ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Область техники

Изобретение относится к гидравлическим машинам, в частности к гидравлическим пульсаторам, которые могут быть использованы в различных областях промышленности для интенсификации технологических процессов, а также в сельском хозяйстве, здравоохранении и прикладном искусстве.

Предшествующий уровень техники Известен способ генерирования колебаний жидкостного потока, включающий предварительное разделение потока на основной и дополнительный, закручивание основного потока, частичное стравливание дополнительного потока и подачу его на периферию основного потока с окружной составляющей скорости, меньшей, чем у основного потока, а также гидродинамический генератор колебаний для реализации этого способа, содержащий корпус, проточную камеру в нем с каналами закрутки и центральным телом, установленным с зазором относительно стенки проточной камеры, напорную магистраль, соединенную с каналами закрутки и выходное сопло, дополнительную магистраль с ограничителем расхода, через который она соединена с напорной магистралью, а через зазор проточной камеры - с выходным соплом (RU Ν°2087756, 20.08.1997г.).

Недостатками известного способа и устройства являются невысокая интенсивность колебаний потока жидкости из-за нерегулируемого смешения закрученного потока с тормозящим его потоком из дополнительной магистрали. К снижению интенсивности колебаний приводит и низкая энергия потока жидкости в дополнительной магистрали из-за частичного стравливания давления, а наличие ограничителя расхода, используемого для поддержания согласованного взаимодействия с закрученным потоком, сужает рабочий диапазон по расходу и давлению. К недостаткам можно отнести необходимость в предварительном расчете длины дополнительной магистрали для поддержания колебаний при используемой величине расхода жидкости в напорной магистрали.

Известен способ возбуждения колебаний потока жидкости, заключающийся в том, что жидкость под одинаковым давлением закручивают и создают не менее двух противоположно направленных вихрей, периферия которых гидравлически связана с полостью с регулируемой упругостью, и генератор колебаний для осуществления этого способа, который содержит вихревую камеру с каналами закрутки, по крайней мере, в двух плоскостях ее сечения с взаимно противоположной ориентацией закрутки и соединенных с напорной магистралью, центральное тело, установленное с зазором в вихревой камере, полость с регулируемой упругостью, сообщенную с вихревой камерой и, через зазор, с выходным соплом (RU 144440, 20.01.2000г.).

Недостатками известного способа и устройства являются выполнение каналов закрутки в вихревой камере и зазора для сообщения полости с регулируемой упругостью с выходным соплом на периферии формируемых противоположно направленных вихрей. Это приводит к их преждевременному смешиванию, торможению, уменьшению накапливаемой энергии в полости с регулируемой упругостью и величины колебаний расхода через выходное сопло. На периферии образованных вихрей величина центробежного давления максимальна и выполнение здесь каналов закрутки приводит к необходимости использовать высокое давление в напорной магистрали для сохранения интенсивности закрученного потока и величины колебаний расхода. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату при реализации является способ генерирования колебаний жидкостного потока, включающий закручивание жидкости под одинаковым давлением в двух противоположных направлениях в виде вихрей, разделенных промежуточным соплом, при этом один из них связывают с полостью с регулируемой упругостью, а другой с выходным соплом, а также гидродинамический генератор колебаний для его осуществления, содержащий напорную магистраль, вихревую камеру с каналами закрутки, соединенными с выходным соплом и каналами закрутки противоположной ориентации, соединенными с полостью с регулируемой упругостью, промежуточное сопло, разделяющее каналы закрутки и каналы закрутки противоположной ориентации, а также центральное тело, установленное в вихревой камере с зазором между ее боковой стенкой и промежуточным соплом (RU 2296894, 10.04.2007г.).

К недостаткам способа и его генератора можно отнести наличие промежуточного сужающегося сопла в вихревой камере на пути потока жидкости, движущегося с ускорением из полости с регулируемой упругостью через зазор к выходному соплу. Дополнительное гидравлическое сопротивление, которое создает промежуточное сопло, приводит к снижению эффективности управления закрученным потоком перед выходным соплом и ограничивает величину колебаний расхода через него. К недостаткам можно отнести и то, что каналы закрутки и каналы закрутки противоположной ориентации выполнены в вихревой камере на периферии формируемых вихрей, а, значит, создается максимальная величина противодавления для подачи жидкости из напорной магистрали, что приводит к необходимости дополнительно увеличивать в ней давление для поддержания рабочих параметров.

Раскрытие изобретения В основу настоящего изобретения положена задача повышения эффективности генерирования колебаний потока за счет оптимального преобразования постоянного потока жидкости в пульсирующий поток и увеличения интенсивности колебаний за счет уменьшения гидравлических потерь.

Решение поставленной задачи достигается при использовании известного способа генерирования колебаний жидкостного потока в окружающей среде, состоящего в том, что жидкость с одинаковым давлением подачи закручивают не менее чем в двух потоках противоположного направления и разделяют, один из них связывают с полостью с регулируемой упругостью, а другой с выходным соплом, согласно изобретению жидкость предварительно разделяют, по крайней мере, на два потока до закручивания, закручивают их с разными скоростями и при этом разделяют, закрученный поток с меньшей скоростью связывают, по крайней мере, с одной полостью с регулируемой упругостью с помощью канала, а закрученный поток с большей скоростью - с выходным соплом.

Для обеспечения максимальной гидравлической связи целесообразно эту связь осуществить через периферию закрученного потока с меньшей скоростью, как области, обладающей максимальным центробежным давлением.

С целью дополнительного регулирования величины упругости полости, с учетом ее упругих характеристик и силы взаимодействия, целесообразно связь с закрученным потоком осуществить с помощью канала внутри или снаружи полости с регулируемой упругостью.

Связь закрученного потока с большей скоростью с выходным соплом обеспечивает регулирование расхода через него, использование при этом связи с дополнительной полостью с регулируемой упругостью расширяет диапазон регулирования за счет дополнительно накапливаемой упругой энергии. Частотно-амплитудные параметры колебаний определяются объемом и величиной регулируемой упругости полости, при использовании газовой полости целесообразно регулировать величину ее упругости с помощью давления, например в напорной магистрали, или в окружающей среде.

Поставленная задача решается также тем, что в известном генераторе колебаний жидкостного потока, содержащем напорную магистраль, соединенную с вихревой камерой, каналы закрутки, выходное сопло, соединенное с каналами закрутки и полость с регулируемой упругостью, соединенную с каналами закрутки противоположной ориентации, согласно изобретению, каналы закрутки и каналы закрутки противоположной ориентации выполнены в боковой стенке вихревой камеры, при этом каналы закрутки выполнены на меньшем радиусе боковой стенки вихревой камеры и соединены с выходным соплом, а каналы закрутки противоположной ориентации выполнены на большем радиусе боковой стенки вихревой камеры и соединены через канал с закрытой с другой стороны трубой, в которой вдоль ее длины установлена, по крайней мере, одна полость с регулируемой упругостью, отделенная от трубы и канала герметичной эластичной оболочкой, причем между каналами закрутки и каналами закрутки противоположной ориентации установлена перегородка, по крайней мере, с одним сквозным каналом.

Для регулирования потока жидкости от каналов закрутки противоположной ориентации в канал, с целью регулирования силы сжатия полости с регулируемой упругостью, целесообразно установить между ними дополнительную перегородку, по крайней мере, с одним дополнительным сквозным каналом. Использование сквозного канала на радиусе боковой стенки вихревой камеры не меньше чем величина большего радиуса боковой стенки вихревой камеры приводит к уменьшению скорости вращения и влияния потоков друг на друга при закручивании. Выполнение дополнительного сквозного канала между боковой стенкой вихревой камеры и дополнительной перегородкой способствует оптимальному преобразованию постоянного потока нагнетаемой жидкости в пульсирующий. В обоих случаях выполнения сквозного канала и дополнительного сквозного канала целесообразно перегородку соединить с дополнительной перегородкой.

С целью предотвращения преждевременного смешивания и торможения противоположно закрученных потоков, целесообразно сквозной канал снабдить обратным клапаном.

При работе генератора колебаний потока происходит периодическое закручивание жидкости перед выходным соплом и остановка вращения с последующим выбросом жидкости в окружающую среду. Для уменьшения времени, затрачиваемого на закручивание жидкости после остановки, целесообразно напротив выходного сопла установить дополнительную камеру закручивания, в которой часть потока будет по инерции сохранять вращательное движение. При этом дополнительную камеру закручивания целесообразно установить в перегородке. При работе генератора в газовой окружающей среде использование дополнительной вихревой камеры напротив выходного сопла приводит к увеличению амплитуды колебаний расхода за счет увеличенного объема газовой полости, образованной в дополнительной вихревой камере на оси закрученного, с помощью каналов закрутки, потока жидкости.

Для расширения амплитудно-частотного диапазона колебаний при работе генератора целесообразно использовать дополнительную полость с регулируемой упругостью, установленную в дополнительной камере закручивания, при этом в качестве регулируемой упругости использовать инертный газ или пружину, отделенные от жидкости с помощью мембраны. Для регулирования величины упругости дополнительной полости целесообразно заполнить ее инертным газом под избыточным давлением с помощью клапанного устройства, при этом с целью предотвращения разрушения мембраны установить перед ней перфорированную перегородку. Для регулирования массы вращающейся жидкости в зависимости от величины расхода из напорной магистрали целесообразно выходное сопло сделать подвижным, например, подпружинить относительно вихревой камеры.

Величина регулируемой упругости полости зависит и от величины упругости материала герметичной эластичной оболочки. С целью исключения влияния упругости материала целесообразно герметичную эластичную оболочку выполнить внутри канала в виде резиновой трубки, закрытой с двух торцов и установленной в жесткой перфорированной трубе, или в виде армированной резиновой трубки. Для регулирования частотного диапазона колебаний, а также компенсации высокого давления в окружающей среде и в напорной магистрали резиновая трубка и армированная резиновая трубка могут быть заполнены инертным газом под избыточным давлением через клапанное устройство.

При совместном использовании регулируемой упругости полости и упругости материала герметичной эластичной оболочки, выполненной в виде резиновой трубки, целесообразно внутри нее выполнить канал. При этом резиновая трубка, заглушённая с одного торца и соединенная другим торцом с трубой, образует между ней и резиновой трубкой полость с регулируемой упругостью. Труба может быть заполнена инертным газом под избыточным давлением через клапанное устройство, а при использовании высоких значений избыточного давления целесообразно канал расположить в жесткой перфорированной трубе, которая установлена внутри герметичной эластичной оболочки в виде резиновой трубки, один торец которой заглушён, а другой соединен с трубой. Исполнение герметичной эластичной оболочки в виде трубки позволяет увеличить площадь и силу взаимодействия полости с регулируемой упругостью с жидкостью в канале, а также уменьшить радиальные габариты устройства.

В заявляемом изобретении реализуется механизм генерации колебаний расхода жидкости, позволяющий получить новый технический результат, который заключается в том, что управление движением жидкости в генераторе происходит с помощью не менее чем двух разделенных и противоположно закрученных с разными скоростями потоков, один из которых связан с накопителем упругой энергии сжатия в виде полости с регулируемой упругостью, а другой - с выходным соплом.

Закручивание потоков в вихревой камере генератора используется для создания большого гидравлического сопротивления движению жидкости, как временно блокирующих элементов за счет большей тангенциальной составляющей скорости по сравнению с радиальной составляющей. При этом закрученный поток с меньшей скоростью обеспечивает с помощью канала подачу жидкости в полость с регулируемой упругостью, где энергия движения жидкости преобразуется в потенциальную энергию упругого сжатия. Одновременно закрученный поток с большей скоростью блокирует движение жидкости со стороны закрученного потока с меньшей скоростью и движение жидкости через выходное сопло генератора. Обладая большей тангенциальной составляющей скорости, закрученный поток обеспечивает надежное блокирование движения жидкости к выходному соплу.

Мощность колебаний потока зависит от величины накапливаемой упругой энергии в полости с регулируемой упругостью, массы жидкости в канале, на которую действует выталкивающая упругая сила, и гидравлического сопротивления на пути движения жидкости от полости с регулируемой упругостью через канал к выходному соплу.

Величина накапливаемой упругой энергии зависит от интенсивности вращения противоположно закрученных потоков и максимальна при их разделении. Эффективное разделение потоков обеспечивается до закручивания и во время закручивания, при которых происходит сжатие полости с регулируемой упругостью за счет действия напора массы жидкости через канал от закрученного потока с меньшей скоростью.

При выталкивании массы жидкости под действием сил регулируемой упругости полости обратно через канал обеспечивается эффективное торможение закрученных потоков и снятие их блокирующего действия на жидкость, движущуюся к выходному соплу. Эффективность торможения зависит от величины массы жидкости, движущейся с ускорением через канал в сторону выходного сопла. При этом на пути движения жидкости минимальное сопротивление обеспечивается более прямолинейным, в отличие от прототипа, движением с регулируемым проходным сечением.

В конструкции генератора колебаний жидкостного потока эффективность преобразования поступательного потока жидкости в пульсирующий обеспечивается за счет выполнения каналов закрутки и каналов закрутки противоположной ориентации на разных радиусах боковой стенки вихревой камеры, в отличие от прототипа, в котором закручивание потоков происходит на одинаковых радиусах, где центробежное давление максимальное, а значит максимально и сопротивление движению жидкости из напорной магистрали. Энергетически более выгодна подача жидкости в каналы закрутки в область закрученного потока, где давление ниже, чем на периферии, т.е. на меньшем радиусе корпуса вихревой камеры. Согласно закону о постоянстве циркуляции, использующегося в теории центробежных вихревых форсунок [Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М., 1953. С. 63], закручивание жидкости с помощью каналов закрутки на меньшем радиусе позволяет достичь большей тангенциальной составляющей скорости перед выходным соплом, эффективнее блокировать выход жидкости из него и увеличить величину накапливаемой упругой энергии. Подача жидкости через каналы закрутки на меньшем радиусе позволяет существенно уменьшить энергетические потери в них, увеличить мощность закрученного потока и величину колебаний расхода.

Для эффективного разделения противоположно закрученных потоков, с целью предотвращения от преждевременного торможения, между каналами закрутки и каналами закрутки противоположной ориентации установлена перегородка со сквозным каналом, например, в виде цилиндрических отверстий. Эти отверстия не передают воздействия друг на друга моментов сил при вращении потоков, но обеспечивают эффективную передачу действия центробежных сил, которые удерживают накапливаемую массу жидкости, сжимающую полость с регулируемой упругостью. Для временного накапливания жидкости каналы закрутки противоположной ориентации, выполненные на большем радиусе боковой стенки вихревой камеры, соединяют через канал с закрытой с другой стороны трубой, в которой вдоль ее длины установлена, по крайней мере, одна полость с регулируемой упругостью, отделенная от трубы и канала герметичной эластичной оболочкой. Труба, закрытая с одной стороны, защищает полость с регулируемой упругостью от действия давления в напорной магистрали, а герметичная эластичная оболочка - от действия давления жидкости в канале. Исполнение полости с регулируемой упругостью вдоль канала, позволяет регулировать величину массы жидкости, сжимающую полость, в зависимости от интенсивности вращения потоков в вихревой камере. При работе генератора масса жидкости взаимодействует с полостью с регулируемой упругостью через герметичную эластичную оболочку и совершает в канале возвратно-поступательное движение. Выполнение полости с регулируемой упругостью вдоль канала, в трубном варианте исполнения, за счет максимальной площади взаимодействия позволяет достигать больших величин сил упругости, действующих на жидкость в канале при использовании минимальных радиальных габаритов устройства. Регулирование величины сил упругости можно производить с помощью установки в трубе двух и более полостей с разными значениями регулируемых упругостей, что позволяет расширить диапазон излучаемых частот колебаний и увеличить надежность устройства в целом.

Краткое описание чертежей Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 дана схема генератора колебаний жидкостного потока при выполнении его по основной формуле,

на фиг. 2 - разрез А-А и В-В на фиг.1 ,

на фиг. 3 - вариант его выполнения с дополнениями по п. 9,

на фиг. 4 - вариант его выполнения с дополнениями по пп. 10, 13. Лучший вариант осуществления изобретения

Поскольку заявленный способ реализуется при работе заявляемого генератора колебаний, то описание способа приведено при изложении раздела описания работы устройства.

Генератор колебаний жидкостного потока содержит вихревую камеру (1) с каналами закрутки (2) и каналами закрутки противоположной ориентации (3), выполненные на разных радиусах в боковой стенке вихревой камеры (1). Внутри вихревой камеры (1) между каналами закрутки (2) и каналами закрутки противоположной ориентации (3) установлена перегородка (4) со сквозным каналом (5). Напротив перегородки (4) со стороны каналов закрутки (2), установлено выходное сопло (6).

С другой стороны перегородки (4), со стороны каналов закрутки противоположной ориентации (3), с вихревой камерой (1) соединена труба (7), закрытая с другой стороны. В трубе (7) установлена полость с регулируемой упругостью (8) с образованием канала (9). Полость с регулируемой упругостью (8) отделена от трубы (7) и от канала (9) герметичной эластичной оболочкой (10). Для подачи жидкости под давлением в каналы закрутки (2) и каналы закрутки противоположной ориентации (3) используют напорную магистраль (11). Между трубой (7) и вихревой камерой (1) может быть установлена дополнительная перегородка (12), по крайней мере, с одним дополнительным сквозным каналом (13), а в перегородке (4) может быть выполнена дополнительная вихревая камера (14).

Генератор колебаний жидкостного потока работает следующим образом. Предварительно, в зависимости от диапазона рабочих величин расхода и давления в напорной магистрали (1 1), а также давления в окружающей среде производят расчет геометрических параметров генератора и величины регулируемой упругости полости (8).

Генератор колебаний жидкостного потока закрепляют в напорной магистрали (1 1), например, с помощью вихревой камеры (1). Затем жидкость из напорной магистрали (11) подают в каналы закрутки (2) и каналы закрутки противоположной ориентации (3), выполненные в боковой стенки вихревой камеры (1). Закрученный с помощью каналов закрутки (2), поток, благодаря большой тангенциальной составляющей скорости, блокирует движение жидкости через выходное сопло (6). Одновременно, с помощью центробежного давления этого потока, блокируется движение жидкости через сквозной канал (5) со стороны противоположно закрученного, с помощью каналов закрутки противоположной ориентации (3), потока. Блокирование противоположно закрученного потока происходит без его торможения, поскольку сквозной канал (5) не передает действия момента силы от закрученного, с помощью каналов закрутки (2), потока.

Закрученный, с помощью каналов закрутки противоположной ориентации (3), поток жидкости поступает через канал (9) в закрытую с другой стороны трубу (7) и сжимает расположенную вдоль канала (9) полость с регулируемой упругостью (8), закрытую герметичной эластичной оболочкой (10). При этом давление в полости с регулируемой упругостью (8) увеличивается за счет движения по инерции массы жидкости в канале (9) до величины, превышающей величину центробежного давления в сквозном канале (5). При достижении критической величины сжатия и силы упругости, происходит торможение сначала закрученного каналами закрутки противоположной ориентации (3) потока, уменьшение центробежного давления в сквозном канале (5), а затем торможение закрученного каналами закрутки (2) потока. В итоге, присоединение движущейся массы жидкости из канала (9) к закрученным потокам приводит к их остановке и резкому выбросу жидкости через выходное сопло (6) в окружающую среду. После освобождения трубы (7) от избыточной массы жидкости и уменьшения давления в полости с регулируемой упругостью (8) процессы закручивания потоков в вихревой камере (1) возобновляются. Для увеличения величины давления сжатия полости с регулируемой упругостью (8) может быть установлена дополнительная перегородка (12), по крайней мере, с одним дополнительным сквозным каналом (13). При этом величина давления сжатия дополнительно регулируется центробежным давлением на дополнительном сквозном канале (13), который выполняется на соответствующем радиусе вихревой камеры (1). Перед выходным соплом (6) в перегородке (4) устанавливают дополнительную вихревую камеру (14), что позволяет уменьшить время и увеличить интенсивность закручивания потока.

Промышленная применимость изобретения

Группа изобретений может быть использована в областях промышленности, применяющих пульсирующий режим течения жидкости.