Промежуточные значения коэффициентов расхода с учетом влияния кавитации вычисляют по уравнению

. (5)

Выводы

В данной статье предложена методика расчёта кавитационных характеристик дроссельных устройств, в основе которой лежат расчётные формулы для определения критических параметров истечения для трёх типов насадков: насадка Борда, Вентури и конфузорно-диффузорных насадков. В частности установлено, что для предотвращения кавитации в насадке конфузорно-диффузорного типа необходимо создать противодавление, равное 0,80 от рабочего, для насадка Борда противодавление должно составлять 0,45 от рабочего и 0,50 для цилиндрического насадка. Критический (стабилизированный) расход жидкости через насадок можно рассчитать по формуле

.

Установлено также влияние параметров жидкости на характеристики истечения жидкости при кавитации и отмечается, что у гидравлических жидкостей с различными величинами давления упругости паров в диапазоне температур 20-60°C характеристики истечения практически одинаковы. Широкие исследования влияния кавитации на гидравлические характеристики дроссельных устройств создают предпосылки для использования явления в практических целях.

Summary

In the modern hydraulic systems drosselling devices execute the most different and responsible functions of regulation. At origin of a cavitation of a fluid in drosselling devices are considerably aggravated exposure characteristics of this devices in a hydraulic-circuit system as a whole.

Список литературы

1. Кавитация в жидкостных системах воздушных судов / М.М. Глазков, В.Г. Ланецкий и др. - К.: КИИГА 1987, 64 с.

2. Пирсол И. Кавитация. - М.: Мир, 1975. - 94 с.

3. Авторське свідоцтво на винахід “Спосіб очищення внутрішньої поверхні трубопроводу та пристрій для його здійснення”/ М.М. Глазков, В.М. Куренков, Т.В. Тарасенко. UA 51481 A.