СТРУЙНЫЙ АППАРАТ Российский патент 1995 года по МПК F04F5/02 

Изобретение относится к струйной технике, в частности к водоструйным вакуумным насосам.

Известен струйный аппарат-насос для создания разряжения [1] принцип работы которого основан на скольжении рабочей жидкости плоской струей по входному отверстию активного сопла в центробежном поле.

Насос такого типа не эффективный, малопроизводительный и характеризуется низким предельным остаточным давлением. Это связано с тем, что конструкция активного сопла исключает турбулентное перемешивание рабочей жидкости с откачиваемой средой. Отсос газа (воздуха) из системы осуществляется только за счет вязкостного трения рабочей жидкости поверхностью скольжения о частицы газа, находящихся у отверстия сопла.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является струйный аппарат (насос) [2] предназначенный для откачки легкой жидкости из одной системы и нагнетания ее в другую путем использования принципа работы жидкоструйного вакуумного насоса с применением центробежного поля, содержит сепаратор-отстойник, выполненный в виде ротора с внутренним объемом, обеспечивающим заполнение его определенным количеством активной рабочей среды (ртутью), жидкоструйный эжектор (по патенту расходомерная трубка), состоящий из активного сопла, входное отверстие которого расположено перпендикулярно вектору вращения ротора, и камеры смешения, соединенной с системой трубопроводов, подводящей легкую жидкость и отводящей ее из насоса.

Принцип действия данного насоса следующий: с помощью привода вращения создается стационарное вращение ротора с ртутью; часть потока вращающегося кольца ртути входит под действием центробежных сил в входное отверстие активного сопла; вошедшая в активное сопло ртуть в виде турбулетной струи истекает с определенной скоростью через сужающее отверстие сопла в камеру смешения; в результате турбулентного перемешивания и вязкостного трения с легкой жидкостью данная струя увлекает ее в камеру смешения; с выходом смешанной жидкости из камеры смешения, жидкость с меньшей плотностью вытесняется жидкостью большей плотности под действием центробежных сил к центру сепаратора-отстойника, а оттуда через неподвижный осевой выпускной канал нагнетается в систему подачи легкой жидкости.

Данный насос имеет недостаток. В случае увеличения оборотов вращения ротора такие характеристики насоса как производительность и быстрота действия не поднимаются, а падают, что делает насос малоэффективным. Падение эффективности насоса объясняется ростом гидравлического сопротивления движению потока активной среды в эжекторе, приводящим к уменьшению поступления (расхода) активной среды в сопло и, как следствие, падению давления ее при истечении из сопла в камеру смешения. Рост гидравлического сопротивления связан с образованием завихрений и обратных потоков у части потока активной среды при движении его в эжекторе.

На фиг. 1 показан механизм образования завихрений и зон обратных потоков. Известно, что численное значение линейной скорости любой точки вращающегося тела определяется по формуле Эйлера (Справочник по физике, Б.М. Яворский, А. А. Детлаф, М. Наука, 1977, с. 24): V= ω R, где ω угловая скорость вращения точки относительно оси вращения и R расстояние ее до оси вращения. В момент вхождения потока жидкости в активное сопло он имеет по ширине АВ различную линейную скорость. В точке А расстояние ее до оси R_A линейная скорость максимальная V_мак. В точке В расстояние ее до оси вращения RB линейная скорость минимальная V_мин. С поступлением в сопло поток активной жидкости начинает движение в эжекторе прямолинейно. С этого момента время прохождения в эжекторе отдельных частей потока не одинаковое. Часть потока, удаленная от оси вращения на радиус R_А двигается с большей линейной скоростью V_А, а поток, расположенный ближе к оси радиусом R_В движется с меньшей линейной скоростью V_В. Поток, движущийся со скоростью V_А быстрей проходит расстояние l_с (длина сопла) и l_к (длина камеры смешения), чем поток, движущийся со скоростью V_В и поэтому вынужден в конце прямолинейного пути заворачиваться, заходить в зоны разряжения и создавать потоки с обратным движением, поскольку поток, движущийся с меньшей скоростью еще не дошел до конца пути.

Завихрения и обратные потоки создают гидравлическое сопротивление движению потока активной жидкости, в результате чего замедляется его скорость движения в эжекторе и, как следствие, уменьшается поступление активной жидкости (расхода) в сам эжектор и падает давление ее при истечении из активного сопла. Из-за роста гидравлического сопротивления часть потока активной жидкости при вращении в роторе уже не поступает в эжектор, а обтекает его снаружи. От этого эффективность работы насоса падает. Технический результат изобретения повышение эффективности струйного аппарата, за счет уменьшения гидравлического сопротивления.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом струйном аппарате, содержащем привод вращения с регулятором оборотов, сепаратор-отстойник, выполненный в виде цилиндрического ротора с внутренним объемом, частично заполняемым активной жидкой средой и устанавливаемый в роторе эжектор, включающий активное сопло и камеру смешения с системой трубопроводов подвода отсасываемой среды эжектор выполнен с криволинейной осью, причем последняя представляет собой дугу, центр которой лежит на оси вращения ротора, а сам эжектор расположен в центре потока активной среды.

На фиг. 2 представлена схема предлагаемого струйного аппарата, на фиг. 3 сечение А-А на фиг. 2.

Предлагаемый струйный аппарат содержит (фиг. 2): привод вращения 1 с регулятором оборотов 2, сепаратор-отстойник 3, выполненный в виде цилиндрического ротора с внутренним объемом, обеспечивающим заполнение его определенным количеством активной среды (водой) 4, эжектор 5, включающий активное сопло 6 и камеру смешения 7, систему трубопроводов 8, подводящую откачиваемую среду 9.

Конструктивно эжектор 5 выполнен с криволинейной осью, представляющей собой дугу с радиусом до оси вращения ротора 3 (фиг. 3). По осевой эжектор 5 совмещается с окружностью, получаемой от вращения центра потока активной среды 4, проходящей через активное сопло 6 и камеру смешения 7. При этом входное отверстие активного сопла 6 устанавливается перпендикулярно вектору вращения сепаратора-отстойника 3. Обычно на практике ось входного отверстия сопла 6 устанавливается на окружности, образуемой вращением центра тяжести активной среды 4 в сепараторе-отстойнике 3.

Струйный аппарат работает следующим образом (см. фиг. 1 и фиг. 2).

В сепаратор-отстойник 3 заливается определенное количество активной жидкости 4 (вода, объемом 3/4 внутреннего объема сепаратора-отстойника 3), включается привод вращения 1 и с помощью регулятора оборотов 2 устанавливается нужное число оборотов вращения сепаратора-отстойника 3. При вращении сепаратора-отстойника 3 возникающая центробежная сила увлекает воду, сообщает ей крутящий момент с определенным скоростным напором. Часть потока воды постоянно входит при вращении в активное сопло 6, проходит его и с определенной скоростью истекает через сужающееся отверстие в камеру смешения 7. Время входа данного потока в активное сопло 6 для всех его частей одинаковое. Время выхода из него также одинаковое. В момент выхода потока воды из сопла 6 он, благодаря турбулентному перемешиванию и вязкостному трению захватывает, увлекает и выносит в камеру смешения 7 частицы отсасываемой среды 9 (Вакуумная техника, Справочник, Под ред. Е.С. Фролова. М. Машиностроение, 1985, с. 228). Время прохождения образуемой смеси в камере смешения 7 для всех частей потока также одинаковое. С выходом смеси из камеры смешения 7 отсасываемая среда 9 мгновенно отделяется от воды и выталкивается наружу, а поток воды сливается с основной массой воды, и приобретает вновь крутящий момент. Поскольку время входа и время выхода воды из эжектора 5 для всех частей потока одинаковое образование гидравлического сопротивления движению потока воды в эжекторе 5 отсутствует. При увеличении оборотов вращения сепаратора-отстойника 3 происходит линейное увеличение и расхода воды и соответственно повышается давление потока воды, выходящего из сопла 6 в камеру смешения 7.

Такое техническое решение конструкции эжектора 5 в предлагаемом струйном аппарате исключает образование гидравлического сопротивления движению потока воды 4 в эжекторе 5, что обеспечивает повышение эффективности струйного аппарата в работе в процессе увеличения оборотов вращения сепаратора-отстойника 3. Кроме того, возможность линейного изменения расхода активной среды 4 и скоростного напора ее при истечении из сопла 6 в камеру смешения 7 позволяет регулировать и контролировать количество отсасываемой среды 9 и открывает путь для полной механизации и автоматизации технологических операций вакуумирования при различных входных и выходных параметрах.

Использование: в водоструйных вакуумных насосах. Сущность изобретения: сепаратор-отстойник выполнен в виде цилиндрического ротора, внутренний объем которого частично заполнен активной жидкой средой. Установленный в роторе эжектор содержит активное сопло и камеру смещения с системой трубопроводов подвода отсасываемой среды. Эжектор выполнен с криволинейной осью, представляющей собой дугу, центр которой лежит на оси вращения ротора. Эжектор расположен в центре потока активной среды. 3 ил.

СТРУЙНЫЙ АППАРАТ, содержащий привод вращения с регулятором оборотов, сепаратор-отстойник, выполненный в виде цилиндрического ротора, внутренний объем которого частично заполнен активной жидкой средой, и установленный в роторе эжектор, включающий активное сопло и камеру смешения с системой трубопроводов подвода отсасываемой среды, отличающийся тем, что эжектор выполнен с криволинейной осью, причем последняя представляет собой дугу, центр которой лежит на оси вращения ротора, а эжектор расположен в центре потока активной среды.