СПОСОБ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО "ТАНЦУЮЩАЯ ЗВЕЗДА" ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2001 года по МПК B05B1/08 B05B17/08 

Изобретение относится к прикладной гидродинамике и направлено на повышение эффективности струйного воздействия на объект обработки. Может быть использовано как элемент стиральных машин помпового типа, в моечных установках, гидромониторах. Изобретение применимо также в качестве гидромассажной головки (включая головки вихревых гидромассажных ванн по типу "Джакуззи") и в архитектуре в качестве раздаточного элемента фонтанов.

Известны вихревые форсунки раздаточных пистолетов моечных установок. К ним относятся, в частности, форсунки датских фирм "Klinett" и "NILFISK-GERNI A/S", итальянских фирм "SIBITEC" и "LAVORWASH", а также вращающаяся насадка TURBO BLASTER германской фирмы "OERTZEN". Первые четыре форсунки базируются на русском изобретении 50-х годов, сделанном профессором М.Г.Дубинским (а.с. СССР N 80765), а также на а.с. СССР N 848073, 696850 и 519891, развивающих первое изобретение. Последняя из упомянутых форсунок также заимствована из арсенала русской технической мысли (см. Мухачев В.М. Как рождаются изобретения. М.: Московский рабочий, 1968 г., стр. 87 - 92, рис. 20). Упомянутые форсунки эффективны при больших давлениях исходной жидкости (≥6 МПа), которое создается плунжерными насосами, что дорого для потребителя.

Известен гидравлический пульсатор по а. с. СССР N 520460, содержащий корпус с цилиндрической полостью и радиальными впускным и выпускным окнами, вращающийся внутри корпуса золотник с профилированным распределительным окном. Истечение жидкости - прерывистое (за один оборот ротора-золотника на объект направляется только две струи, которые не имеют окружной составляющей скорости).

Известна вихревая гидромассажная насадка по а.с. СССР N 1276340, содержащая подводящий патрубок, профилированный корпус с внутренним винтовым завихрителем и расточкой на выходе. Воздействие на объект обработки (кожные покровы человека) основано на возникновении между расточкой корпуса и кожным покровом торообразного вихря. Недостатки устройства состоят в узости зоны применимости (только вблизи кожного покрова, в качестве вихревой головки ванн типа "Джакуззи" непригодно).

Известно применение гидравлических импульсных систем (ГИС) открытого типа для промывки от окалины полостей заготовок (Могендович Е.М. Гидравлические импульсные системы. Л.: Машиностроение, 1977 г., стр. 71 - 72). Генерация импульсов происходит за счет сжатия дополнительного воздушного потока рабочей жидкостью. Частота и продолжительность импульсов является функцией повышения давления воздуха, для подвода которого служит компрессор, что усложняет эксплуатацию и влечет нерациональный перерасход воды.

Прототипом заявляемому изобретению является устройство по а.с. СССР N 1637451 (фигура 4 патентного описания), которое содержит следующие признаки, сходные с заявляемым изобретением: тракт подвода жидкости, ротор с приводом вращения, корпус с центральным и периферийными отверстиями. Центральное отверстие корпуса охватывает вал ротора, периферийные отверстия выполнены сквозными, их продольные оси параллельны оси вращения ротора.

Известное устройство базируется на следующем способе гидродинамического воздействия: имеющую избыточное давление жидкость разделяют на отдельные потоки, которые затем закручивают, с помощью ротора генерируют волны давления, направляют потоки на объект воздействия.

У известного изобретения эффективность гидродинамического воздействия на объект обработки резко снижается по мере удаления объекта воздействия от переднего торца корпуса. Снижение эффективности происходит по экспоненциальной зависимости. Поэтому область использования мала (преимущественно для очистки стенок скважин).

Задачей настоящего изобретения является усиление гидродинамического воздействия на объект обработки в широком диапазоне расстояний объекта от переднего торца корпуса, следовательно, радикальное увеличение возможностей и сферы применимости.

Задача достигается тем, что в способе гидродинамического воздействия, согласно которому разделяют имеющую избыточное давление жидкость на отдельные потоки, закручивают потоки в вихревых камерах, в потоках генерируют волны давления посредством вращения ротора и направляют потоки на объект воздействия, согласно изобретению исходную жидкость разделяют на три потока, которые подают в шесть вихревых камер, камеры циклически перекрывают на выходе ротором так, что за один оборот ротора каждую камеру перекрывают трижды, скорость перекрытия обеспечивают достаточной для достижения гидроудара, отраженные от преграды ударные волны направляют в приосевые зоны открытых камер.

Физический смысл заявленного способа состоит в следующем. При резком перекрытии на выходе одной тройки вихревых камер (за малое время t < 2L/C, где L - длина камеры, С - скорость ударной волны, приближенно определяемая по известной формуле Н.Е.Жуковского) возникают ударные волны. Через приосевые отверстия задних концов вихревых камер и промежуточную кольцевую камеру ударные волны перепускают в приосевые зоны другой тройки вихревых камер. В приосевых зонах открытых камер (их "вихревом ядре") поддерживается разрежение. Когда в зону разрежения впускают жидкость повышенного давления, достигается резкое повышение импульса (меры количества движения) рабочих потоков, истекающих на объект обработки. Кроме того, на объект обработки осуществляется циклическое воздействие, переменное как по величине импульса, так и по знаку вектора окружной скорости рабочих потоков. Об этой стороне работы изобретения будет сказано ниже, после описания устройства для реализации способа.

Реализуется способ в практически опробованном устройстве "Танцующая звезда". Заявляемое устройство содержит тракт подвода жидкости, ротор с приводом вращения, корпус с центральным отверстием и периферийными сквозными отверстиями, продольные оси которых параллельны оси вращения ротора, в корпусе выполнены три канала сообщения периферийных отверстий с подводящим трактом, периферийные отверстия выполнены гексагонально со взаимным боковым сопряжением, оси каналов перпендикулярны оси вращения ротора и являются осями симметрии для секций из сопряженных периферийных отверстий, ротор выполнен в виде жестко посаженного на вал за передним торцом корпуса отсекателя. Кроме того, периферийные отверстия корпуса могут быть выполнены профилированными. Отсекатель может быть выполнен в виде расположенных с угловым шагом 120^o лепестков.

Другим вариантом исполнения отсекателя является тело вращения с тремя отверстиями, расположенными с угловым шагом 120^o, центры отверстий удалены от оси вращения ротора на величину, равную расстоянию между продольными осями ротора и периферийных отверстий корпуса. При этом отверстия отсекателя могут быть прямыми или иметь форму криволинейных каналов, тангенциальных в своей выходной части к обводам тела вращения.

Целесообразно применение изобретения в работе фонтанов, при этом истекающие струи подсвечивают импульсным источником света (в том числе когерентного) с частотой импульсов (мерцаний), кратной частоте вращения ротора. В этом случае объектом воздействия служит зрительный центр человека, а воздействие носит эстетический характер. От известных фонтанов с подсветкой (в том числе с помощью когерентных источников-лазеров) заявляемый вариант отличается повышенной эстетичностью, т.к. стробоскопический эффект делает зримой красоту квазибегущих закрученных струй, они выглядят в высшей степени декоративно.

На чертежах представлены средства реализации способа.

Фигура 1 - устройство "Танцующая звезда" для реализации заявленного способа (с турбинным приводом вращения ротора).

Фигура 2 - поперечный разрез по А-А на фигуре 1.

Фигура 3 - вариант устройства "Танцующая звезда" с электрическим приводом вращения ротора.

Устройство "Танцующая звезда" содержит тракт 1 подвода рабочей исходной жидкости, ротор 2, корпус 3 с центральным отверстием 4, охватывающим пропущенный сквозь него вал 5 ротора 2. Центральное отверстие 4 концентрично окружают периферийные отверстия 6, которые расположены гексогонально (т.е. центры отверстий 6 лежат на вершинах правильного шестиугольника). Отверстия 6 выполнены со взаимным боковым сопряжением (см. фигуру 2). Отверстия 6 функционально являются вихревыми камерами, роль завихрителя жидкости играют радиальные острые выступы смежных камер. В отличие от прототипа исходные прямоструйные потоки подают в корпус радиально. После натекания на острые выступы потоки раздваиваются и приобретают тангенциальную (окружную) компоненту скорости, что является основным признаком закрученного потока. Потоки в соседних камерах (отверстиях 6) имеют противоположное направление закрутки, т.е. из шести вихревых потоков половина вращается по часовой стрелке, а половина - против часовой стрелки. Отверстия 6 могут иметь как постоянное сечение, так и быть профилированными (например, в виде сопла Лаваля или трубы Вентури). Оптимальный профиль отверстий 6 может быть определен в ходе развития нового направления, открываемого заявляемым изобретением.

Позицией 7 обозначена ось вращения ротора 2. Продольные оси отверстий 6 параллельны оси 7. В корпусе 3 выполнены каналы 8 (например, в виде радиальных пазов прямоугольного сечения). Оси 9 каналов 8 перпендикулярны оси 7. Каждая ось 9 совпадает с осью симметрии секций (пар) отверстий 6.

Вал 5 снабжен отсекателем 10, закрепленным за передним торцом 11 корпуса 3. На фигурах показан вариант отсекателя в виде тела вращения с тремя отверстиями 12, передние срезы которых выходят в параболическую расточку 13 корпуса 3. Отверстия 12 расположены с угловым шагом 120^o, центры входных сечений отверстий 12 удалены от оси 7 на величину, равную удалению от оси 7 продольных осей отверстий 6 корпуса 3. Параболическая расточка 13 служит концентратором акустического излучения потоков, истекающих из отверстий 12 отсекателя 10. Наличие расточки 13 усиливает эффект от основных конструктивных признаков устройства, но не является обязательным для выполнения поставленной изобретением задачи.

Позицией 14 на фигуре 1 обозначена центрирующая опора для ротора 2. В этом случае приводом вращения ротора служит гидравлическая турбина 15, жестко скрепленная с ротором 2. Позицией 16 обозначена накидная гайка, навинченная на передний конец корпуса 3. Гайка 16 служит дополнительной радиальной опорой для ротора 2 (ограничивает радиальные биения отсекателя 10). Этот элемент конструктивный и не включен в число существенных признаков формулы изобретения. Позицией 17 на фигурах 1 и 3 обозначен объект гидродинамического воздействия. Позицией 18 обозначена кольцевая камера, расположенная с тыльной стороны отверстий 6.

Отраженные от отсекателя 10 ударные волны (образующиеся при резком перекрытии выходных срезов трех отверстий 6) перепускаются по кольцевой камере 18 в приосевые зоны открытых на этот момент трех остальных отверстий 6.

Возможны различные конструкции камеры 18. Приведенный в описании вариант является частным случаем, он предусматривает выполнение камеры 18 составной. Переднюю часть камеры 18 образует диск 19, скрепленный с задним торцом корпуса 3. В диске 19 выполнено шесть периферийных отверстий и центральное отверстие для вала 15. Периферийные отверстия диска служат для перепуска ударных волн в приосевые зоны вихревых камер. Диск 19 нужен для облегчения выполнения ступенчатого профиля отверстий 6. Если отверстия 6 не имеют конического участка, диск 19 не нужен (центральные отверстия вихревых камер можно выполнить в корпусе 3). Заднюю часть камеры 18 составляет полый усеченный конус 20. Возможен вариант исполнения камеры 18 в виде кольцевой канавки в диске рабочего колеса турбины 15 (на фигурах не показан).

Турбина может иметь любое исполнение, тип и вид, т.к. на принципе действия тип турбины не сказывается. Турбина может быть активной (в т.ч. осевой, диагональной, индуктивно-смерчевого типа) или реактивной (об этом варианте исполнения будет сказано ниже).

В качестве привода вращения вала 5 может быть применен вместо турбины электродвигатель 21 (фигура 3), преимущественно постоянного тока. Угловая скорость вращения ротора регулируется по резонансному принципу (частота вращения вала электродвигателя 21 регулируется так, чтобы она соответствовала собственной частоте вихревых камер или была кратна последней). Электродвигатель 21 установлен в кожухе 22, который притянут к тракту подвода жидкости 1 накидной гайкой 23. В тракт 1 жидкость нагнетается в этом случае по патрубку 24, который расположен поперечно относительно продольной оси всего устройства. На фигуре 1 поперечное расположение патрубка 24 обусловлено типом турбины 15. Для осевой турбины патрубок 24 должен быть соосен ротору 2. Возможна подача жидкости через два и более отдельных патрубков, в совокупности эквивалентных одному патрубку 24. Таким образом, патрубок (патрубки) 24 можно рассматривать как элемент тракта 1. В варианте, изображенном на фигуре 3, накидная гайка 23 содержит паз для прохода поперечно расположенного патрубка 24. В варианте, показанном на фигуре 1, патрубок 24 можно рассматривать как полую рукоятку, соединенную со шлангом подачи воды. Такое исполнение (шланг не показан) применимо в случае использования "Танцующей Звезды" в качестве ручного пистолета моечных установок.

Приводом вращения ротора 2, кроме уже рассмотренных вариантов, может служить и отсекатель 10, если его отверстия 12 в выходной их части вывести тангенциально относительно внешней поверхности отсекателя (т.е. сделать отверстия 12 в виде криволинейных каналов). Тогда отсекатель 12 будет совмещать с основной функцией дополнительную - служить реактивной гидротурбиной (по типу Сегнерова колеса). Оптимальной формой криволинейных каналов (минимум потерь давления потоков) будет такая форма, при которой радиальная координата произвольной точки, лежащей на оси канала, меняется пропорционально ее азимутальной координате, а азимутальная координата изменяется по закону кривой второго порядка, описанной уравнением у = k (x² - 2x), где k - коэффициент, пропорциональный скорости жидкости на входе в канал. Значение коэффициента k зависит от требуемого режима истечения потоков на объект воздействия. Таким образом, проекции осей криволинейных каналов на плоскость переднего среза 11 корпуса 3 имеют вид спиралей Архимеда, а проекции осей на плоскость, перпендикулярную срезу 11, имеют вид кривой второго порядка. Само собой разумеется, что криволинейные каналы не обязательно выполнять в теле отсекателя (ввиду сложности технологии). Каналами могут быть изогнутые нужным образом трубки или шланги, скрепленные с входными отверстиями отсекателя.

В данном варианте исполнения истечение жидкости на объект воздействия производится под углом к продольной оси устройства (в частности, радиально). Такое исполнение пригодно для обработки полых изделий (труб, скважин) и наиболее функционально близко к прототипу. Оно выгодно отличается от него не только новизной (реактивная гидротурбина, сочетающая в себе функцию генератора циклических импульсов с функцией привода), но и эффективностью, поскольку в спиральных каналах отсекателя жидкость приобретает дополнительную кинетическую энергию (ускоряется под действием центробежных сил). Вариант такого исполнения на фигурах не показан. Он отличается от показанного на фигуре 1 только формой отверстий 12 и отсутствием элементов 14, 15 и 16. Поскольку элементы 14, 15 и 16 не входят в число существенных отличительных признаков изобретения, есть все основания полагать, что такой вариант защищен пунктами 1, 2 и 3 формулы изобретения (хотя вариант не сформулирован в отдельном пункте).

Устройство "Танцующая звезда" реализует два взаимосвязанных процесса, которые служат одной цели и взаимоусиливаются (синергетический эффект):
1. Генерация рабочих (активированных) струй с высокой кинетической энергией (в трех открытых вихревых камерах за счет перекрытия остальных трех камер), процесс идет непрерывно. Активированные струи (в количестве трех струй) непрерывно истекают на объект обработки.

2. Струи являются "бегущими" (если их вывод из устройства производится из спиральных отверстий отсекателя в радиальном направлении) или "квазибегущими" (если их вывод из устройства производится в осевом направлении, как на фигурах 1 и 3). За счет такого характера истечения каждая локальная зона объекта обработки, соответствующая проекции на нее одного отверстия 6, подвергается циклическому воздействию, переменному во времени по величине импульса и знаку окружной скорости. В первой фазе воздействия на локальную зону направляется закрученная в одну сторону струя (положительный знак вектора окружной скорости), во второй фазе воздействие прекращается (перекрывается "излучающее" отверстие отсекателем), в третьей фазе на зону действует закрученная струя с отрицательным вектором окружной скорости.

Как и в прототипе, в "Танцующей звезде" реализуются эффекты кавитационной очистки обрабатываемых поверхностей и эмульгирования плохосмешивающихся жидкостей. В прототипе кавитационные парогазовые каверны образуются при периодическом открывании окон в тыльной части вихревых камер с возбуждением плоских волн акустического давления (см. патентное описание прототипа). В заявляемом устройстве при прохождении отраженных от отсекателя ударных волн через осевые зоны трех открытых вихревых камер также возникают ударные импульсы, акустическим излучателем служат острые кромки периферийных отверстий диска 19, а кавитация гарантированно возникает при натекании жидкости из трех каналов 8 на шесть радиальных острых выступов, образованных сопряжением отверстий 6 корпуса 3. Следовательно, изобретение не только не лишено возможностей прототипа, но, обеспечивая их иными конструктивными средствами, превосходит прототип по свойствам: обеспечивается большая амплитуда импульсов рабочих струй, знакопеременное воздействие на объект обработки, возможность производить не только механическое, но и физиотерапевтическое (гидромассаж), а также эстетическое воздействие (фонтаны).

Применение - в гидравлических импульсных системах, например в стиральных и моечных машинах, гидромониторах, архитектуре, в качестве вихревой гидромассажной головки. В шести вихревых камерах создаются закрученные потоки рабочей среды, в них генерируют пиковые импульсы давления вращающимся отсекателем. Отсекатель резко перекрывает одну тройку вихревых камер. Гидроударные волны перепускают в осевые зоны другой тройки вихревых камер и направляют на объект воздействия. Рабочая жидкость истекает постоянно, но каждая локальная зона объекта обработки испытывает прерывистое воздействие, циклически меняющееся по величине импульса и знаку окружности скорости. Обработка объекта ведется бегущими либо квазибегущими струями. Бегущие струи достигаются в варианте исполнения устройства с отсекателем в виде трехканальной реактивной гидротурбины (каналы спиралеподобны, их входные отверстия соответствуют осевому поступлению жидкости из неподвижных вихревых камер, а выходные сечения расположены тангенциально на периферии вращающегося ротора). Квазибегущий тип обработки достигается при прямой форме отверстий отсекателя или при его исполнении в виде трех лепестков, закрепленных на вале ротора с угловым шагом 120°. Приводом вращения отсекателя также может служить активная гидротурбина любого известного типа или электродвигатель. Возможна комбинация, когда ротор совместно приводится во вращение активной и реактивной турбинами или имеет совместный привод с электродвигателем и турбинами того или иного типа. Изобретение расширяет само понятие "объект воздействия", т. к. помимо механического достигается физиотерапевтическое (гидромассаж) и эстетическое (фонтаны с лазерной мерцающей подсветкой) воздействие. 3 с. и 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ гидродинамического воздействия, состоящий в том, что жидкость разделяют на отдельные потоки, нагнетают потоки в вихревые камеры, генерируют в потоках волны давления посредством вращения ротора и направляют потоки на объект воздействия, отличающийся тем, что потоки подают в шесть вихревых камер, которые циклически перекрывают ротором на выходе так, что каждую камеру за один оборот ротора перекрывают трижды, скорость перекрытия обеспечивают достаточной для достижения гидроудара, отраженные от преграды ударные волны направляют в приосевые зоны открытых камер. 2. Устройство для гидродинамического воздействия, содержащее тракт подвода жидкости, ротор с валом и приводом вращения, корпус с охватывающим вал ротора центральным отверстием и периферийными сквозными отверстиями, продольные оси которых параллельны оси вращения ротора, периферийные отверстия соединены каналами с трактом подвода жидкости, отличающееся тем, что периферийные отверстия выполнены гексагонально со взаимным боковым сопряжением, оси каналов подвода жидкости перпендикулярны оси вращения ротора и совпадают с осями симметрии сопряженных периферийных отверстий, центральное отверстие выполнено сквозным, ротор снабжен отсекателем, скрепленным с валом за передним торцом корпуса. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что отсекатель выполнен с тремя расположенными с угловым шагом 120^o каналами, центры входных отверстий которых удалены от оси вращения ротора на величину, равную удалению осей периферийных отверстий корпуса от оси вращения ротора. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что отсекатель выполнен в виде расположенных с угловым шагом 120^o лепестков, закрепленных на втулке, соосной валу ротора. 5. Способ гидродинамического воздействия состоящий в том, что жидкость разделяют на отдельные потоки, нагнетают потоки в вихревые камеры и генерируют в потоках волны давления посредством вращения ротора, отличающийся тем, что при работе фонтанов потоки нагнетают в шесть вихревых камер, которые циклически перекрывают ротором на выходе так, что каждую камеру за один оборот ротора перекрывают трижды, скорость перекрытия обеспечивают достаточной для достижения гидроудара, отраженные от преграды ударные волны направляют в приосевые зоны открытых камер. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что истекающие из фонтана струи подсвечивают импульсным источником света, например, квантовым генератором, при этом частоту мерцания источника света задают кратной частоте вращения ротора.