СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ ЖИДКОСТНОГО ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F15B21/12 B06B1/18 

Изобретение относится к технике возбуждения колебаний скорости и давления жидкости с помощью гидравлических генераторов и может быть использовано в различных областях техники:
при проведении различных гидроразмывных работ, например, при добычеполезных ископаемых;
в различных технологических процессах, требующих интенсивных колебаний расхода и давления жидкости;
для привода механизмов, функционирующих в режиме периодических нагрузок;
для открытого или закрытого гидромассажа в оздоровительных и лечебных целях;
для обработки водоносных и нефтяных скважин.

Известен способ генерирования колебаний, включающий подачу жидкости под избыточным давлением и закручивание ее с образованием жидкостного вихря и гидродинамический генератор колебаний для его осуществления, содержащий проточную вихревую камеру с продольным каналом подвода управляющего потока [1] Генерирование колебаний осуществляется за счет взаимодействия осевого потока нагнетаемой жидкости с управляющим вихревым потоком, который формируют и усиливают с помощью другого источника жидкости. Необходимость в двух источниках расхода жидкости и относительная сложность средств формирования управляющего потока ограничивают область применения генератора.

Известен способ генерирования колебаний жидкостного потока, состоящий в том, что жидкость подают под избыточным давлением и закручивают, образу жидкостный вихрь [2]
Известен также гидродинамический генератор для осуществления этого способа, который содержит корпус, установленную в нем проточную камеру с каналами закрутки и выходным соплом и напорную магистраль, сообщенную с каналами закрутки [2]
Недостатком известного способа и генератора колебаний является узкий диапазон эксплуатации, что связано с особенностями реализуемого механизма колебаний. Реализация способа и работа данного генератора возможна только в условиях затопленного истечения, то есть когда жидкость из сопла вытекает в пространство, заполненное жидкостью. Это обстоятельство существенно сужает область применения способа и усложняет конструкцию генератора, так как требует наличия на выходе специальной камеры, заполненной жидкостью.

Задачей изобретения является расширение эксплуатационных возможностей.

Поставленная задача достигается тем, что в способе генерирования колебаний жидкостного потока, состоящем в том, что жидкость подают под избыточным давлением и закручивают, образуя жидкостный вихрь, согласно изобретению жидкость до закручивания разделяют на основной и дополнительный автономные потоки, осуществляют закручивание основного потока, а в дополнительном потоке частично стравливают давление и подают его на периферию жидкостного вихря основного потока с окружной составляющей скорости меньшей окружной составляющей скорости основного потока. Для расширения диапазона частот генерируемых колебаний в дополнительном потоке после стравливания давления можно изменять упругость жидкости.

Поставленная задача решается также тем, что гидродинамический генератор колебаний, содержащий корпус, установленную в нем проточную камеру с каналами закрутки и выходным соплом, и напорную магистраль, сообщенную с каналами закрутки, согласно изобретению, снабжен центральным телом, установленным в проточной камере с зазором относительно ее боковой стенки, дополнительной магистралью с ограничителем расхода, подключенной через ограничитель расхода к напорной магистрали и сообщенной с соплом через зазор между центральным телом и стенкой проточной камеры.

Для расширения диапазона частот генератор целесообразно снабдить упругой полостью, сообщенной с дополнительной магистралью.

Для оптимизации режима работы генератора в зазоре между центральным телом и стенкой проточной камеры целесообразно выполнить завихривающие каналы. При этом направление закрутки жидкости в этих каналах может быть противоположным направлению закрутки в каналах проточной камеры.

Для расширения диапазона регулирования генератора целесообразно, чтобы центральное тело было установлено с возможностью осевого перемещения относительно проточной камеры.

В некоторых вариантах исполнения генератора целесообразно, чтобы упругая полость была выполнена в виде канала, сообщающего ее с дополнительной магистралью и ограниченного подпружиненным поршнем. Наиболее просто исполнение генератора, если упругая полость выполнена в виде объема, заполненного газом. В случаях, когда нежелательно растворение газа в жидкости, целесообразно, чтобы между дополнительной магистралью и объемом заполненным газом, была установлена подвижная перегородка, выполнена в виде эластичной оболочки или поршня.

При генерировании колебаний в объеме жидкости гидродинамический генератор колебаний целесообразно снабдить четвертьволновым резонатором, подключенным к выходу проточной камеры. В некоторых случаях целесообразно, чтобы гидродинамический генератор был снабжен демпфером колебаний давления жидкости за проточной частью. При этом демпфер колебаний может быть выполнен в виде эластичной оболочки, заполненной сжимаемой средой. Целесообразно, чтобы в ряде случаев генератор был снабжен фильтром, установленным на входе в напорную магистраль, а корпус генератора выполнен трубчатым. Фильтр может быть выполнен в виде сопрягаемых колец с прорезями.

Для дальнейшего расширения эксплуатационных возможностей дополнительная магистраль может быть сообщена дополнительным каналом с выходом генератора. При этом дополнительный канал может быть выполнен в центральном теле и снабжен дополнительным ограничителем расхода.

В предложенном способе реализуется новый, неизвестный ранее механизм возникновения автоколебаний жидкостного потока. В первой фазе процесса происходит запирание дополнительного потока жидкости основным закручивающим потоком, вследствие частичного стравливания давления в дополнительном потоке и подаче его на периферию жидкостного вихря. Запирание дополнительного потока приводит к росту давления в нем и усилению энергообмена между основным и дополнительным потоками вследствие разницы окружных составляющих скорости. При возрастании давления в дополнительном потоке до величины соизмеримой с величиной центробежного давления на периферии жидкостного вихря основного потока происходит разрушение вихря и выброс жидкости дополнительного потока, сопровождающееся увеличением расхода. После выброса жидкости давление в дополнительном потоке падает, опять образуется жидкостный вихрь основного потока, который запирает дополнительный поток, и процесс автоколебаний повторяется. Изменяя упругость жидкости дополнительного потока, можно регулировать частоту колебаний. При увеличении упругости жидкости, например, введением в нее газа, частота генерируемых колебаний будет уменьшаться, вследствие увеличения времени роста давления в дополнительном потоке.

В предложенном генераторе каналы закрутки с напорной магистралью, проточной камерой и выходным соплом образуют основной закрученный жидкостный поток, а центральное тело, установленное в проточной камере с зазором относительно ее боковой стенки и дополнительная магистраль, подключенная через ограничитель расхода к напорной магистрали, осуществляют разделение жидкости на основной и дополнительный потоки, частичное стравливание давления в дополнительном потоке с помощью ограничителя расхода и подачу дополнительного потока на периферию жидкостного вихря с нулевой величиной окружной составляющей скорости.

Предлагаемый гидродинамический генератор колебаний обеспечивает возбуждение автоколебаний в широком диапазоне частот и амплитуд колебаний. При этом генератор надежно работает при истечении жидкости, как в открытое, так и в заполненное пространство. Последнее обстоятельство существенно повышает эксплуатационные возможности генератора и расширяет диапазон его применения. Область рабочих частот генератора находится в диапазоне 1.200 Гц.

На фиг.1 представлен генератор для реализации способа;
на фиг.2 разрез А-А по каналам закрутки;
на фиг.3 и 4 варианта выполнения упругой полости;
на фиг.5 четвертьволновый резонатор;
на фиг.6 демпфер колебаний давления;
на фиг.7 продольный разрез генератора колебаний, вариант выполнения;
на фиг.8 вариант выполнения фильтра генератора;
на фиг.9 вариант выполнения генератора с дополнительным каналом;
на фиг.10 вариант выполнения дополнительного канала.

Гидродинамический генератор колебаний содержит корпус 1, установленную в нем проточную камеру 2 с каналами закрутки 3 и выходным соплом 4 и напорную магистраль 5, сообщенную с каналами закрутки 3. Каналы закрутки 3 тангенциальные, но могут быть любого типа, например, шнековые или винтовые. Генератор снабжен центральным телом 6, установленным в проточной камере 2 с зазором 7 относительно ее боковой стенки и дополнительной магистралью 8 с ограничителем расхода 9. Магистраль 8 подключена к напорной магистрали 5 через ограничитель расхода 9 и сообщена с соплом 4 через зазор 7 между центральным телом 6 и стенкой проточной камеры 2. Ограничитель расхода 9 выполнен регулируемым. Генератор снабжен также упругой полостью 10, сообщенной с дополнительной магистралью 8. В зазоре 7 между центральным телом 6 и стенкой проточной камеры 2 выполнены завихривающие каналы типа шнековых. Ограничитель расхода 9 выполнен регулируемым. Центральное тело 6 установлено с возможностью осевого перемещения относительно проточной камеры 2. Подвижность центрального тела 6 предназначена для оптимизации работ генератора при его настройке и расширения диапазона регулирования. Подвижность обеспечена, например, с помощью резьбового соединения центрального тела 6 с проточной камерой 2. Упругая полость 10 выполнена в виде канала, сообщающего ее с дополнительной магистралью 8 и ограниченного поршнем 11, взаимодействующего с пружиной 12 (фиг.3) или в виде объема, заполненного газом, например, воздухом.

Жидкость в дополнительной магистрали 8 свободно контактирует с газом, но может быть отделена подвижной перегородкой, выполненной в виде поршня 13 (фиг. 4) или эластичной оболочки 14 (фиг.7), заключенной в сетчатый кожух. Для повышения амплитуды колебаний при работе генератора в затопленном пространстве к выходному соплу 4 подключен четвертьволновый резонатор 15 (фиг.5) или демпфер 16 (фиг.6). Резонатор 15 выполнен в виде трубы, длина которой равна четверти длины волны колебаний. Демпфер 16 выполнен в виде эластичной оболочки 17, заполненной сжимаемой средой. Генератор снабжен фильтром 18, установленным на входе в напорную магистраль 5, а корпус 1 выполнен трубчатым (фиг.7). Фильтр 18 выполнен в виде сопрягаемых колец 19 с щелевыми прорезями 20 (фиг.8). Дополнительная магистраль 8 сообщена дополнительным каналом 21 с выходом генератора (фиг.9). При этом наилучшим выполнением дополнительного канала 21 это его выполнение в центральном теле 6 (фиг.9). При этом упрощается конструктивная доработка генератора по выполнению дополнительного канала 21 и на выходе из сопла 4 генератора образуются две пульсирующие струи: кольцевая на периферии и сосредоточенная по центру. Это существенно расширяет возможности технологического использования генератора. Дополнительный канал 21 снабжен ограничителем расхода, выполненным в виде съемного жиклера 22. Это позволит регулировать расход через генератор и оптимизировать режим его работы.

Способ осуществляют следующим образом.

Жидкость подают под избыточным давлением по напорной магистрали 5 и с помощью каналов 3 закручивают, образуя жидкостный вихрь в проточной камере 2. До закручивания жидкость разделяют на основной и дополнительный автономные потоки. С помощью каналов 3 осуществляют закручивание только основного потока, а в дополнительном потоке с помощью ограничителя расхода 9 частично стравливают давление и подают этот поток по дополнительной магистрали 8 в зазор 7 на периферию жидкостного вихря основного потока. При этом окружную составляющую скорости в дополнительном потоке обеспечивают меньшей чем окружная составляющая скорости основного потока. Вследствие стравливания давления в дополнительном потоке и увеличения давления на периферии жидкостного вихря основного потока из-за центробежных сил происходит запирание дополнительного потока. Это приводит к росту давления в дополнительной магистрали 8. При превышении давления в магистрали 8 над давлением в жидкостном вихре основного потока происходит разрушение вихря и выброс жидкости из магистрали 8, что приводит к существенному увеличению расхода жидкости. После выброса жидкости давление в дополнительной магистрали 8 падает, в проточной камере 2 опять образуется жидкостный вихрь основного потока и процесс автоколебаний повторяется. Изменяя упругость жидкости в дополнительной магистрали 8 изменяют частоту генерируемых колебаний. При наличии в генераторе упругой полости 10 частота колебаний уменьшается, так как увеличивается время роста давления в магистрали 8 при запирании дополнительного потока.

Для реализации описанного механизма автоколебаний необходимо, чтобы окружная составляющая скорости дополнительного потока, с которой он подводится к периферии жидкостного вихря, была меньше окружной составляющей скорости основного потока. Это необходимо для эффективного энергообмена между потоками, который приводит к разрушению жидкостного вихря. При этом величина окружной составляющей скорости дополнительного потока может быть равна нулю или иметь отрицательное значение, то есть дополнительный поток может быть совсем не закручен или быть закручен в другую сторону относительно основного потока. Величина закрутки дополнительного потока определяется в каждом конкретном случае исходя из заданных параметров колебаний.

Пример осуществления способа приведен ниже при описании работы гидродинамического генератора колебаний.

Гидродинамический генератор колебаний работает следующим образом.

Жидкость от источника энергии по напорной магистрали 5 поступает через каналы 3 в проточную камеру 2 и образует там полый жидкостный вихрь. Также из напорной магистрали 5 жидкость через ограничитель расхода 9 поступает в дополнительную магистраль 8 и из нее в зазор 7 между центральным телом 6 и боковой стенкой проточной камеры 2. В первой фазе процесса давление на периферии жидкостного вихря, а значит и в зазоре 7, вследствие наличия центробежных сил превышает давление жидкости в магистрали 8, что препятствует поступлению жидкости из дополнительной магистрали 8 в проточную камеру 2. Это приводит к росту давления в дополнительной магистрали 8 и сжатию упругой полости 10. При повышении давления в магистрали 8 больше давления в жидкостном вихре происходит разрушение вихря и выброс жидкости из магистрали 8, что приводит к существенному (до 70%) увеличению расхода жидкости через генератор. После выброса жидкости из дополнительной магистрали 8, давление в ней падает, в проточной камере 2 опять образуется жидкостный вихрь и процесс автоколебаний повторяется.

При необходимости создать колебания давления в пространстве заполненном жидкостью используется резонатор 15, который преобразует колебания расхода в колебания давления. При этом, если длина резонатор равна четверти длины волны колебаний, то максимальная амплитуда колебаний давления будет на выходе из резонатора 15, а минимальная в сечении на выходе из сопла 4, что обеспечивает работу генератора в условиях, соответствующих акустически открытому выходу. Однако, эффективное преобразование колебаний в резонаторе 15 обеспечивается только для частот, которым соответствует его длина.

Для расширения диапазона частот используется демпфер 16 (фиг.6). Рассеивание энергии с помощью демпфера обеспечивает работу генератора в условиях, соответствующих акустически открытому выходу. При этом происходит рост амплитуды колебаний и образование нелинейных возмущений типа ударных волн.

В генераторе с дополнительным каналом 21 колебания жидкости из дополнительной магистрали 8 передаются в канал 21. При этом необходимо строгое согласование площадей проходных сечений ограничителя расхода 9 и дополнительного канала 21 или жиклера 22 для обеспечения автоколебательного режима работы генератора.

Использование изобретения для всех указанных выше назначений возможно с использованием различных материалов и технологий, освоенных промышленностью многих стран. Промышленная применимость генератора по указанным выше назначениям и областям техники подтверждается известностью функционально идентичных устройств.

Гидродинамический генератор колебаний прошел промышленную проверку с положительным результатом.

Использование: в технологических процессах, требующих интенсивных колебаний расхода и давления жидкости. Сущность изобретения: с помощью каналов (3) осуществляют закручивание только основного потока, а в дополнительном потоке частично стравливают давление и подают этот поток по дополнительной магистрали (8) в зазор (7) на периферию жидкостного вихря основного потока. Вследствие увеличения давления на периферии жидкостного вихря основного потока из-за центробежных сил происходит запирание дополнительного потока. При превышении давления в магистрали (8) над давлением в жидкостном вихре основного потока происходит разрушение вихря и выброс жидкости из магистрали (8), что приводит к существенному увеличению расхода жидкости. После выброса жидкости давление в дополнительной магистрали (8) падает, в проточной камере (2) опять образуется жидкостный вихрь основного потока и процесс автоколебаний повторяется. 2 с. и 18 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ генерирования колебаний жидкостного потока, состоящий в том, что жидкость подают под избыточным давлением и закручивают, образуя жидкостный вихрь, отличающийся тем, что жидкость до закручивания разделяют на основной и дополнительный автономные потоки, осуществляют закручивание основного потока, а в дополнительном потоке частично стравливают давление и подают его на периферию жидкостного вихря основного потока с окружной составляющей скорости, меньшей окружной составляющей скорости основного потока. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в дополнительном потоке после стравливания давления изменяют упругость жидкости. 3. Гидродинамический генератор колебаний, содержащий корпус, установленную в нем проточную камеру с каналами закрутки и выходным соплом и напорную магистраль, сообщенную с каналами закрутки, отличающийся тем, что генератор снабжен центральным телом, установленным в проточной камере с зазором относительно ее боковой стенки, дополнительной магистралью с ограничителем расхода, подключенной через ограничитель расхода к напорной магистрали и сообщенной с соплом через зазор между центральным телом и стенкой проточной камеры. 4. Гидродинамический генератор колебаний по п.3, отличающийся тем, что он снабжен упругой полостью, сообщенной с дополнительной магистралью. 5. Гидродинамический генератор колебаний по п.3, отличающийся тем, что в зазоре между центральным телом и стенкой проточной камеры выполнены завихривающие каналы. 6. Гидродинамический генератор колебаний по пп.3 и 5, отличающийся тем, что направление закрутки в каналах, выполненных в зазоре между центральным телом и стенкой проточной камеры, выбрано противоположным направлению закрутки в каналах проточной камеры. 7. Гидродинамический генератор колебаний по п.3, отличающийся тем, что центральное тело установлено с возможностью осевого перемещения относительно проточной камеры. 8. Гидродинамический генератор колебаний по пп.3 и 4, отличающийся тем, что упругая полость выполнена в виде канала, сообщающего ее с дополнительной магистралью и ограниченного подпружиненным поршнем. 9. Гидродинамический генератор колебаний по пп.3 и 4, отличающийся тем, что упругая полость выполнена в виде объема, заполненного газом. 10. Гидродинамический генератор колебаний по пп.3, 4 и 9, отличающийся тем, что он снабжен подвижной перегородкой, установленной между дополнительной магистралью и объемом, заполненным газом. 11. Гидродинамический генератор колебаний по пп.3, 4, 9 и 10, отличающийся тем, что подвижная перегородка выполнена в виде эластичной оболочки. 12. Гидродинамический генератор колебаний по пп.3, 4, 9 и 10, отличающийся тем, что перегородка выполнена в виде поршня. 13. Гидродинамический генератор колебаний по п.3, отличающийся тем, что он снабжен четвертьволновым резонатором, подключенным к выходному соплу. 14. Гидродинамический генератор колебаний по п.3, отличающийся тем, что он снабжен демпфером колебаний давления, подключенным к выходному соплу. 15. Гидродинамический генератор колебаний по пп.3 и 14, отличающийся тем, что демпфер колебаний давления выполнен в виде эластичной оболочки, заполненной сжимаемой средой. 16. Гидродинамический генератор колебаний по п.3, отличающийся тем, что он снабжен фильтром, установленным на входе в напорную магистраль, а корпус выполнен трубчатым. 17. Гидродинамический генератор колебаний по пп.3 и 16, отличающийся тем, что фильтр выполнен в виде сопрягаемых колец с прорезями. 18. Гидродинамический генератор колебаний по п.3, отличающийся тем, что дополнительная магистраль сообщена дополнительным каналом с выходом генератора. 19. Гидродинамический генератор колебаний по пп.3 и 18, отличающийся тем, что дополнительный канал выполнен в центральном теле. 20. Гидродинамический генератор колебаний по пп.3 и 18, отличающийся тем, что дополнительный канал снабжен дополнительным ограничителем расхода.