Сформовано нові уявлення про динамічні процеси в гідравлічних системах з шнековідцентровими насосами (ШЦН). Створено теорію низькочастотних кавітаційних автоколивань в гідравлічних системах з ШЦН, яка дає можливість прогнозувати стійкість насосної системи до кавітаційних коливань (а у разі її нестійкості – прогнозувати амплітуди, частоти і форми коливань) і проводити кількісний аналіз впливу конструктивних та режимних параметрів насосної системи на кавітаційні автоколивання. Під керівництвом академіка В. В. Пилипенка у відділі було створено теорію високочастотних високоамплітудних коливань тиску рідини в гідравлічних системах з кавітуючими місцевими гідравлічними опорами. Було розроблено принципово новий генератор коливань тиску рідини – кавітаційний генератор коливань, який дозволяє перетворити стаціонарний потік рідини на вході в генератор в пульсуючий високочастотний потік на виході з нього. Цей генератор коливань не містить рухомих і обертових частин і не потребує підведення додаткової енергії.
Обґрунтування та актуальність напряму
За певних умов кавітація в шнековідцентрових насосах гідромеханічних систем та енергетичних установок може викликати самозбудні низькочастотні (від 4 до 100 Гц) коливання тиску і витрат рідкого палива в гідравлічних системах. Кавітаційні автоколивання перешкоджають нормальному функціонуванню насосної системи, а іноді й унеможливлюють його. Актуальні проблеми кавітаційних автоколивань розглядалися як і колишньому СРСР, і там (США, Японія, Франція та інших.). Теорія кавітаційних автоколивань В. В. Пилипенка дає можливість прогнозувати стійкість насосної системи до кавітаційних коливань, амплітуди, частоти та форми коливань, виконувати кількісний аналіз впливу конструктивних та режимних параметрів системи на кавітаційні автоколивання.
Історія та розвиток напряму
Наукові дослідження за заснованим академіком НАНУ В. В. Пилипенком напрямом динаміки механічних і гідромеханічних систем з урахуванням кавітаційних явищ у шнековідцентрових насосах, проводяться у відділі з 70-х років минулого сторіччя. У колишньому СРСР було визнано, що саме В. В. Пилипенком та співробітниками його відділу отримано найбільш значущі результати теоретичного та експериментального дослідження низькочастотних кавітаційних автоколивань у гідравлічних системах і розроблено засоби їх усунення. Результати цих досліджень, що проводились протягом багатьох років, дозволили В. В. Пилипенку розробити теорію кавітаційних автоколивань у гідравлічних системах із шнековідцентровими насосами та науково-методичне забезпечення для розрахунку перехідних процесів в енергетичних установках, в тому числі при аварійних ситуаціях.
Математичний апарат та методологія
Для дослідження закономірностей і механізмів самозбудження кавітаційних автоколивань створено комплекс теоретичних, числових і експериментальних методів. Розроблено лінійні та нелінійні гідродинамічні моделі кавітаційних автоколивань у насосних системах живлення, а також теоретичні та розрахунково-експериментальні методи визначення їх параметрів. На цій основі сформовано методичні засади теоретичного дослідження стійкості насосних систем до кавітаційних коливань.
Вперше експериментально отримано області існування автоколивань у площині режимних параметрів насоса, досліджено вплив конструктивних параметрів осьових шнекових переднасосів, а також конструктивних та режимних параметрів насосної системи на частоти, амплітуди та форми кавітаційних автоколивань. У підсумку резюмовано, що до вибору конструктивних параметрів шнекового переднасоса слід підходити з точки зору забезпечення не тільки високих антикавітаційних якостей шнекоцентробіжного насоса, але й забезпечення стійкості насосної системи живлення до кавітаційних коливань.
Динамічні характеристики шнековідцентрових насосів досліджуються із застосуванням теоретичних і експериментальних методів, зокрема шляхом визначення вхідного імпедансу та динамічного коефіцієнта посилення насоса за тиском. На основі результатів автономних випробувань натурних насосів побудовано експериментально-розрахункові моделі динаміки кавітуючих шнековідцентрових насосів та верифіковано гідродинамічні моделі із використанням експериментальних і теоретичних передавальних матриць. На основі математичної моделі, що містить повні рівняння Нав’є-Стокса та баротропне рівняння стану парорідинної суміші виконано чисельне моделювання нестаціонарної течії рідини в гідравлічних системах з кавітуючими елементами. Результати чисельного моделювання дозволяють розширити існуючі уявлення про явище генерації високочастотних коливань тиску рідини в гідравлічних системах з кавітуючими місцевими гідравлічними опорами.
Практичне значення та застосування
Теорія кавітаційних автоколивань є теоретичною основою для створення та вдосконалення високопродуктивних екологічно чистих технологічних процесів, зокрема емульгування, диспергування, очищення поверхонь, сонохімічної обробки та буріння свердловин. Вона дає змогу прогнозувати стійкість насосних систем до кавітаційних коливань, визначати їх амплітуди, частоти і форми, а також оцінювати вплив конструктивних і режимних параметрів системи. Результати досліджень можуть бути використані для розв’язання широкого кола задач динаміки гідромеханічних систем, зокрема під час розрахунків запуску енергетичних установок.
Технологічні розробки за цим напрямком досліджень захищено понад тридцятьма авторськими свідоцтвами.
Розроблено та випробувано в промислових умовах імпульсну кавітаційну установку для диспергування суспензій, застосування якої забезпечило зниження питомих витрат електроенергії у 4 – 6 разів.
Створено та впроваджено на комбінаті «Запоріжсталь» установки для гідрозбиву окалини пульсуючими струменями під час гарячої прокатки металу, що дало змогу зменшити брак металу внаслідок запресовування окалини у 2 – 5 разів порівняно з використанням стаціонарних струменів. На основі досліджень кавітаційного витікання високонапірного гідроабразивного пульсуючого струменя розроблено та впроваджено технології і установки кавітаційно-імпульсної гідроабразивної обробки різних поверхонь, зокрема металевих поверхонь ракетних конструкцій.
