ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Предметом настоящего изобретения является жидкостный диод без подвижных деталей. В частности, он обеспечивает повышенное сопротивление движению жидкости в направлении, обратном проектному/желанном направлении. Находит применение в основном для направления движения газов или жидкостей в одном проектном направлении и для ограничения или исключения их движения в обратном направлении в различных устройствах, установках или системах, в которых происходит движение газов или жидкостей, таких, как двигатели внутреннего сгорания, пульсирующие реактивные двигатели или газовые турбины, компрессоры, насосы, гидравлические или газовые двигатели, и многие другие.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В патенте США US 1329559 упоминается жидкостный диод (названный в описании «труба, функционирующая как клапан»), широко известный в технике под разными наименованиями, такими как клапан или обратный клапан Теслы , Тесла клапан, обратный клапан без подвижных деталей и т.д. Данный Тесла клапан состоит из трубы или прохода, чьи внутренние твердые неподвижные стены образуют ряд углублений или карманов с поверхностями, направленными в проектное направление движения жидкости, так что при движении жидкости в обратном направлении они заставляют части жидкости поворачивать в большей или меньшей степени обратно - против не проектного направления движения. В большинстве случаев каждый карман клапана Теслы разработан таким образом, что со стороны не проектного направления движения есть впускное отверстие с относительно небольшим отклонением от направления и расположенное после него выпускное отверстие, из которого направление движения жидкости в большей или меньшей степени направлено против не проектного направления движения. Каждый полученный таким образом карман частично препятствует движению жидкости в данном не проектном направлении. Каждый следующий карман (в не проектном направлении движения), с его последующим воспрепятствованием, дополнительно воспрепятствует движение общего потока жидкости в не проектном направлении. Таким образом, при наличии достаточного числа (с точки зрения плотности, вязкости и мгновенного расхода жидкости по сравнению с конкретными размерами и формой карманов) таких последовательно расположенных карманов достигается желаемое воспрепятствование или полное предотвращение движения жидкости в не проектном направлении.

Недостатки клапана Теслы состоят в следующем:

Поперечные (по отношению к потоку жидкости) размеры каждого кармана относительно слишком велики по сравнению с поперечным сечением потока жидкости. Достаточная степень воспрепятствования не проектному направлению движения жидкости как правило достигается за счет множества последовательно расположенных карманов, что приводит к большому увеличению продольных (по сравнению с потоком жидкости) размеров клапана Теслы. Вследствие этих двух обстоятельств, общие размеры и объем клапана Теслы получаются относительно слишком большими по сравнению с расходом управляемой им жидкости. Практически один впускной и один выпускной клапан Теслы, установленные на последовательно действующем насосе (например, поршневом или теплообменника), в большинстве случаев имеют большие общий объем и размеры, чем объем и размер самого насоса.

Производство карманов клапана Теслы является относительно трудным и сложным, соответственно требует дорогостоящих машин для обработки и приводит к относительно большим потерям материала.

ТЕХНИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является создание жидкостного диода без подвижных деталей, препятствующего движению жидкости в направлении, обратном проектному, относительно небольшого объема и размеров по сравнению с расходом протекающей жидкости, и отличающегося упрощенной и недорогой технологией производства, легко поддающейся автоматизированию.

Задача решена при помощи жидкостного диода, являющегося предметом изобретения. В первом вариантном исполнении он состоит из трубы с элементом с коэффициентом гидравлического сопротивления в проектном направлении, который меньше, чем коэффициент при движении жидкости в направлении, обратном проектному. Диод характеризуется тем, что элемент помещен в трубу, причем по соседству с элементом или концентрически по отношению оси движения жидкости помещен по меньшей мере еще один элемент с коэффициентом гидравлического сопротивления при движении жидкости в проектном направлении, который меньше, чем коэффициент при движении жидкости в направлении, обратном проектному, так что образуется группа элементов, причем по продолжению оси движения жидкости после этой группы расположена по меньшей мере еще одна, вторая группа таких элементов.

Во втором вариантном исполнении жидкостного диода, являющегося предметом изобретения, диод характеризуется тем, что по меньшей мере один из элементов имеет продольное сечение по оси движения жидкости в форме острого угла с прямыми или округленными лучами одинаковой или разной длины, причем вершина лучей, которая может быть округленной, расположена перед концами лучей относительно проектного направления движения жидкости.

В третьем вариантном исполнении жидкостного диода, являющегося предметом изобретения, он характеризуется тем, что вторая группа элементов смещена по отношению первой группы элементов, поперечно или концентрично по отношению оси движения жидкости.

В третьем вариантном исполнении жидкостного диода, являющегося предметом изобретения, он характеризуется тем, что элементы по меньшей мере одной отдельной группы оформлены вместе в виде одной общей детали из листового или объемного материала.

В четвертом вариантном исполнении жидкостного диода, являющегося предметом изобретения, он характеризуется тем, что одноименные элементы по меньшей мере двух групп оформлены вместе в виде одной общей детали из листового или объемного материала.

ПРЕИМУЩЕСТВА жидкостного диода, являющегося предметом изобретения, по сравнению с уже известным клапаном Теслы в основном следующие:

Значительно уменьшенные относительные размеры и объем по сравнению с расходом направляемой жидкости. Это преимущество является результатом деления потока жидкости на множество узких поперечных слоев, к которым применяется эффект неодинаковых коэффициентов гидравлического сопротивления элементов, соответственно в проектном направлении и в направлении, обратном проектному. Это приводит к соответствующему уменьшению как поперечных, так и продольных размеров элементов, что, в свою очередь, приводит к уменьшению размеров и объема всего жидкостного диода при одинаковом расходе жидкости с сопоставимым клапаном Теслы.

Сильно упрощена технология изготовления, уменьшены затраты и возможна легкая автоматизация процессов, так как под трубу для диода используется широко распространенная стандартная труба, в которой с помощью сварки, склеивания и т.д. устанавливаются элементы, многие из которых изготовлены в виде общих деталей.

ОПИСАНИЕ ПРИЛОЖЕННЫХ РИСУНКОВ

На рисунке 1 представлен схематический вид в продольном разрезе и вид спереди жидкостного диода с прилегающим размещением двух элементов 2, 3 и 2а, За, соответственно, в двух группах, при прямоугольном сечении трубы 1.

На рисунке 2 представлен схематический вид в продольном разрезе и вид спереди жидкостного диода с концентрическим и смещенным по отношению оси движения жидкости размещением двух элементов 2, 3 и 2а, За, соответственно, в двух группах, при круглом сечении трубы 1.

На рисунке 3 представлен схематический вид в продольном разрезе и вид спереди жидкостного диода с шестнадцатью группами элементов, каждая из которых состоит из девяти элементов, расположенных рядом, а один из них кроме этого смещен по отношению оси движения жидкости, при прямоугольном сечении трубы.

На рисунке 4 представлен схематический вид в продольном разрезе жидкостного диода с четырнадцатью группами элементов, каждая из которых состоит из четырех элементов, расположенных концентрично по отношению друг к другу, а один из них кроме этого смещен по отношению оси движения жидкости, причем элементы каждых двух последовательных групп концентрически смещены по отношению друг к другу. ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как видно на рисунке 1 , исполнение жидкостного диода, являющегося предметом изобретения, включает в себя трубу 1 , группу расположенных рядом элементов 2 и 3 и вторую группу расположенных рядом элементов 2а и За, которые поперечно смещены по отношению элементов первой группы.

В другом вариантном исполнении жидкостного диода, являющегося предметом изобретения, как видно на рисунке 2, он включает в себя трубу 1 , группу концентрически расположенных элементов 2 и 3, которые смещены по отношению друг к другу по оси движения жидкости, и вторую группу концентрически расположенных элементов 2а и За, которые также смещены по отношению друг к другу по оси движения жидкости.

Как видно на рисунке 3, другое вариантное исполнение жидкостного диода, являющегося предметом изобретения, включает в себя трубу и шестнадцать групп элементов, каждая из которых состоит из девяти элементов, расположенных рядом, а один из них кроме этого смещен по оси движения жидкости.

Как видно на рисунке 4, другой вариант исполнения жидкостного диода, являющегося предметом изобретения, включает в себя трубу и четырнадцать групп элементов, каждая из которых состоит из четырех элементов, концентрических один по отношению к другому, а один из них кроме этого смещен по оси движения жидкости, причем элементы каждых двух последовательных групп концентрически смещены по отношению друг к другу.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Жидкостный диод, являющийся предметом изобретения, работает следующим образом: В первом вариантном исполнении жидкостного диода, являющегося предметом изобретения, при движении жидкости в проектном направлении через трубу 1 , поток жидкости, движущийся например от нагнетательного отверстия циклически действующего насоса при нагнетательном ходе последнего, сначала обтекает первую группу элементов 2 и 3, а после этого - группу элементов 2а и За. При движении потока жидкости в направлении, обратном проектному - например при всасывающем ходе насоса, поток жидкости начинает обтекать сначала группу элементов 2а и За, а после этого группу элементов 2 и 3. Так как коэффициент гидравлического сопротивления элементов при движении жидкости в проектном направлении меньше коэффициента при движении жидкости в направлении, обратном проектному, то в первом случае - при движении потока жидкости в проектном направлении, его движение менее ограничено двумя группами элементов - 2, 3 и 2а, За. Вследствие этого, расход протекающей в проектном направлении жидкости больше расхода жидкости во втором случае - т.е. когда он движется в направлении, обратном проектному направлению жидкостного диода, в определенной степени, которая является обратно пропорциональной соотношению произведения общих коэффициентов гидравлического сопротивления двух групп элементов - 2, 3 и 2а, За в проектном направлении по сравнению с произведением общих коэффициентов гидравлического сопротивления двух групп элементов - 2, 3 и 2а, За в направлении против проектного. Таким образом в созданной таким способом степени достигается эффект работы изобретения в качестве жидкостного диода без подвижных деталей.

Конкретно желаемая большая степень уменьшения расхода жидкости при движении в направлении, обратном проектному, достигается прежде всего добавлением последовательно в проектном направлении одной или более дополнительных групп элементов - например 2в, Зв; 2с, Зс и т.д., например до 2т, Зт. Таким образом, добавлением каждой новой группы элементов общий коэффициент гидравлического сопротивления жидкостного диода в направлении, обратном проектному, становится относительно все более высоким по сравнению с общим коэффициентом гидравлического сопротивления жидкостного диода в проектном направлении.

Аналогичный эффект оказывает добавление одного или нескольких элементов в каждую группу - например, элементы 4, 5 и т.д., например, до N, соответственно, 4а, 5а, ... Na, и, таким образом, до 4т, 5т, ... Nm. Такое увеличение числа элементов в группе элементов приводит к увеличению числа и уменьшению толщины поперечных слоев потока жидкости, на которые его делят увеличенные по количеству элементы в одной группе. Таким образом, чем уже потоки жидкости, протекающие между элементами группы, тем меньше соотношение общего коэффициента гидравлического сопротивления данной группы элементов в проектном направлении по сравнению с общим коэффициентом гидравлического сопротивления той же группы в направлении, обратном проектному.

Расположение элементов в группе определяется в основном между двумя видами и сочетанием между ними. Например, если труба 1 имеет прямоугольное поперечное сечение, кажется уместным, чтобы элементы тоже имели прямоугольное сечение поперечно оси движения жидкости и были расположены рядом друг с другом, в той же плоскости. Если труба 1 имеет сечение окружности или другой округленной замкнутой кривой, уместно, чтобы элементы имели сечение (поперечно к оси движения жидкости) такое же, как форма поперечного сечения трубы 1 , но с различными размерами для отдельных элементов, и чтобы они были расположены концентрично друг к другу относительно оси движения жидкости (то есть по поперечному сечению трубы 1 ). Является возможным сочетание двух подходов к проектированию и созданию жидкостного диода, являющегося предметом изобретения, когда в одной группе будут как концентрические элементы, так и установленные рядом элементы.

В некоторых предпочитаемых исполнениях жидкостного диода, являющегося предметом изобретения, каждые две пары элементов одной группы, например 2 и 3, независимо от того, как они расположены - концентрически или рядом друг с другом, смещены по отношению друг к другу и по оси движения жидкости. Таким образом, при определенных формах продольных сечений элементов по оси движения жидкости, достигается синергетическое увеличение общего коэффициента гидравлического сопротивления группы при движении жидкости в направлении, обратном проектному.

Таким образом, путем выбора числа элементов в каждой группе, их взаимного расположения в группе, числа последовательных групп элементов и поперечного смещения элементов одной группы по отношению к элементам смежной группы, достигается желаемая более высокая степень уменьшения расхода жидкости при движении в направлении, обратном проектному.

Второе вариантное исполнение жидкостного диода, являющегося предметом изобретения, работает описанным выше способом, с одной особенностью, которая улучшает его работу в качестве жидкостного диода. При этой вариантном исполнении по меньшей мере один из элементов данной группы, например элемент 2, имеет продольное сечение по оси движения жидкости в форме острого угла с прямыми или округленными лучами 2аа, 2bb одинаковой или разной длины, причем вершина 2сс угла, которая может быть округленной, расположена перед концами 2dd, 2ее лучей 2аа, 2bb относительно проектного направления движения жидкости. Это оформление продольного сечения элементов имеет следующий эффект. При движении потока жидкости в проектном направлении, он натыкается на вершину 2сс угла, представляющего продольное сечение данного элемента. При этом поток жидкости разделяется, обе его стороны плавно отклоняются лучами 2аа, 2bb относительно оси движения и вследствие этого коэффициент гидравлического сопротивления элемента в этом направлении уменьшается. А при движении потока жидкости в направлении, обратном проектному, он сначала натыкается на концы 2dd, 2ее лучей 2аа, 2bb угла, представляющего продольное сечение одного элемента, после чего часть потока жидкости между концами 2dd, 2ее лучей 2аа, 2bb направляется лучами угла к внутренней стороне его вершины 2сс, где у него не остается другой возможности, кроме как повернуть в проектное направление, по крайней мере пока не вернется к концам 2dd, 2ее лучей 2аа, 2bb элемента 2. В результате этого происходит чувствительное замедление потока жидкости при движении в направлении, обратном проектному. Кроме того, происходит сильное завихрение частей потока жидкости, оставшихся снаружи концов 2dd, 2ее лучей 2аа, 2bb в части после этих концов, что приводит к чувствительному замедлению их движения в направлении, обратном проектному. Эти явления повторяются в отношении каждого элемента данной группы, в связи с чем общий коэффициент гидравлического сопротивления данной группы при движении жидкости в направлении, обратном проектному, в значительной степени нарастает по сравнению с общим коэффициентом гидравлического сопротивления при движении потока жидкости в проектном направлении.

Третье вариантное исполнение жидкостного диода, являющегося предметом изобретения, работает описанными выше способами, со следующей особенностью: В нем вторая группа элементов (2а, За) смещена относительно первой группы элементов (2, 3), поперечно или концентрически относительно оси движения жидкости. Вследствие этого при движении потока жидкости в направлении, обратном проектному, он натыкается сначала на элементы 2а, За. Тогда части потока жидкости, оставшиеся снаружи концов лучей одного элемента из группы 2а, 3 а, не только сильно завихряются после указанных концов, но и направляются в большей или меньшей степени между концами лучей, т.е. против внутренней стороны угла двух элементов группы элементов 2, 3, расположенной впереди по проектному направлению движения жидкости. Таким образом, комбинированные эффекты завихрения и направления против внутренних сторон вершин элементов предыдущей группы 2, 3 приводит к еще большему синергетическому увеличению общего коэффициента гидравлического сопротивления двух рассмотренных групп элементов по отношению общего коэффициента гидравлического сопротивления таких групп в том случае, если они не смещены поперечно или концентрично. В результате, нарастает воспрепятствование движению жидкости против проектного направления, чем работа жидкостного диода в качестве такового улучшается.

Четвертое вариантное исполнение жидкостного диода, являющегося предметом изобретения, работает полностью описанными выше способами. Его особенности делают технологии производства и сбора жидкостного диода, являющегося предметом изобретения, проще, дешевле и позволяют их легкое автоматизирование. В этом исполнении элементы каждой отдельной группы (2, 3, ... N) и/или (2а, За, ...Na) и/или ... и/или (2т, Зт, ... Nm) оформлены соответственно вместе в виде одной общей детали, путем штамповки из пластического листового материала или путем отливки из объемных материалов. В предпочтительных вариантах, периметр полученной таким образом детали оформлен в виде части трубы 1 жидкостного диода. В этих случаях сборка жидкостного диода происходит путем последовательного присоединения этих деталей с помощью сварки, склеивания, ковки и тому подобных технологий, подходящих для конкретного применения данного жидкостного диода.

Пятое вариантное исполнение жидкостного диода в принципе полностью аналогично четвертому варианту исполнения, что касается работы и технологии производства и преимуществ. Разница сводится только к тому, что в виде одно общей детали изготавливаются одноименные элементы всех групп согласно изобретению, т.е. одну деталь представляют элементы 2, 2а ... 2т, и/или За, За ... Зт и/или N, Na, ... Nm.