Файл: Дмитриев Ю.Я. Гидравлические импульсные струи на лесосплаве.pdf

мать во внимание только влияние дополнительных стенок, роль которых выполняют боны (без козырьков и с козырьками), обра­ зующие рейдовые сооружения, а также их наклон (сужение кори­ дора козырьками в нижней части) и заглубление стенок под уро­ вень воды, то расчетная длина возбужденного струей потока мо­ жет быть определена по формуле

Рабочая длина возбужденного струей потока при одной и той лее ширине водоема и всех прочих равных условиях мало изменяется с изменением глубины водоема, но все лее при возрастании глу­ бины до 4 м наблюдается увеличение L. Это объясняется влиянием шероховатости русла. При дальнейшем увеличении глубины от 4 до 10 м величина L уменьшается, что объясняется возрастанием масс, вовлекаемых в возбужденный поток.

При ширине коридора от 3 до 20 м и постоянном заглублении стенок уменьшение ширины приводит к увеличению дальности рас­ пространения потока. Это относится к гидравлическим струям, вы­ текающим из насадков с выходными диаметрами от 200 до 800 мм при заглублении насадков не выше \,5do.

Изоляция участка вертикальными стенками существенно изме­ няет картину растекания поверхностных струй потока. При умень­ шении угла наклона между вертикальными стенками наблюдается увеличение дальности распространения потока по длине водоема. Интенсивность боковых водоворотов снижается. Параллельно рас­ положенные стенки приводят к еще большей стабилизации боко­ вых водоворотов и эжекционных расходов и соответственно к воз­ растанию длины потока. При заглублении нижних кромок верти­ кальных стенок Азаг-З^ (0,7 — 0,8)1г, где h — глубина воды в водоеме на трассе потока, дальность распространения потока оказывается близкой к дальности его распространения при вертикальных стен­ ках, -доходящих до дна, но не связанных с ним. При дальнейшем уменьшении заглубления стенок дальность распространения по­ тока уменьшается, что объясняется увеличением взаимодействия потока с окружающей его водной средой. Экспериментальными и производственными исследованиями установлено, что наибольшее относительное приращение длины возбужденного потока дости­ гается при диаметрах выходных отверстий струеобразующего на­ садка от 500 до 800 мм и скоростях истечения из насадка от 6 до 12 м/сек при всех прочих равных условиях.

Результаты проведенных научных исследований нашли широ­ кое применение на лесосплаве для продвижения как сплоточных единиц, так и отдельных бревен. Они, по

2 Зак. 34

фундаментальной теоретической базой для использования гндроускорнтелей на лесосплавных рейдах, работающих в условиях под­ пора при малых нлп почти полностью отсутствующих скоростях течения воды в водоемах.

Экспериментальные исследования по использованию гидравли­ ческих струй на лесосплаве имеются у ряда зарубежных авторов:

Тоге—Nilsen, Veloj О., Kivela А., Oram R., Förthmann E., Saarela

и др.

Способность аккумулировать огромные запасы энергии и пре­ вращать ее в энергию механическую — важнейшее свойство водя­ ных струн. Однако гидромеханизация, применяемая в настоящее время в промышленности и создающая непрерывно истекающие струи, не способна придавать нм кинетическую энергию жела­ тельно большей величины, поэтому увеличение энергетического по­ тенциала водяных струй является проблемой гидромеханики.

Решение данной проблемы многие исследователи увидели в ис­ пользовании для этих целей импульсных гидравлических стру-й. Над созданием механизмов, образующих импульсные струн с вы­ соким динамическим давлением, и их промышленной эксплуата­ цией работают как у нас, так и за рубежом.

За последние годы в зарубежной печати появился целый ряд работ по исследованию жидкостных струй сверхзвуковой скоро­ сти. В. Диппе и В. Cassen исследовали истечение жидкостных им­ пульсных струн из сопел диаметром 0,13—0,20 мм. Авторы опре­ деляли скорость переднего фронта сверхзвуковой импульсной струи по углу Маха на фотографии струн. Однако распределение скоро­ сти по оси струи и тем более по поперечному сечению ее авторами не исследовано.

Весьма ценными являются работы советских ученых по со­ зданию оригинальных конструкций водометов, изучению теорети­ ческого и практического использования импульсных струй жид­ кости сверхзвуковой скорости.

В Институте горного дела им. А. А. Скочинского в течение нескольких лет выполнялись исследования по установлению закономерностей процессов разрушения горных пород струями во­ ды высокой скорости (импульсными и стационарными). Импульс­ ные струи создавались специальными поршневыми гидрокомпрессорамн К-17 и ГК 2/2. Стационарная струя создавалась специ­ ально разработанным устройством типа мультипликатора. Прове­ денные авторами Ю. Г. Копяшиным и Г. М. Веселовым опыты показали, что для резания горных пород применение импульсных струй более эффективно, чем стационарной. В лабораторных усло­ виях Е. А. Сигаевым были проведены исследования эффективно­ сти разрушения различных материалов импульсными струями, ко­ торые показали преимущества импульсных струй перед стационар­ ными. Если стационарные струи в большинстве случаев оказались неспособными разрушать образцы горных пород, то импульсные достаточно эффективно их разрушали. Форма разрушения свиде­ тельствовала об отсутствии влияния размыва. Автором установ­

18

лено, что с применением импульсных струй отпадает необходи­ мость в высоких напорах.

Отдел быстропротекающих процессов Института гидродина­ мики СО АН СССР совместно с сотрудниками Якутского филиала СО АН СССР под руководством Б. В. Войцеховского провели исследования с целью проверки высоконапорных импульсных струй для измельчения горных пород. Опыты проводились в лаборатор­ ной установке импульсного водомета ИВ-4. В водомете использо­ валась энергия сжатого воздуха, находящегося в ресивере. Тяже­ лый поршень разгонялся сжатым воздухом и ударял по столбу воды в цилиндре, выталкивая ее через сопло с большой скоростью, равной 800 м/сек, и развивая при этом динамический напор струи при выходе из сопла до 5000 кг/см2. Длина струи, выбрасываемой из водомета при выстреле, около 15 000 мм. Давление, развиваемое водометом, зависит от правильного выбора насадка, согласно вы­ ражению

где-/С — константа, зависящая от конструкции водомета; do — выходной диаметр насадка.

Завышение без должных оснований диаметра насадка водомета приводит к резкому снижению динамического напора, а энергия поршня в основном теряется на тормозе. Поэтому в каждом кон­ кретном случае необходимо теоретическое обоснование выбора диаметра выходного сечения насадка.

Некоторые вопросы теории и практического использования вы­ соконапорных импульсных водяных струй разработаны М. А. Лав­ рентьевым, Б. В. Войцеховским, Э. А. Антоновым.

Исследования высокочастотных импульсных гидравлических струй, создаваемых гидравлическими компрессорами поршневого типа, основанными на принципе работы кривошипно-шатунного механизма, проведены М. А. Лисицей. Автор исследовал импульс­ ные струи высокой частоты пульсации (1000 им/мин), вытекающие из насадка диаметром 5 мм. Основные параметры, характеризую­ щие струю, — начальная скорость истечения, расход, эффективная длина и др., автором выражены аналитической зависимостью через параметры гидрокомпрессора:

где Ѵі — максимальная скорость импульса; ѵкр— скорость кривошипа;

Q — расход;

/эф — эффективная длина струи; ■Ош— диаметр штока;

dH— диаметр насадка;

гих работ большей частью касаются вопроса создания ■струй и практического использования их. Лишь в некоторых работах име­ ются теоретические исследования динамики развития и распро­ странения свободных незатопленных струй, в большинстве своем касающиеся начальных условий струи, количества движения жид­ кости в струе и ее энергетического потенциала. Законы изменения осевых скоростей, скоростей по поперечному сечению струи авто­ рами не рассматриваются.

Импульсные затопленные гидравлические струи с низкой ча­ стотой пульсации и созданные ими потоки вообще не исследова­ лись. Первые попытки исследования таких струй и созданных ими потоков принадлежат Н. Diekmann. Исследуя работу импульсного поршневого двигателя водометных судов, автор в результате ви­ зуального наблюдения дает схематически картину потока жидко­ сти, созданного движителем при всасывании и при импульсе (рис. 3). Характерной особенностью потока, созданного затоплен­ ной импульсной струей низкойчастоты пульсации, распространя­ ющейся в неограниченном водном пространстве тех же физических свойств, является образование ряда осесимметричных циркуляци­ онных водоворотных областей и цилиндрической транзитной ча­ сти потока, которая распространяется осесимметрично между водо.воротными областями как естественными границами. Законо­ мерности распространения импульсных струй и созданных ими потоков автором не исследованы.

Таким образом, если стационарные гидравлические струи, на­ шедшие широкое применение в различных отраслях промышлен­ ности, имеют достаточно изученную теоретическую базу, то им­ пульсные струи находятся в стадии экспериментальных и теоре­ тических исследований.

Импульсная гидравлическая струя, распространяясь осесим­ метрично в неограниченной, однородной с нею жйдкой среде, не­ прерывно расширяется. Расширение происходит за счет турбулент­ ного перемешивания частиц струи и окружающей ее среды. С удалением от выходного сечения насадка струя постепенно рас­ сеивается в окружающем ее водном пространстве.

Общая протяженность струи. может быть поставлена в зави­ симость от начальной скорости истечения ее из струеобразующего насадка или от напора струи при вылете из него, а также от на­ чального диаметра насадка. Изменение осевой скорости импульс­ ной. струи, в зависимости от расстояния по оси в каждом единич­

20