Способ подводной гидродинамической очистки корпусов судов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технологии гидродинамической очистки подводной поверхности корпусов судов и гидротехнических сооружений от биологического обрастания. Сущность способа очистки состоит в том, что условие возникновения кавитации в зоне очистки обеспечивают одновременным воздействием на эту поверхность струи воды и акустического излучения. Это излучение получают от акустического генератора. Последний размещают внутри рабочего органа. Этот генератор работает на энергии динамического напора самой струи. Струей воды воздействуют на очищаемую поверхность под углом не более 45^o. Насадка для очистки имеет проточный канал и профиль. Последний образован соосно расположенными и последовательно сопряженными друг с другом входным конфузором, цилиндрической и выходной частями. Цилиндрическая часть выполнена в виде резонансной камеры, а выходная часть - в виде упора. Диаметр камеры больше диаметра выходного отверстия конфузора и входного отверстия выходной части. Стенки камеры образуют с выходным отверстием конфузора и входным отверстием рупора соответственно входное и выходное сопла камеры. Она вместе с соплами образует акустический генератор. Разность диаметров сопел не более 0,3 от длины камеры. Диаметр выходного отверстия рупора не менее 0,04 длины волны основной частоты камеры. Конфузор имеет угол конусности от 10 до 20^o. Технический результат реализации изобретения - повышение эффективности очистки путем расширения ее зоны, снижения энергопотребления и повышения производительности очистки. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области защиты подводных поверхностей корпусов судов, находящихся на плаву, в частности к устройствам для подводной гидродинамической очистки поверхности корпусов судов, а также гидротехнических сооружений от биологического обрастания.

Известен способ очистки поверхностей, включая подводные поверхности корпусов судов, при котором на очищаемую поверхность воздействуют фокусированным акустическим излучением, вызывающим кавитацию жидкости в фокусной точке, и устройство для осуществления данного способа, выполненное в виде гидроакустической антенны. (Патент РСТ (WO) 93/11996, кл. В 63 В 59/10, 3/22, 24.06.93).

Однако этим способу и устройству присущи низкая производительность работ из-за отсутствия механизма выноса загрязнения из зоны очистки и неизбежное повреждение лакокрасочного покрытия очищаемой поверхности твердыми фракциями обрастания из-за абразивного эффекта. Кроме этого, кавитация жидкости повышает затухание проходящих в ней звуковых волн, что снижает отдачу полезной энергии акустических антенн при их больших габаритах и фокусных расстояниях.

Известен также способ подводной очистки корпусов судов, при котором на очищаемую поверхность воздействуют струей воды под давлением, вытекающей из сопла рабочего органа, создавая вокруг струи затопленную область с регулируемым расходом воды, примыкающую к обрабатываемой поверхности, причем очистку ведут при режимных параметрах, обеспечивающих условие возникновения кавитации в затопленной полости около очищаемой поверхности (авт. св. СССР 1102712, кл. В 63 В 59/08, 17.03.82). Данное техническое решение является прототипом предлагаемого способа. Однако известный способ характеризуется низкой производительностью очистных работ из-за малой рабочей зоны струи, что снижает эффективность работ.

Известна также насадка для гидродинамической очистки поверхностей от отложений, представляющая собой рабочий орган с профилем проточного канала, образованным соосно расположенными входным конфузором, цилиндрической частью и выходной частью, выполненной по форме конфузора (авт.св. СССР 1636072, кл. В 08 В 3/02, 23.12.85). Данное техническое решение является прототипом предлагаемого устройства. Недостатком этой насадки является то, что она формирует обычную струю воды высокого давления, что снижает эффективность очистки за счет большего энергопотребления.

Задачей изобретения является создание способа подводной гидродинамической очистки корпусов судов и устройства для его осуществления, которые бы обеспечивали технический результат, связанный с повышением эффективности подводной очистки корпусов судов за счет расширения зоны очистки, снижения энергопотребления и повышения производительности очистных работ.

Указанная задача в предлагаемом способе решается за счет того, что в способе подводной гидродинамической очистки корпусов судов, при котором на очищаемую поверхность воздействуют струей воды под давлением, вытекающей из рабочего органа, обеспечивая условие возникновения кавитации в зоне очистки, условие возникновения кавитации в зоне очистки обеспечивают одновременным воздействием на очищаемую поверхность струи воды и акустического излучения, получаемого от акустического генератора, размещенного внутри рабочего органа и работающего на энергии динамического напора самой струи.

Кроме этого, воздействие на очищаемую поверхность корпуса судна струей воды осуществляют под углом, не превышающим 45^o, и таким образом, что дальняя граница зоны очистки по оси рабочего органа лежит на очищаемой поверхности.

Указанная задача в предлагаемом устройстве для подводной гидродинамической очистки корпусов судов решается за счет того, что в насадке, включающей проточный канал с профилем, образованным соосно расположенными и последовательно сопряженными друг с другом входным конфузором, цилиндрической частью и выходной частью, цилиндрическая часть выполнена в виде цилиндрической резонансной камеры, имеющей диаметр больший, чем диаметры выходного отверстия конфузора и входного отверстия выходной части, выходная часть выполнена в виде рупора, а торцевые стенки резонансной камеры образуют вместе с выходным отверстием конфузора и входным отверстием рупора соответственно входное и выходное сопла резонансной камеры, которая, в свою очередь, вместе c соплами образует акустический генератор, при этом разница диаметров выходного и входного сопел составляет не более 0,3 от длины резонансной камеры, диаметр выходного отверстия рупора составляет не менее 0,04 от длины волны основной частоты резонансной камеры, а конфузор выполнен с углом конусности от 10 до 20^o.

На фиг.1 показана конструкция устройства для подводной гидродинамической очистки корпусов судов; на фиг. 2 - расположение данного устройства относительно очищаемой поверхности.

Устройство для подводной гидродинамической очистки корпусов судов реализует способ подводной гидродинамической очистки корпусов судов и представляет собой рабочий орган, выполненный в виде насадки, включающей проточный канал с профилем, образованным соосно расположенными последовательно сопряженными друг с другом входным конфузором 1, цилиндрической резонансной камерой 2 и выходной частью, выполненной в виде рупора 2. Диаметр d_р цилиндрической резонансной камеры 2 больше диаметра d₁ выходного отверстия конфузора 1 и диаметра d₂ входного отверсти рупора 3. Торцевые стенки 4 цилиндрической резонансной камеры 2 образуют вместе с выходным отверстием конфузора 1 и входным отверстием рупора 3 соответственно входное сопло 5 и выходное сопло 6 цилиндрической резонансной камеры 2. Цилиндрическая резонансная камера 2 вместе с соплами 5 и 6 образуют акустический генератор. Разница диаметров d₂ и d₁ составляет не более 0,3 от длины l цилиндрической резонансной камеры 2, диаметр D выходного отверстия рупора 3 составляет не менее 0,04 от длины волны основной частоты цилиндрической резонансной камеры 2, а конфузор 1 выполнен с углом конусности β от 10 до 20^o.

Способ подводной гидродинамической очистки корпусов судов согласно изобретению осуществляется следующим образом.

Струя воды, проходя акустический генератор, состоящий из цилиндрической резонансной камеры 2, ограниченной соплами 5 и 6, вызывает в нем генерацию акустического сигнала, основная частота f которого может быть примерно определена по формуле.

где с - скорость звука в воде, d_р - диаметр цилиндрической резонансной камеры, l - длина цилиндрической резонансной камеры 2, d₁ - диаметр входного сопла 5.

При этом работа акустического генератора обеспечивается за счет динамической энергии струи. Теоретически для возбуждения цилиндрической резонансной камеры 2 необходимо выполнение следующего условия: где d₂ - диаметр выходного сопла 6, β - угол конусности входного конфузора 1.

Практически для возбуждения цилиндрической резонансной камеры 2 достаточно выполнения условия (d₂ - d₁)≅0,3l .

Уровень акустического излучения, выходящего из сопла 6, из-за большой разницы импеданса сопла диаметром d₂ и окружающей среды недостаточен для создания кавитации в зоне очистки, поскольку оптимальная величина d₂ должна быть соизмерима с длиной волны излучения и уровень излучения убывает пропорционально площади сопла. Рупор 3 осуществляет согласование импеданса сопла 6 с малым импедансом окружающей среды. Он может иметь экспоненциальную форму, являющуюся оптимальной, либо простейшую, конусную форму. При экспоненциальной форме площадь поперечного сечения S рупора 3 должна меняться по закону S = S₀·>exp (2·k·), где - площадь сопла 2;
k - коэффициент рупора;
х - горизонтальная координата.

Коэффициент рупора k выбирается из условия отсутствия обратного отражения акустической волны от выхода рупора и рассчитывается по формуле

Оптимальный диаметр D выходного отверстия рупора 3 определяется формулой

где - длина волны акустического излучения.

Но соблюдение этого условия возможно только на высокой частоте, так как на низкой частоте большой диаметр D не позволяет работать с малыми углами наклона инструмента, что уменьшает зону очистки. Использование для очистки высокой частоты пульсаций f неэффективно из-за большого коэффициента затухания высокочастотного акустического излучения. Уменьшение диаметра D при низких частотах f приводит к уменьшению акустического излучения примерно пропорционально площади выходного отверстия рупора 3, но, как показывает практика, даже уменьшение D вплоть до величины 0,04·λ позволяет иметь зону очистки в 3-4 раза большую по сравнению с зоной очистки самой струи. Исходя из выбранных диаметра D выходного отверстия 3 и его коэффициента k может быть вычислена необходимая длина рупора

Конфузор 1 предназначен для подавления паразитных акустических колебаний на входе акустического генератора, а следовательно, исключения непредусмотренных потерь гидродинамической мощности струи, Его угол конусности β в этом случае должен лежать в пределах от 10 до 20^o.

Струя воды, выйдя из рупора 3, втягивает в движение окружающую ее воду. Размеры ее увеличиваются, но скорость падает. Длина начального участка, где еще существует ядро струи с высокими динамическими параметрами, составляет всего 8-10 диаметров струи. Потеря динамического напора основного участка струи компенсируется одновременным воздействием на очищаемую поверхность корпуса судна акустическим излучением, вызывающим кавитацию в зоне очистки. Оба этих фактора (динамический напор и акустическое излучение) существенно увеличивают воздействия и позволяют осуществлять очистку корпусов от биологического обрастания с высокой производительностью производимых работ.

При размещении оси рабочего органа под углом к очищаемой поверхности корпуса судна на основное акустическое излучение, идущее из сопла 6, накладывается излучение, отраженное от очищаемой поверхности. Поскольку скорость распространения более мощной волны выше, у очищаемой поверхности возникают нелинейные акустические явления ударного характера, что увеличивает эффективность очистки. При направлении гидродинамической струи воды к очищаемой поверхности под углом α ≅ 45⁰, что соответствует установке оси рабочего органа к этой поверхности под названным углом, и размещении дальней границы зоны очистки, расположенной по оси рабочего органа, на очищаемой поверхности, увеличивается зона очистки и, тем самым, повышается эффективность производимых работ.

Предложенный способ подводной очистки корпусов судов и устройство для его осуществления позволяет выполнять работы по очистке подводных поверхностей корпусов судов, а также гидротехнических сооружений от биологического обрастания с высокой эффективностью и экономичностью производимых работ.

Формула изобретения

1. Способ подводной гидродинамической очистки корпусов судов, при котором на очищаемую поверхность воздействуют струей воды под давлением, которую выпускают из рабочего органа, обеспечивая условие возникновения кавитации в зоне очистки, отличающийся тем, что условие возникновения кавитации в зоне очистки обеспечивают одновременным воздействием на очищаемую поверхность струи воды и акустического излучения, которое получают от акустического генератора, работающего на энергии динамического напора самой струи, при этом генератор размещают внутри рабочего органа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействие на очищаемую поверхность корпуса судна струей воды осуществляют под углом, не превышающим 45^o, и таким образом, что дальнюю границу зоны очистки по оси рабочего органа располагают на очищаемой поверхности.

3. Насадка для подводной гидродинамической очистки корпусов судов, содержащая проточный канал с профилем, образованным соосно расположенными и последовательно сопряженными друг с другом входным конфузором, цилиндрической частью и выходной частью, отличающаяся тем, что цилиндрическая часть выполнена в виде цилиндрической резонансной камеры, имеющей диаметр больший, чем диаметры выходного отверстия конфузора и входного отверстия выходной части, причем последняя выполнена в виде рупора, а торцевые стенки резонансной камеры образуют вместе с выходным отверстием конфузора и входным отверстием рупора соответственно входное и выходное сопла резонансной камеры, которая, в свою очередь, вместе с соплами образует акустический генератор, при этом разница диаметров выходного и входного сопел составляет не более 0,3 от длины резонансной камеры, диаметр выходного отверстия рупора составляет не менее 0,04 от длины волны основной частоты резонансной камеры, а конфузор выполнен с углом конусности в пределах от 10 до 20^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2