4. Краткие теоретические положения
Качество высокоскоростных струй воды, используемых в исполнительных органах горных машин как инструмент для разрушения угля и горных пород, оценивается термином "компактность". Компактность струй обеспечивается соответствующими условиями их формирования в подводящих каналах и насадке, т.е. в струеформирующем устройстве.
Изучение структурных изменений, происходящих в струях жидкости от момента их вылета в воздушную среду до вырождения в капельный поток, имеет большое значение для понимания физических процессов, определяющих изменение динамических характеристик струй. Знание структурных особенностей жидкостных струй позволяет более обоснованно подходить к выработке рекомендаций по их формированию и использованию в различных областях техники.
Сформированный
в проточном канале и насадке поток
жидкости истекает в воздушную среду из
насадки, выходное сечение которой
является начальным диаметром струи
.
На рис. 4.1 представлена схема струи жидкости, отражающая современные представления о структурных изменениях, происходящих в ней по мере увеличения расстояния от среза насадки.
Непосредственно
от начального сечения в струе формируется
ядро постоянных скоростей конусообразной
формы, называемое начальным участком
струи. На протяжении длины начального
участка
в нем имеет
место потенциальное (безвихревое)
течение жидкости. При этом значения
скоростей и динамические давления во
всех точках потенциального ядра струи
сохраняют постоянные значения:
;
(здесь
- давление воды в подводящем канале
перед насадкой;
- осредненное значение скорости струи
в начальном сечении).
Рис. 4.1. Схема структуры свободной незатопленной турбулентной струи:
- начальный участок
струи;
-
основной участок струи;
-
пульсирующий участок струи;
- импульсный участок струи
Под воздействием избыточного статического давления, турбулентных возмущений и выхода газообразной компоненты происходит расширение струи, вызывающее увеличение ее диаметра и изменение внутренней структуры.
Увеличение
статического давления в начальном
сечении струи имеет место, например,
при увеличении диаметра насадки и
снижении из-за этого коэффициента
поджатия струи
,
где
- диаметр подводящего канала.
За пределами начального участка статическое давление в струе становится равным атмосферному и дальнейшее расширение струи происходит в основном за счет внедрения в струю всё большей массы воздуха.
Участок струи за пределами начального участка, на котором струя сохраняет высокую плотность и компактность, называют основным участком струи; в его пределах сохраняется высокая плотность струи при низких значениях угла расширения внешних границ струи. Начальный и основной участки в сумме составляют рабочий участок струи.
За пределами рабочего участка струя теряет устойчивость и приобретает извилистую форму. На ее поверхности наблюдаются всё более интенсивные выбросы жидкости. В дальнейшем струя разделяется на отдельные блоки, подвергающиеся все более интенсивному капельному распаду.
Интенсивность процесса насыщения струи наружным воздухом, называемого аэрацией, зависит от целого ряда факторов, таких как скорость вылета струи, величина ее диаметра, состояние пограничного слоя на выходе из насадки, уровень развития турбулентных возмущений в начальном сечении струи.
Таким образом, эффективность процесса гидравлического разрушения горных пород в значительной мере определяется компактностью водяных струй, поскольку более компактные струи обеспечивают получение более высоких динамических давлений на контакте с разрушаемым горным массивом.
Следовательно, требования, предъявляемые к конструкциям струеформирующих устройств, определяются задачами, решаемыми за счет применения высокоскоростных струй воды и, в частности, типом исполнительного органа горной машины, в котором они используются. В частности, эти конструкции должны вписываться в реальные ограниченные объемы на исполнительном органе и обеспечивать формирование высокоскоростных струй с высокой разрушающей способностью.
Рациональными параметрами струеформирующих устройств являются геометрические размеры отдельных элементов этих устройств и их сочетания, обеспечивающие формирование компактных высокоскоростных струй воды.
За
критерий компактности струи с достаточной
достоверностью может быть принята
безразмерная длина начального участка
струи
.
На рис. 4.2 представлена схема типового полноразмерного струеформирующего устройства, обеспечивающая максимальную компактность высокоскоростных струй воды, и рекомендованная для использования в гидравлических и гидромеханических исполнительных органах.
Указанное струеформирующее устройство отличается простотой и надежностью конструкции и его использование предпочтительнее в тех случаях, когда на исполнительном органе горной машины имеется достаточное пространство для его размещения.
Рис. 4.2. Схема типового полноразмерного струеформирующего устройства:
1 – водовод; 2 – корпус; 3 – успокоитель; 4 – уплотнение; 5 – насадка; l – длина подводящего канала; dk – диаметр подводящего канала
В случае, когда монтаж полноразмерных струеформирующих устройств на исполнительных органах из-за ограниченности пространства для их размещения не представляется возможным, возникает задача разработки малогабаритных устройств для струеформирования, удовлетворяющие следующим требованиям: они должны быть максимально приближены к размерам полноразмерных струеформирующих устройств; водовод для подачи высоконапорной воды к устройствам должен иметь минимальный внутренний диаметр, обеспечивающий допустимые потери напора воды; метод расчета МСУ должен обеспечивать определение их конструктивных параметров и динамических характеристик формируемых высокоскоростных струй при различной пространственной компановке устройтсва.
Для решения задач, связанных с оптимизацией габаритов и других параметров устройств для формирования высокоскоростных струй воды, разработаны конструкции малогабаритных струеформирующих устройств (МСУ). Типовые конструкции малогабаритных струеформирующих устройств приведены на рис. 4.3.
а |
|
б |
|
Рис. 4.3. Конструкции малогабаритных струеформирующих устройств: а - с внутренним подводом воды: б - с наружным подводом воды:
1 – корпус исполнительного органа; 2 - диффузор; 3 – уплотнение; 4 – задняя втулка; 5 – успокоитель; 6 – корпус; 7 – насадка; 8 – водовод.