Встатье приведены результаты исследования гидроэлеваторов и сравнения конструкции с прямоточным подводом пассивной всасываемой среды в приемную камеру и конструкции гидроэлеватора с подводом пассивной среды с закруткой. Экспериментальные исследования показали, что закрутка оказывает крупномасштабное влияние на поле течения; на расширение струи, процессы подмешивания и затухания скорости в струе. На все эти характеристики влияет интенсивность закрутки потока. Исследования позволили выявить, что достигаемый положительный эффект в конструкции с вихревым подводом всасываемой среды значительно больше, чем для конструкции с обычным прямоточным подводом, на основании чего можно полагать о предпочтительности применения данной конструкции в случаях, когда требуется увеличить подачу струйного насоса.
Ключевые слова: гидроэлеваторы, закрутка потока, гидромеханизация, эксперименты, коэффициент эжекции, число Рейнольдса.
Keywords: gidroelevatory, rollup of stream, hydromechanization, experiments, coefficient of ezhekcii, number of Reynolds
ВВЕДЕНИЕ
Сильное влияние закрутки на инертные и реагирующие течения хорошо известно и изучается на протяжении многих лет. Когда эффект закрутки оказывается полезным конструктор старается создать закрутку, наиболее подходящую для решения его задач, если же подобные эффекты нежелательны, конструктор предпринимает усилия для регулирования или устранения закрутки.
Закрученные течения являются результатом сообщения потоку спиралевидного движения путем тангенциальной (спиралевидной) подачи в камеру закрутки с формированием окружной компоненты скорости (называемой также тангенциальной компонентой скорости). [1]
В настоящее время одной из главных задач интенсификации народного хозяйства является разработка и внедрение ресурсосберегающих технологии, а также высокоэффективных прогрессивных устройств. Одним из прогрессивных устройств являются струйные насосы — гидроэлеваторы. [2,3,4,5]
Гидроэлеватором называется струйный аппарат, в котором происходит смешение и обмен энергией двух потоков жидкостей разных давлений с образованием смешанного потока с промежуточным давлением.
Подаваемая под высоким давлением в аппарат среда называется рабочей или активной средой, а всасываемая называется пассивной средой.
Гидроэлеваторы успешно используются при гидромеханизации мелиоративных работ: для очистки каналов; вскрытия толщи земли; транспорта наносов, двухфазных жидкостей; понижения уровня грунтовых вод; очистки шахтных колодцев, скважин, водоемов от наносов; гидротранспорта наносов и т. д. [6,7,8]
Как показывает многолетний опыт эксплуатации гидроэлеваторов на практике, эффективная их работа зависит от многих факторов, в том числе и от того, как подводится водогрунтовая среда к всасывающему патрубку. [9]
С целью исследования и сравнения функциональных возможностей были изготовлены и смонтированы на экспериментальном стенде две конструкции гидроэлеваторов, принципиальным отличием которых является то, что в первой конструкции пассивный всасываемый поток подводится в приемную камеру обычным способом — прямоточно, а во втором случае — с закруткой, через тангенциальный подвод (рисунок1). [10,11]
Рис. 1. Конструкции гидроэлеваторов.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Экспериментальные исследования показали, что закрутка оказывает крупномасштабное влияние на поле течения; на расширение струи, процессы подмешивания и затухания скорости в струе. На все эти характеристики влияет интенсивность закрутки потока.
Исследования позволили выявить, что достигаемый положительный эффект в конструкции с вихревым подводом всасываемой жидкости значительно больше, чем для конструкции с обычным прямоточным подводом, на основании чего можно полагать о предпочтительности применения данной конструкции в случаях, когда требуется увеличить подачу струйного насоса.
Вихревой тангенциальный подвод всасываемого пассивного потока оказывает существенное влияние на гидравлические параметры струйного насоса (гидроэлеватора).
Рис. 2. Зависимость коэффициента эжекции от числа Рейнольдса активного потока для прямоточного гидроэлеватора. Ось абцисс — число Рейнольдса (Re). Ось ординат-коэффициент эжекции.
Рис. 3. Зависимость коэффициента эжекции от числа Рейнольдса активного потока для вихревого гидроэлеватора. Ось абцисс — число Рейнольдса (Re). Ось ординат-коэффициент эжекции.
Анализ зависимостей коэффициента эжекции от скорости из активного сопла (рисунки 2,3) показывает, что коэффициент эжекции гидроэлеватора с вихревым подводом (q1 = 0,76) значительно превосходит значение коэффициента эжекции гидроэлеватора с прямоточным подводом (q2 = 0,56) при одинаковых исходных гидравлических параметрах.
Рассмотрение зависимости q= f (Rе) показало, что существует критическое значение числом Рейнольдса Rекр=1,2х105, выше которого увеличение коэффициента эжекции не происходит, т. е. существует автомодельная зона.
Полагая, что коэффициент эжекции зависит от интенсивности передачи энергии активного потока пассивному, заключили, что чем больше активный поток передаст кинетическую энергию пассивному, чем эффективнее используется поверхность активной струи, которая является рабочей, тем больше значение коэффициента эжекции. [12,13]
По всасывающему действию поверхность активной струи подобна поверхностям рабочих органов других насосов — торцевой поверхности поршня, подсасывающим сторонам лопастей центробежного насоса и т. д.
Экспериментальные данные показали, что закрутка всасываемого потока оказывает сильное влияние на рабочие характеристики гидроэлеватора.
При увеличении степени закрутки увеличивается интенсивность смешения потока, возникают большие градиенты давления в радиальном и осевом направлениях, что приводит к увеличению коэффициента эжекции.
Как известно, интенсивность закрутки характеризуется параметром закрутки, представляющим собой безразмерное отношение осевой компоненты потока момента количества движения к произведению осевой компоненты потока количества движения и эквивалентного радиуса сопла. [14]
Параметр закрутки также может быть представлен в виде
S = 
где G = Uw/U0 — отношение окружной компоненты скорости к осевой.
Кривая зависимости q = f (S) (рисунок 4) плавно растет до критического значения Sкр = 0.20, после чего дальнейшее увеличение параметра закрутки не влияет на увеличение коэффициента эжекции.
Рис. 4. Зависимость коэффициента эжекции от параметра закрутки. Ось абцисс-параметр закрутки. Ось ординат-коэффициент эжекции.
Важнейшей характеристикой гидроэлеватора является также зависимость безразмерного перепада абсолютных гидростатических давлений от коэффициента эжекции [15]
;
Анализ экспериментальных данных показывает, что при одинаковых исходных гидравлических параметрах в обеих конструкциях гидроэлеваторов, достигаемый перепад гидростатических давлении и коэффициент эжекции конструкции гидроэлеватора с тангенциальным подводом намного превышает такие же параметры гидроэлеватора с прямоточным подводом всасываемой среды.
ВЫВОДЫ
Вышеизложенное позволяет заключить, что дальнейшее исследование гидроэлеватора с закруткой всасываемого потока представляет большой научный и практический интерес, а внедрение конструкции гидроэлеватора закруткой всасываемого потока в производство принесет значительный экономический эффект.
Литература:
1. Халатов А. А.Теория и практика закрученных потоков. –Киев: Наукова думка, 1989.–191 с.
2. Ржаницын Н. А. Водоструйные насосы (гидроэлеваторы). — ГОНТИ. Редакция энергетической литературы, 1938. — 272 с.
3. Соколов Е. Я. Исследование водоструйных насосов (элеваторов) и методика их расчета. // Известия ВТИ. — 1949. — № 11. С.12–16.
4. Соколов Е. Я, Зингер Н. М. Струйные аппараты. Вт. изд. — М.: Энергия, 1970. — 352 с.
5. Темнов В. К. Основы теории жидкостных эжекторов. — Челябинск, 1971. — 88 с.
6. Юфин А. П. Гидромеханизация: Учебник для вузов. — М.: Стройиздат, 1965. — 466 с.
7. Фридман Б. Э. Гидроэлеваторы. — М.: Машгиз, 1960. — 324 с.
8. Абдураманов А. А. Механика вихревых и винтовых потоков жидкости и ее приложение в гидротехнике. — Ташкент, 1985. — 113 с.
9. Подвидз Л. Г., Кирилловский Ю. Л. Расчет струйных насосов и установок. / Тр. ВИГМ. — 1968. — Вып. 38. — С. 44–97.
10. Патент РФ № 2016260 F 04 F 5/02. Струйный насос. /Абдураманов А. А., Сейтасанов И. С..Опубл.15.07.94. Бюлл.№ 13.
11. Патент РК № 4751 МКИ F 04 F 5/02/. Струйный насос. /Абдураманов А. А., Сейтасанов И. С..Опубл.16.06.97. Бюлл.№ 2.
12. Лойцянский Л. Г. Механика жидкостей и газов. — М.: Наука, 1970. — 904 с.
13. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. — М.: Физматгиз., 1972. — 711 с.
14. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Закрученные потоки. Пер. с англ. — М.: Мир, 1987. — 589 с.
15. Лямаев Б. Ф. Гидроструйные насосы и установки. — М.: Машиностроение. 1988. — 277 с.
