ВОЛНОВОД ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 2002 года по МПК B06B1/08 

Изобретение относится к волноводным устройствам для передачи механических колебаний в продольном направлении - от источника механических колебаний, например ультразвукового электроакустического преобразователя - к потребителю механических колебаний, например - к теплообменному аппарату, с целью предотвращения образования там отложений.

Волноводные устройства для передачи механических колебаний известны. Для целей интенсификации технологических процессов с участием жидкой промежуточной среды - например, механической обработки или пайки - применяют волноводные устройства в виде концентраторов, то есть с уменьшающимся поперечным сечением по мере удаления от источника механических колебаний - [ 1 ].

При этом на удаленном от источника механических колебаний и механически слабо нагруженном конце волновода развивается максимальная скорость продольного смещения, что в этом случае уменьшает отражение механических колебаний обратно в волновод при переходе этих колебаний из волновода в менее плотную, по сравнению с волноводом, жидкость - [2].

Известны и волноводы для передачи механических колебаний в твердые тела, в том числе - нерегулярной формы - [3], с. 241-243, при этом к частным случаям тел нерегулярной формы можно отнести теплообменный аппарат - [4].

Подобные волноводы могут быть применимы лишь в двух случаях. Во-первых, при точной настройке на резонанс источника механических колебаний и волновода, подсоединенного к озвучиваемому твердому телу, что трудно осуществимо на практике ввиду разброса массы и габаритов озвучиваемых тел, так же как и вследствие разброса характеристик серийно изготавливаемых волноводных устройств. Во-вторых, это возможно при импульсном возбуждении источника механических колебаний, когда частота следования отдельных импульсов существенно меньше резонансной частоты волновода и в озвучиваемом твердом теле возбуждаются ударным образом собственные колебания.

Но при импульсном возбуждении не используются резонансные свойства колебательной системы и не достигаются достаточно большие амплитуды механических колебаний в озвучиваемом теле.

Наиболее близким к нашему решению является волновод с двумя торцами разного поперечного сечения, из которых меньший торец предназначен для подсоединения к источнику механических колебаний, а больший - для подсоединения к потребителю механических колебаний - [3], с. 231-233.

Поскольку при этом размер большего торца волновода выполнен существенно меньшим, чем потребитель механических колебаний, то есть обычно - не превышающим половины длины передаваемых механических колебаний, а резонансная настройка источника механических колебаний и волновода практически не реализуется, то значительная часть мощности механических колебаний из волновода не проходит к потребителю и отражается обратно в волновод вследствие резкого изменения волнового сопротивления из-за соответствующего изменения площади поперечного сечения в месте присоединения волновода к потребителю механических колебаний - телу нерегулярной формы, например теплообменному аппарату.

Задача изобретения - повысить эффективность передачи механических колебаний от источника к потребителю механических колебаний, прежде всего в виде твердого тела нерегулярной формы, в частном случае - к теплообменному аппарату.

Указанная задача решается тем, что в волноводе для передачи механических колебаний в продольном направлении, имеющем два торца разного поперечного сечения, из которых меньший торец предназначен для подсоединения к источнику механических колебаний, а больший - для подсоединения к потребителю механических колебаний, размер большего торца волновода по меньшей мере в одном направлении превышает половину длины волны передаваемых механических колебаний, причем волновод выполнен пластинчатым. Кроме того, возможно, что толщина пластины выполнена увеличивающейся в направлении от меньшего торца к большему. При этом может быть выполнена оребренной, причем высота ребра выполняется увеличивающейся в направлении от меньшего торца к большему. Возможно также, что волновод выполняется составным из нескольких пластин, расстояние между которыми выполнено увеличивающимся в направлении от меньшего торца к большему. Для передачи механических колебаний к трубе пластина волновода может быть выполнена как продолжение трубы в осевом направлении и может иметь незамкнутый профиль в поперечном сечении по меньшей мере на части своей длины.

Новым здесь является то, что размер большего торца волновода по меньшей мере в одном направлении превышает половину длины волны передаваемых механических колебаний, причем волновод выполнен пластинчатым.

Благодаря такому выполнению волновода, подсоединяемого к потребителю механических колебаний, уменьшается отражение передаваемых волноводом механических колебаний обратно в сторону их источника вследствие уменьшения разности площадей волновода и потребителя механических колебаний в месте их соединения - [2]. При этом фронт механических колебаний, передаваемых потребителю, существенно искривляется. При дальнейшем прохождении механических колебаний внутри потребителя происходят многократные частичные переотражения и поглощение колебаний этого фронта от различных конструктивных особенностей потребителя - тела нерегулярной формы. Таким образом, предложенное выполнение волновода способствует более полному прохождению механических колебаний внутрь потребителя и их поглощению там - [3].

Анализ уровня техники показал, что не известно предлагаемое выполнение волновода, которое решает поставленную задачу. Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

На чертежах фиг.1-3 показаны примеры конструктивного выполнения волновода, согласно описываемому изобретению.

На фиг. 1 изображено: волновод 1 для передачи механических колебаний в продольном направлении, имеющий два торца разного поперечного сечения, из которых меньший торец 2 предназначен для подсоединения к источнику механических колебаний 3, а больший торец 4 предназначен для подсоединения к потребителю механических колебаний 5. Волновод 1 может выполняться, например, из углеродистой стали. В потребителе 5 типа стальной массивной станины имеются конструктивные особенности 6, 7, 8, благодаря которым форма потребителя становится нерегулярной. В качестве источника 3 механических колебаний может использоваться ультразвуковой электроакустический преобразователь - либо магнитострикционный, либо пьезокерамический - [3]. Размер 9 торца 4 выбирают большим половины длины волны передаваемых механических колебаний, а сам волновод выполняют пластинчатым. Скорость звука и плотность материалов волновода 1 и потребителя 5 механических колебаний обычно достаточно близки, а габариты потребителя 5 существенно превышают размеры большего торца 4 волновода 1. Поэтому увеличение размера торца 4 сверх половины длины волны передаваемых механических колебаний и одновременно выполнение волновода пластинчатым уменьшает отражение механических колебаний от торца 4 волновода 1, повышает эффективность передачи этих механических колебаний к потребителю 5 и одновременно является конструктивно-технологическим компромиссом, позволяющим реализовать такой волновод в промышленной практике с приемлемой материалоемкостью. Вследствие наличия конструктивных особенностей, например 6, 7, 8, механические колебания внутри потребителя 5 многократно переотражаются и полностью там поглощаются. Таким образом, могут быть сняты остаточные напряжения в потребителе 5 механических колебаний, изготавливаемом литьем, либо сваркой. В этом случае волновод 1 может изготавливаться одновременно с потребителем 5 механических колебаний литьем, либо сваркой или может быть прижат торцом 4 через тонкую промежуточную, например медную, прокладку 10, компенсирующую неровности стыка торца 4 и потребителя 5.

На фиг. 2 показан волновод 1, составленный из пластин 11 с ребрами 12 и предназначенный преимущественно для передачи механических колебаний от источника 3 к потребителю 5 - трубным доскам 13 массивных теплообменных аппаратов, например сетевых подогревателей БП-500/БО-550, с целью защиты их трубных систем от отложений. Толщина 14 пластин 11, расстояние 15 между соседними пластинами 11 и высота 16 ребер 12 выполнены увеличивающимися по мере приближения к трубной доске 13. Волновод 1 закреплен на потребителе 5 - трубной доске 13 - при помощи электросварки.

На фиг. 3 показан волновод 1, предназначенный преимущественно для передачи механических колебаний от источника 3 к потребителю 5 в форме трубы 17. Это могут быть круглые трубы коллекторов водогрейных котлов ПТВМ/КВГМ50/100/180, но могут быть трубы и другого профиля, например овальные или прямоугольные. Пластина 11 волновода 1 здесь выполнена как продолжение трубы 17 в осевом направлении. При этом может быть выполнение пластины 11 с полностью незамкнутым профилем 18 или с частично незамкнутым профилем 19.

Как видно из описания, при реализации предложенного устройства - волновода для передачи механических колебаний - использованы конструктивно-технологические решения, в отдельности широко применяемые в технике. Поэтому мы можем утверждать о соответствии предложенного устройства критерию промышленной применимости.

Источники информации
1. Авт. свид. СССР 121606, МКИ В 06 В 1/08, опубл. 1959 г.

2. И.И. Теумин. Ультразвуковые колебательные системы. М., 1959 г.

3. Источники мощного ультразвука. Под ред. Проф. Л.Д. Розенберга, М., 1967 г.

4. Ультразвуковой генератор УЗГИ2-6. Паспорт БТЗ. 119.020.

Использование: для передачи механических колебаний к потребителю механических колебаний преимущественно в виде твердого тела нерегулярной формы, например, теплообменному аппарату - водогрейному котлу или сетевому подогревателю. Сущность: волновод для передачи механических колебаний в продольном направлении имеет два торца разного поперечного сечения, из которых меньший торец предназначен для подсоединения к источнику механических колебаний, а больший - к потребителю механических колебаний. Размер большего торца волновода, по меньшей мере в одном направлении, превышает половину длины волны передаваемых механических колебаний. Причем волновод выполнен пластинчатым. При этом волновод может выполняться составным из нескольких пластин, возможно, с дополнительными ребрами, - если механические колебания передаются, например, массивной трубной доске теплообменного аппарата, или как продолжение трубы в осевом направлении с незамкнутым профилем в поперечном сечении, по меньшей мере на части своей длины, если потребитель механических колебаний имеет форму трубы. Технический результат: повышение эффективности. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Волновод для передачи механических колебаний в продольном направлении, имеющий два торца разного поперечного сечения, из которых меньший торец предназначен для подсоединения к источнику механических колебаний, а больший - для подсоединения к потребителю механических колебаний, отличающийся тем, что размер большего торца волновода, по меньшей мере в одном направлении, превышает половину длины волны передаваемых механических колебаний, причем волновод выполнен пластинчатым. 2. Волновод по п. 1, отличающийся тем, что толщина пластины выполнена увеличивающейся в направлении от меньшего торца к большему. 3. Волновод по п.1, отличающийся тем, что пластина выполнена оребренной, причем высота ребра выполнена увеличивающейся в направлении от меньшего торца к большему. 4. Волновод по п.1, отличающийся тем, что выполнен составным из нескольких пластин, расстояние между которыми выполнено увеличивающимся в направлении от меньшего торца к большему. 5. Волновод по п.1, преимущественно для передачи механических колебаний к трубе, отличающийся тем, что пластина волновода выполнена как продолжение трубы в осевом направлении и имеет незамкнутый профиль в поперечном сечении, по меньшей мере на части своей длины.