Google PageRank — Sidoran.ru — Анализ сайта Auto Web Pinger Кумулятивный фильтр, теоретические и экспериментальные исследования,Конструкции кумулятивного фильтра

        домой         конспект          соображения          фильтр          ваше мнение                                     

 

       1. Кумулятивная струя.

   2. Теоретические исследования цилиндрического фильтра.

   3. Экспериментальные исследования.

   4. Конструктивные решения.

 

 

 

здесь может
быть ваша
реклама

 

ФИЛЬТР

        Вашему вниманию предлагается различные схемы простейших лопастных кумулятивных фильтров, работающих по  принципу динамических лопастных гидромашин.

Кумулятивная струя

      Для того чтобы рабочий процесс и теория фильтров была достаточна понятна, напомним условия возникновения кумулятивной струи и ее теоретические основы.

       Кумулятивная струя возникает, когда поток жидкости встречает твердую поверхность  под углом α, как показано на рис.1. Аналогичный эффект будет наблюдаться, когда твердая поверхность (пластина, лопатка и др.) движется под углом в покоящейся жидкости.  В результате  вдоль плоскости образуется струя, скорость которой во много раз превышает скорость набегающего потока, а следовательно, струя несет огромную кинетическую энергию. Определим скорость кумулятивной струи u при скорости потока v, который встречает поверхность под углом α (см. рис 2).
     Точка пересечения фронта потока с плоскостью перемещается со скоростью  vг. Если перейти в систему отсчета, движущейся с этой скоростью, то получим простое взаимодействие струи с твердой поверхностью, когда поток делится на левый и правый с равными скоростями  vn. Таким образом получаем, что скорость кумулятивной струи u - есть сумма vгvn. Определим эти скорости из параллелограмма скоростей: 

 u =  vгvn = v*ctgα + v/sinα = v*ctg/2)

      Из формулы следует, что при α = 10о  u ≈ 11v, при α = 2о  u ≈ 57v и так далее. Во много раз кинетическая энергия ρ*u2/2 кумулятивной струи будет больше, чем у натекающего потока v, обозначим отношение  ρ*u2 / ρ*v2 = z. Тогда при  α = 10о  z ≈ 120, при α = 2о  z ≈ 3200!
     
Для подтверждения этого явления можно легко выполнить эксперимент с падением стержня, на конце которого закреплена пластина под некоторым углом к горизонту. Стержень закрепляется в штативе, установленным над емкостью с покоящейся жидкостью. Если поднять стержень над поверхностью жидкости всего на 20см. и отпустить его в свободное падение, то в момент входа пластины в жидкость возникнет кумулятивная струя, летящая на расстояние в несколько метров. Замерив дальность полета струи L, по формуле u =
√(g*L/sin2α) можно определить скорость кумулятивной струи.
  
 
Работа, ниже рассматриваемого фильтра, отличается тем, что кумулятивная струя образуется встречным движением как потока, так и поверхности лопатки. Этим самым, увеличивается скорость и мощность струи при малом крутящем моменте и небольших оборотах лопатки.
 Применим принцип обратимости и будем считать, что лопатка не подвижна, а поток жидкости вращается с окружной скоростью u =
ω*R = πRn/30. Скорость кумулятивной струи uк можно получить из параллелограмма скоростей (см. рис. 3):

                                   uк = с + w + vR ,                                                                                                  (1)                        где vR - скорость потока через сетчатое полотно,

                            с = u /sinα;                                                                       (2)

                       w = u*ctgα - нормальная к поверхности сетки                             (3)

 Подставим значения скоростей в (1) и учтем коэффициентом  φ сопротивление сетчатого полотна и ударные потери при взаимодействии потока с лопаткой

           uк = φ (ω*R*ctg(α / 2) + vR )                                                                              (4)

      Формула (4) позволяет определить расчетные кинематические и динамические характеристики кумулятивной струи,  а также величину крутящего момента на валу лопаток. Эта струя, обладая большой кинетической энергией, способствует непрерывному движению твердых взвесей и другого мусора по сетке фильтра. Причем, их движение направлено в сторону противоположную вращению лопаток, что как известно, противоречит теории динамических гидромашин. Вот поэтому,  при расчете и проектировании лопастных гидромашин  и при любых подобных видах движения необходимо учитывать возможность возникновения кумулятивной струи. Ссылка на автора обязательна! 

 Теоретическое исследование цилиндрического фильтра

       Задача очистки сетчатого полотна в процессе работы фильтрующего устройства  конструктивно простыми, недорогими и эффективными средствами еще не решена. Предлагаемое устройство (рис. 1) является по своей сути оптимальным вариантом гидравлической флейты, но фронт струи вдоль образующей непрерывный, не требует питательного насоса. Кроме того, нет сложного подвода жидкости к вращающимся частям устройства.
      Гидравлическая флейта представляет собой трубу с непрерывно распределенным расходом, у которой по образующей боковой поверхности просверлены отверстия. Эта труба, вращаясь с внутренней стороны сетчатого полотна, струями из отверстий пытается смыть осевший на ней мусор, осадок и др. Однако,  мусор под действием фильтрующегося потока будет снова прижимается к сетке. Как вариант, струи можно направить под углом   к сетке, но при этом,  для достижения эффекта очистки  необходимо значительно увеличить скорость (мощность) истечения струй. В результате, такое устройство будет иметь низкий к.п.д.
       Очистным элементом цилиндрического лопастнова кумулятивного фильтра (ЦЛКФ) является наклонная вращающаяся пластина 1,  расположенная на валу 5 на минимальном расстоянии от сетчатого полотна 2. Фактически, эта пластина есть - укороченная лопатка динамического насоса. Наклонные пластины приводятся во вращение автономно внешним двигателем или турбинкой 4 с направляющим аппаратом 3, установленной на валу пластин и вращаемой потоком отфильтрованной жидкости. Последний привод экономичнее и компактнее, особенно в тех процессах, где расход фильтруемой жидкости изменяется, а поэтому будет изменяться и частота вращения лопаток (пластин) без ухудшения эффективности очистки сетки. Для уменьшения сопротивления движению лопатки к ней прикреплен закрылок 6, ширина которого равна ширине лопатки.
      Наклонные пластины вращаясь, образуют непрерывную кумулятивную струю, имеющую большую скорость, направленную под углом к сетчатому полотну фильтра. В результате, вокруг сетчатого полотна образуется вращающаяся волновая завеса, которая препятствует прижатию мусора и других тел к сетчатому полотну, и что важно, способствует их движению до мусоросборника 3 (рис. 2).

В результате анализа взаимодействия лопатки с потоком жидкости установлено, что причиной движения тел по сетке в направлении, противоположном вращению вала очистного устройства, является кумулятивная струя, направленная вдоль лопатки к сетчатому полотну. Для рассмотрения этого явления применим принцип относительности движения, т.е. остановим лопатку, предполагая вращающийся с ее скоростью поток. На рис. 2 совмещены два треугольника скоростей. Вектор а есть сумма окружной скорости u = ω*R и  радиальной скорости VR  потока на сетке:

                                                           VR = Q/S                                                                            (1)  

где Q – расход фильтруемого потока, м3 /с, S – площадь сетчатого полотна, м2 .

          При VR = 0 в обращенном движении жидкость натекала бы на лопатку под углом γ (угол установки лопатки). Фильтрующийся же поток уменьшает Ðγ на величину угла β, т.е. α =  γ - β.        Из верхнего треугольника скоростей Ðβ = arctg(VR /u). Выражая радиальную скорость через        расход (1) а  окружную u через частоту вращения n, получим

                                          β = arctg( 1,52*Q/( n*R2 *L))                                                  (2)

         R - максимальный радиус лопатки, м; L - высота сетчатой поверхности  фильтра или (длина лопатки), м.      

Из нижнего треугольника скоростей получено выражение для определения скорости кумулятивной струи uк ,образующейся в результате взаимодействия потока, движущегося со скоростью а под углом α к лопатке:

                                          uк= ω*R*ctg(α / 2),                                                               (3)

           где углом α = γ - β учитывается радиальная VR скорость  фильтрующего потока. Таким образом, скорость и кинетическая энергия кумулятивной струи увеличиваются с уменьшением угла α и возрастанием скорости VR . При этом уменьшается касательная составляющая на сетке, а следовательно, и увеличивается время движения тел по ней до сборного лотка 3 (см. рис. 2)              для отвода мусора, взвесей от фильтра.

 

Расход кумулятивной струи Qк определим следующим образом. Объем кольца, описываемого радиальной проекцией лопатки за один оборот, составит

W = S*L 

где S — площадь кольца (S = π*B*(D*sinφ - B)), м2 ; В - ширина лопатки, м;      D - диаметр цилиндрического сетчатого полотна, м;  φ - угол между лопаткой и касательной к сетчатому полотну у выходной кромки лопатки:

                         Ðφ = (90 - γ) + arcsin(2B*sinγ / D)

        Тогда,             W= π*B*L*( D*sinφ - B)                                 (4)          

Теоретический расход при угловой скорости ω

                                                Q = W*ω = π2 * B*L*n*(D*sinφ - B) / 30                                (5)

Сила взаимодействия кумулятивной струи с лопаткой равна изменению количества
       движения
             P =
ρ*Qк *uк *( 1 – cosφ)                               

С учетом (3) и (5) и коэффициента потерь μ

                                                                    P = 1,67*10-2 μ*ρ*n2 *D*B*L*(D*sin φ - B)(1 - cosφ)*ctg(α/2)          (6)

      Крутящий момент Мкр  на валу ЦЛКФ получим, умножив силу Р на радиус центра тяжести лопатки R0 = R – (B/2)*cosγ
      и на число лопаток z   

                           Мкр = (1,67*10-2 μ*ρ*n2 *D*B*L*(D*sinφ - B)(1 - cosφ)*ctg(a/2))*( R – (B/2)*cosγ)*z                                    (7)

Экспериментальные исследования

      Экспериментальная установка ЦЛКФ состоит из цилиндрической сетки диаметром 0,19 и высотой 0,25 м, очистного устройства в виде двух вращаю­щихся наклонных пластин, закрепленных на валу. Регулировка частоты вращения очистного устройства осуществлялась  двигателем постоянного тока. Конструкция установки предусматривала возможность изменения угла наклона и ширины лопаток, зазора между лопатками и сеткой, а также крутящего момента.
    Значение крутящего момента определялось при помощи балансирно подвешенного двигателя постоянного тока, а частота вращения - тахогенератором со световой индикацией. Измерения проводились в нескольких сериях опытов при различных геометрических параметрах наклонных пластин. Определение крутящего момента Мкр было выполнено  в пяти сериях опытов с различными углами установки лопаток (
γ = 15, 30, 35, 45, 60°). В каждой серии по пять опытов с различными скоростями фильтруемого через сетку потока (  V = 0,25...0,60 м/с) в диапазоне частоты вращения n = 50...300 об/мин. Для сравнения проведен опыт по изменению крутящего момента без закрылка при угле лопатки 35° и скорости 0,4 м/с, Величина и направление импульса кумулятивной струи регистрировались плоским датчиком, закрепленным на тензометрической балочке, поворачивающейся в вертикальной плоскости. Для уточнения направления кумулятивной струи применялся фотоэлемент ФД-3, регистрировавший опережение или запаздывание прохода кромки лопатки по сравнению с сигналом на основном датчике кумулятивной струи.

Определение импульса составляющих кумулятивной (нормальной Ап и тангенциальной Ат) струи проводилось в зависимости от частоты вращения очистного устройства (100...300 об/мин) и скорости фильтруемого потока (0,2...0,6 м/с). Кроме того, в опытах фиксировалось затухание импульса в зависимости от расстояния от сетчатого полотна (0...100 мм). Опытные дан­ные определения импульса кумулятивной струи записывались на ленте самописца.

Из рис.3 видно, что в диапазоне рабочих частот вращения 200...300 об/мин, при которых в опытах наблюдалась приемлемая скорость перемещения отфильтрованных тел по сетке, крутящий момент изменялся почти по линейному закону.

На рис.3 приведены также значения Мкр подсчитанные исходя из теории кумулятивной струи по (7) с коэффициентом потерь  μ= 0,45. Значение μ получено при сравнении теоретических и опытных данных. Результаты опытов при лопатках с закрылками аппроксимируются кривыми, имеющими более пологий вид по сравнению с опытами без закрылков и теоретическими данными. Это объясняется меньшим сопротивлением лопаток с закрылками вследствие разделения зоны вакуума в следе лопатки с основным потоком, а следовательно, и меньшим Мкр на валу, что оправдывает использование лопаток с закрылками в предлагаемой конструкции очистного устройства.

Изменение амплитуды сигнала датчика, регистрирующего импульс кумулятивной струи, сходящей с выходной кромки лопатки, фиксировалось в зависимости от удаления датчика от сетчатого полотна фильтра. С целью определения направления абсолютной скорости кумулятивной струи датчик устанавливался нормально и тангенциально сетчатому полотну. Независимо от ориентации датчика амплитуда сигнала импульса струи на данном удалении от сетчатого полотна оставалась постоянной. Это свидетельствует о том, что возмущение, возникающее вследствие взаимодействия кумулятивной струи с фильтрующимся потоком, распространяется концентрически с большим градиентом затухания.

Как показали опыты, тела по сетчатому полотну приходят в движение под действием кумулятивной струи. Расстояние, на которое тела отходят от сетки, незначительно и составляет не более 3мм, тогда как датчик импульсов, используемый в опытах, фиксирует сигнал на расстоянии 800 мм. По мере удаления датчика импульса от сетки направление струи на датчик

изменяется, так как вал с лопаткой повернулся на больший угол. Последний определялся с помощью фотоэлемента и диска с прорезями по окружности через 45°, закрепленного по валу очистного устройства. Первая прорезь на диске устанавливалась против фотоэлемента, а лопатка - на одном радиусе с датчиком импульса. Записывались сигналы двумя каналами самописца, Расстояние датчика импульсов от сетки изменялось от 0 до 100 мм. Полученные диаграммы указали на полное совпадение пика сигналов во времени при различных расстояниях, что свидетельствует о практически мгновенном распространении импульса.

Анализ взаимодействия встречной струи с потоком жидкости указал на возможность возникновения явления, подобного гидравлическому удару небольшой интенсивности. А скорость распространения ударной волны в воде, как известно, составляет 1420 м/с. По этой причине, было решено увеличить расстояние от сетки до датчика и применить второй тензометрический датчик импульса, подобный первому, т.е. с теми же размерами и параметрами. Первый датчик устанавливался на расстоянии  50 мм от сетчатого полотна, второй - на 800 мм на одной линии с валом и лопаткой очистного устройства. Осциллограммы сигналов двух датчиков при скорости подачи бумаги 250 мм в секунду показали полное совпадение сигналов во времени и по форме. Максимум амплитуды совпадал с возможной точностью прибора до 1 мм, что при такой погрешности дает скорость распространения импульса в пределах 200 м/с.

Таким образом, можно считать, что сигнал, воспринимаемый датчиком на расстоянии 800 мм, является ударной волной, вызванной взаимодействием кумулятивной струи с  потоком жидкости, а не самой струей, внедряющейся во встречный фильтрующийся поток.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований ЦЛКФ с очистным устройством в виде динамических лопаток можно сделать следующие основные выводы:

      1. Предлагаемое очистное устройство отличается конструктивной простотой и надежностью в работе, малой приводной мощностью. Может эффективно применяться в фильтрах с другими (помимо цилиндрических) формами сетчатых полотен,              а также в различных по назначению механизмах и аппаратах (например, рыбонасосах, центрифугах, сепараторах и др.) 
      2. Экспериментально выявлено и теоретически обосновано неизвестное ранее в теории  динамических машин явление возникновения кумулятивной струи при взаимодействии лопатки с жидкостью.

Конструктивные решения

       В заключение покажем, какие конструкции кумулятивных фильтров могут быть применены для очистки загрязненного твердыми телами потока жидкости. Попутно заметим, что необходимы большие экспериментальные исследования по работоспособности данных фильтров с фильтрующим материалом  различной степени проницаемости (бумажные, матерчатые, пластинчатые и др.).

       

         Конический фильтр на рис. 4 рекомендуется устанавливать отдельной секцией на магистральном трубопроводе различных водозаборных сооружениях. Приводной электродвигатель может быть непосредственно подсоединен к валу лопаток или через конический редуктор (см. рис 6). Для первого варианта рационально применить стандартную секцию колено - поворот трубы      на 900. Однако, лучшим вариантом будет использовать турбинный привод, который, в данном случае, нуждается в серьезных теоретических и экспериментальных исследованиях для определения геометрических и динамических параметров лопастной системы турбины, в том числе, и очистных лопаток фильтра. Исследования следует проводить в тандеме, комплексно, так как они взаимосвязаны и оказывают друг на друга непосредственное влияние через динамические параметры лопастных систем. 
         Двухконусный фильтр на рис. 5 был спроектирован и выполнен, как рыбозащитное устройство для речных сооружений. Проведенные исследования показали эффективную работу устройства, как фильтра, так и в качестве рыбозащиты. Мальки рыб, запущенные в гидротехнический лоток, где установлен фильтр, не подходили к сетчатому полотну на расстояние около метра, разворачивались и уплывали в сторону, где скорость потока минимальна. Это поведение мальков подтверждает вышеизложенные результаты исследования цилиндрического фильтра, где датчики регистрировали гидроудары на расстоянии 0,8 м. от сетки. 
          Осевой фильтр на рис 6 имеет самое простое конструктивное решение. Лопатки фильтра должны иметь винтообразную форму с малыми углами атаки на максимальном радиусе и далее, к центру с уменьшением радиуса угол должен увеличиваться. Такая форма лопатки будет создавать равнораспределенную по мощности плоскую,  кумулятивную струю по всей площади круга сетчатого полотна. Экспериментальные исследования для данного типа фильтра не проводились. Будем глубоко благодарны и удовлетворены, если найдутся желающие заняться данными, интереснейшими исследованиями. Желательно и рекомендуется придерживаться методик, изложенных в данном материале, с обязательной ссылкой на него. Дерзайте с удовольствием!!

        На всех фильтрах должны быть установлены лотки 3 (см. рис.2) необходимые для отвода мусора, который при отсутствии лотка будет непрерывно двигаться по сетчатому полотну до полного истирания, или при значительном загрязнении  фильтруемого потока может произойти полная закупорка сетчатого полотна. Рекомендуется провести исследования по расположению лотка под различными углами к образующей сетчатого полотна. Здесь подразумевается, что сама кумулятивная струя будет смывать осадок (мусор) по винтовому лотку. Если этого способа будет недостаточно, то придется применить   небольшой по мощности насос с форсункой, струя которой будет смывать осадок по лотку в отстойник приемлемой конструкции.

G Начнем сначала!

Ваши замечания, предложения и комментарии читаем здесь:     dan.sidan@yandex.ru