Print

У СНУ ім. В. Даля вчені та студенти розробили систему елементів струменевої макротехнікі на основі вихрових потоків

 

Жодне індустріальне підприємство не обходиться без систем, які використовують в якості робочих середовищ різні рідини і гази. Сьогодні управління потоками текучих середовищ здійснюється механічними робочими органами: клапанами, дросельними заслінками, засувками, шиберами, розподільниками тощо. Наявність у всіх конструкціях рухливих контактних механічних пар призводить з часом до їх зносу, що знижує надійність і довговічність не тільки самих пристроїв, а й позначається на показниках ефективності роботи систем в цілому.

Вивченням і усуненням таких проблем займаються на кафедрі «Гідрогазодинаміка» Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля під науковим керівництвом доктора технічних наук, професора Дмитра Сьоміна. Дмитро Олександрович з 1982 року працює над створенням засобів і систем керування силовими потоками текучих середовищ на базі елементів струменевої макротехнікі. На сьогоднішній день у цьому напрямку досягнуті певні успіхі.

Приборкання смерчу

Усім знайомі такі природні явища як смерчі, тайфуни, вири в річках. Це і є обертові (вихрові) потоки, які спостерігаються в житті. Зазвичай вони несуть в собі руйнівну силу, оскільки всередині такого потоку утворюється вакуум або воронка, через що відбувається всмоктування навколишніх предметів у центр. У вчених кафедри виникла ідея – чи не можна використовувати явища, пов`язані з обертовими потоками на благо людині.

У результаті розвитку цієї ідеї, у СНУ ім. В. Даля виник напрямок фундаментальних досліджень кафедри – «Гідродинаміка обертових потоків текучих середовищ». Основним завданням досліджень було встановлення фізичних картин течії, побудова адекватних математичних моделей і їх рішення. А прикладним напрямком є створення безконтактних засобів управління потоками текучих середовищ. При цьому використані два таких характерних явища вихору як наявність вакууму в пріосевій області і підвищений, по відношенню до навколишнього, тиск на периферії камери, що обмежує перебіг.

Таким чином, «приборкання» почали з того, що штучно обмежили створюваний обертовий потік текучого середовища стінками вихрової камери. Вихрова камера являє собою короткий циліндр з двома торцевими кришками. Образно кажучи, вона нагадує консервну банку.

Для створення обертової течії, потік середовища у вихрову камеру вводиться по дотичній до бічної стінки через тангенціальний патрубок. З вихрової камери обертовий потік виходить через осьовий отвір в одній з кришок. При цьому в пріосевій області вихрової камери створюється розрідження, а на периферії – на бічній стінці – тиск перевищує атмосферний за рахунок дії відцентрових сил. А якщо до вихрової камері приєднати ще один – радіальний – канал, буде створений вихровий клапан, тобто гідродинамічний пристрій, що дозволяє регулювати проточний через нього потік суцільного середовища без застосування будь-яких механічних запірних органів.

Принцип роботи вихрового клапана полягає в наступному. При відсутності потоку через тангенціальний канал середа втікає в вихрову камеру через радіальний канал (канал живлення) та без обертання випливає з неї через осьовий отвір в торцевій стінці. Опір течії з боку клапана при цьому незначний. При подачі потоку в тангенціальний канал, у вихровій камері відбувається його зіткнення з потоком живлення. У результаті цієї взаємодії утворюється результуючий обертальний протяг, що створює опір потоку живлення. Від ступеня обертання течії утворення залежить опір потоку живлення. Можна досягти стану, при якому потік живлення буде рівним нулю, тобто клапан закриється. І навпаки, якщо прибрати потік з тангенціального каналу – клапан відкриється.

За відповідних співвідношеннях геометричних розмірів проточних частин вихрового підсилювача можна отримати два види характеристик – релейну (дискретну) і підсилювальну (аналогову). Ця обставина є дуже важливою, тому що цим створюються передумови для побудови дискретної і безперервної систем управління. Модифікації конструкцій вихрових підсилювачів отримують за рахунок зміни числа і конфігурації каналів живлення, управління та виходу, їх взаємного розташування, а також форми торцевих кришок, домагаючись при цьому і зміни показників якості пристроїв.

Це дозволяє створити пристрої з регульованим опором, що не містять рухомих частин. Важливо відзначити, що агрегатні стани текучого через клапан середовища можуть бути будь-якими – рідкими, газоподібними, містити тверді домішки.

Керуємо текучими середовищами

Управління потоками текучих середовищ історично складалося наступним чином. Спочатку використовувалися механічні розподільники різного типу: клапани, шибери, затвори тощо. Механіка і донині існує, але вона має масу недоліків – «любить» чисті середовища, їй потрібне змащення та інше. Потім з`явилися пристрої мембранного типу, в яких механічний запірний орган переміщується за допомогою мембрани, до якої він прикріплений. Але елементи мембранної техніки, незважаючи на більш високі показники надійності і довговічності, у порівнянні з механічними, все ж містять механічні частини, та й сама мембрана, врешті-решт, рветься. Є й ще один недолік. Всі вищевикладені пристрої, як механічні, так і мембранні, ефективно працюють для управління потоками лише чистих середовищ, без домішок.

У середині минулого століття в автоматиці з`явилася струменева техніка. Ось в ній вже були відсутні рухомі частини. Принцип її роботи будується на взаємодії струменів. Довговічність і надійність струменевих пристроїв визначалися лише матеріалами, з яких вони виготовлені. Але струменева техніка пішла по шляху мініатюризації її елементів, необхідних для створення систем управління. Раніше пневматика добре конкурувала з електронікою, але остання «іскрила», що було небезпечно. Тепер електроніка не іскрить, тому займає міцні позиції завдяки відомим своїм достоїнствам. Але в будь-якій техніці крім управління потрібні надійні виконавчі органи. Дивно, але струменеві елементи спочатку практично не розглядалися як робочі органи виконавчих пристроїв.

Розроблена далівцями на кафедрі «Гідрогазодинаміка» система струменевих засобів управління текучими середовищами на основі вихрових клапанів, дозволяє підвищити надійність і довговічність промислових систем. Це досягається завдяки тому, що регулювальні органи струменевої системи не мають рухомих механічних частин і нечутливі до несприятливих умов промисловості – забруднень і домішок текучих середовищ. Ще одна перевага даних пристроїв полягає в тому, що за допомогою вихрових клапанів можна частково відкривати і закривати потоки, тобто це свого роду аналог водопровідного крана, що не містить механічних частин.

Вихрові клапани не мають жодної рухомий механічної частини, в них ніщо не ламається, як в механічних пристроях. Знос проточної частини тут практично не змінює робочі їх характеристики. Недолік вихрового клапана полягає в тому, що для підтримки його в закритому стані необхідні витрати енергії і керуючого середовища. Але в певних умовах виробництва надійність і довговічність є більш важливими факторами, ніж енергетичні витрати. Це умови роботи практично всіх видів промислового транспорту і їх систем, які можна віднести до екстремальних. Вони схильні до впливу різких перепадів температур, наявності абразивів, підвищеної запиленості, вологості, хімічної агресивності робочого і навколишнього середовища, вібрації тощо. У цих умовах процеси зносу контактуючих пар в механічних пристроях протікають на порядки швидше, ніж при їх роботі на чистому середовищі, і надійність обладнання в такому випадку набуває першорядний характер.

Крім того, запропонована далівцями система є самодостатньою і відкритою, тобто включає повний набір необхідних елементів для побудови керуючих пристроїв і систем на їх базі. З іншого боку вона може доповнюватися новими видами як засобів сполучення з системами управління, так і струминних регулюючих пристроїв.

У науці необхідно відповісти на три головні питання – описове («що відбувається»), пояснювальне («чому відбувається») і передвіщальне («що буде, якщо …»). У передвіщальній частині якраз і намагаються знайти практичне використання. А оскільки Дмитро Олександрович за освітою інженер, то він завжди все рівно дивиться на науку під кутом її практичного застосування.

Так виникло прикладний напрям досліджень кафедри – «Безконтактне керування потоками текучих середовищ». Метою стала розробка пристроїв безконтактного переміщення і управління потоками текучих середовищ. І такі пристрої не тільки були створені, але і мають всі передумови для успішного функціонування в різних галузях промисловості.

Винаходи, що випереджають час

Всі розроблені на кафедрі «Гідрогазодинаміка» конструкції оригінальні і захищені понад 30 авторськими свідоцтвами СРСР і патентами України на винаходи. Частина розробок знайшла промислове застосування.

Наприклад, п`ять комплектів розробленого спільно з інститутом «УкрНДІвуглезбагачення» пневматичного струменево-вихрового приводу гідравлічних відсаджувальних машин витримали 20-річну безвідмовну роботу на вуглезбагачувальних фабриках Донбасу. Відсадочні машини застосовуються для збагачення вугілля і руд, дія яких спрямована на розділення за допомогою води корисної фракції і мінеральних домішок, що містяться у вихідному матеріалі. У відсаджувальних машинах з повітряним приводом коливальні рухи води отримують за рахунок циклічного впуску і випуску стисненого повітря в повітряні відділення пульсаторами різних конструкцій.

Пульсатор містить два клапани, один з яких впускає повітря, а другий випускає його. Пульсатори відсаджувальної машини, забезпечуючи робочий цикл, в значній мірі впливають на якість процесу збагачення і тому, як найбільш відповідальний вузол, постійно піддаються вдосконаленням. Механічні повітророзподільники-пульсатори в умовах збагачувальних фабрик схильні до швидкого зносу через наявність елементів, що труться і швидко зношуються. Надійність пульсаторів істотно підвищується на основі розроблених далівцями вихрових клапанів. Так, ними розроблено ряд конструкцій струменево-вихрових пульсаторів і схем приводу на їхній базі, які на практиці вже підтвердили свою надійність і зносостійкість.

Ще однією розробкою учених і студентів стали вихрові виконавчі пристрої в системі транспортування та дозування рідин для фарбування тканин, що успішно застосовуються хімічною станцією ВО «Лутрі». Основним циклом в легкій промисловості, що визначає якість тканинної продукції, є процес дозування хімікатів, що знаходяться в рідкому агрегатному стані у необхідному обсязі, і транспортування їх до фарбувально-оздоблювальних машин. Практично всі розчини, що використовуються в процесі фарбування тканин, є хімічно агресивними і небезпечними для здоров`я людини, а обладнання повинно бути стійким до впливу цих середовищ, надійним і довговічним. Однак застосуванням відповідних матеріалів може бути вирішена тільки одна частина завдання. Забезпечити ж необхідну надійність і довговічність традиційними засобами складно з ряду обставин. Тому в системі легкої промисловості далівцями було запропоновано використовувати спеціально розроблену нову техніку – вихрові виконавчі пристрої. Вони побудовані на базі струменевої техніки, і не містять рухомих механічних частин і разом з тим дозволяють перекривати потоки проходячих через них рідких середовищ без гідравлічних ударів. Довговічність їх практично є необмеженою в порівнянні з механічними пристроями подібного призначення.

Також на кафедрі «Гідрогазодинаміки» спільно з Інститутом інженерної екології розроблені вихрові регулятори витрат газу в системах засобів діагностики технічного стану промислового транспорту. Контроль вихлопних газів транспортного засобу як джерела забруднення атмосфери здійснюють мінітунелі. У схемі мінітунеля запропоновано замість енергоємного способу створення аеродинамічного опору від зустрічного потоку використовувати інший вид аеродинамічного регульованого опору – вихровий клапан-підсилювач. Витрати потужності на управління цим видом опору в багато разів менше.

У запропонованому далівцями пристрої немає відривних течій, які завжди утворюються в механічних конструкціях. В існуючій для діагностики вихлопних газів механіці проточна частина, як правило, завжди складна, з різкою зміною конфігурації стінок, і внаслідок інерції вся рідина не може уздовж цих стінок рухатися, вона відривається, з`являються зони зворотних течій. У цих зонах зворотних течій тверді частинки осідають і спотворюють дійсні показники їх концентрації. Тому цілком резонно, що з`явилася необхідність в пристрої, в якому б все це не відбувалося. Вихрові клапани являють собою практично досконалий аеродинамічний пристрій, в них практично немає відривних течій. Завдяки своїм розробкам далівці створили дослідний зразок, який підтвердив високу точність відбору проб, забезпечуваний системою з регульованим опором у вигляді вихрового клапана-підсилювача.

Розробки далівців застосовні не тільки в промисловості, але і в сільському господарстві. Однією з актуальних завдань сільського господарства є дозування сипучих матеріалів при посіві, таких як посівний матеріал, мінеральні добрива або отрутохімікати. Це завдання вирішується шляхом заміни класичних сівалок струминними системами точного висіву насіння. Такі висівні системи дозволяють витрачати точно необхідну кількість посівного матеріалу, отрутохімікатів і мінеральних добрив, що дозволяє істотно скоротити витрати на видатковий матеріал.

Зараз під керівництвом професора Дмитра Олександровича Сьоміна на кафедрі працюють над створенням відцентрових насосів без валу і робочого колеса, використовуючи всі ті ж ефекти смерчу. Вже зроблені перші лабораторні зразки таких пристроїв, які підтверджують спроможність ідеї і перспективність. У порівнянні з відомими струминними насосами, розроблені далівцями мають більш високий ККД, вони так само нечутливі до забруднень середовища, що перекачується. Такі насоси були б вкрай необхідні знову ж таки в вуглезбагачення і на теплоелектростанціях.

На жаль, економічні умови, що змінилися, призупинили використання винаходів у виробництві, та й, можливо, ці розробки дещо випереджають наш час. Наявні засоби управління потоками поки задовольняють промислових підприємців, але й «досконалим» розробкам далівців свій час обов`язково прийде.

Наталія Вергуненко