НАСАДОК ШЕСТЕРЕНКО Российский патент 2003 года по МПК B05B1/12 

Изобретение относится к технике концентрирования аэрозольных частиц, а также к технике напыления аэрозоля на изделия, может быть применено в качестве импактора для контроля степени запыленности приготовительных цехов в различных отраслях промышленности, а также там, где необходимо разогнать газ до больших скоростей.

Известно авторское свидетельство СССР 1426642, дополнительное к 1422248, выполненное в виде насадка, состоящего из сверхзвуковых сопел, соединенных между собой герметично, и снабженного по меньшей мере одним дополнительным соплом, критическое сечение которого выбрано меньшим критического сечения предыдущего по ходу движения газа сопла, но не меньшим критического сечения первого сверхзвукового сопла. Недостатком прототипа является необходимость иметь перепад давления, который необходим для создания в сопле Лаваля сверхзвуковой скорости потока газа.

Известен насадок по авторскому свидетельству СССР 1242248, содержащий соосно установленные сверхзвуковые сопла, критическое сечение каждого из которых не меньше критического сечения предыдущего по ходу движения газа сопла, причем сопла связаны между собой с образованием герметичного соединения [1].

Недостатком аналога [1] является необходимость создания перепада давления, обеспечивающего в первом сопле сверхзвуковую скорость газа.

Известно устройство, содержащее сопла, герметично соединенные между собой. Эти устройства не менее одного установлены друг за другом с прогрессивным уменьшением (Авторское свидетельство СССР 1388097 под названием "Аэрозольный концентратор") [2].

Недостатком у аналога [2] является необходимость создания перепада давления, обеспечивающего в первом сопле Лаваля сверхзвуковую скорость.

Технической задачей изобретения является повышение устойчивости режимов запуска и расширение диапазона применения устройства.

Для выполнения вышеуказанной технической задачи необходимы:
насадок Шестеренко, содержащий соосно установленные с герметичным соединением между собой сопла, критическое сечение каждого из которых не меньше критического сечения первого по ходу движения газа сопла, отличающийся тем, что не менее двух сопел первых по ходу движения газа выполнены сужающимися;
насадок по пункту 1, отличающийся тем, что первое сопло выполнено в виде отверстия.

Предлагаемое изобретение изображено на фиг.1-7.

На фиг.1 изображен вариант, когда насадок Шестеренко состоит из сужающихся сопел 1 и 2 и сопел Лаваля 3 и 4.

Сужающееся сопло 1 имеет критическое сечение 5, а сужающееся сопло 2 имеет критическое сечение 6.

Сопло Лаваля 3 имеет критическое сечение 7, а сопло Лаваля 4 имеет критическое сечение 8.

Сужающиеся сопла 1 и 2 соединены между собой герметично при помощи болтов 9 и гаек 10 при затяжке уплотнения 11.

Между сужающимися соплами 1 и 2 имеется полость зазора (камера) 12.

Сужающееся сопло 2 с соплом Лаваля 3 также герметично соединены при помощи болтов 13, гаек 14 и уплотнений 15. Между сужающимся соплом 2 и соплом Лаваля 3 имеется полость зазора (камера) 16. Сопло Лаваля 3 герметично соединено с соплом Лаваля 4 при помощи болтов 17, гаек 18 и уплотнений 19. На фиг.1 также изображен патрубок 20 и отражатель 21.

На фиг. 2 изображен вариант насадка, когда между сужающимся соплом 2 и сверхзвуковым соплом Лаваля 3 с аналогичными герметичными соединениями установлено сужающееся сопло 22 с критическим сечением 22а. Таких промежуточных сужающихся сопел может быть несколько (на чертежах не показано). Между сужающимися соплами 2 и 22 имеется полость зазора (камера) 23. Между сужающимся соплом 22 и соплом Лаваля 3 имеется полость зазора (камера) 24. На фиг. 2 вместо сопла Лаваля 4 установлено сверхзвуковое сопло Шестеренко 25 с критическим сечением 26 и с козырьком (поверхностью Прандтля-Майера) 27. А также изображена поверхность 28.

Возможен вариант, когда сверхзвуковая часть сопла Лаваля 3 полностью отсутствует вместе с соплом Лаваля 4, и насадок заканчивается критическим сечением 7.

На фиг.3 изображен вариант, когда сверхзвуковые сопла 3, 4 и 25 отсутствуют, а вместо них установлены сужающиеся сопла 29 с критическим сечением 29а и сужающееся сопло 30 с критическим сечением 30а.

Сужающиеся сопла 2, 22, 29 и 30 герметично (сплошным швом) приварены к обечайке (если речь идет о круглом насадке) 31, а если насадок выполнен в щелевом варианте - к стенке 31.

На фиг.4 изображен вариант, когда за сужающимся соплом 30 герметично установлены сужающиеся сопла 33, 34, 35 и 36 соответственно при помощи сварки на обечайке (на стенке) 37.

Сужающиеся сопла 33, 34, 35 и 36 имеют соответственно критические сечения 33а, 34а, 35а и 36а. Между всеми соплами, установленными на обечайках (стенках) 31 и 37, имеются полости зазоров (камеры) 12, 23, 24, 38, 39, 40, 41 и 42.

На фиг. 5 изображен вариант, когда сужающееся сопло 1 выполнено в виде плоскости (граничный вариант сужающегося сопла), а критическое сечение 5 является отверстием.

На фиг. 6 изображен вариант, когда в наборе сопел 1, 2, 22, 29 и 30 первое сопло 1 выполнено в виде плоскости.

На фиг.7 изображен вариант, когда сопло 1 выполнено в виде критического сечения 5 (конечный вариант вырождения сопла (разгоняющей части) в отверстие.

Предлагаемый насадок Шестеренко работает следующим образом.

За счет перепада давления газ поступает в сужающееся сопло 1, проходя последовательно критические сечения 5, 6, 7 и 8 (на фиг.1). В варианте, изображенном на фиг.2, газ движется последовательно через критические сечения 5, 6, 22а, 7 и 26, а на фиг.3 газ движется через критические сечения 5, 6, 22а, 29а и 30а. На фиг.4 газ движется через все критические сечения от 5 до 36а. Расстояния между критическими сечениями 5 и 6 и между сужающимися соплами 1 и 2 с образованием полости зазора (камеры) 12 подобраны таким образом, чтобы при самой минимальной скорости (но достаточной) в сечении 5 возникал эффект эжекции, вследствие чего образуется разрежение в полости зазора (камере) 12.

В результате этого создается в сопле 1 больший перепад давления, чем в начальный момент запуска и, следовательно, в критическом сечении 5 происходит ускорение потока газа с увеличением его расхода. Это в свою очередь ведет к большему эффекту эжекции и вакуумированию полости зазора (камеры) 12. Взаимное увеличение скорости истечения газа через критическое сечение 5 и увеличение вакуумирования полости зазора (камеры) 12 происходит до возникновения в критическом сечении 5 скорости звука. После чего дальнейшее вакуумирование полости зазора (камеры) 12 вызывает в области между критическими сечениями 5 и 6 перерасширение потока и увеличение скорости газа до сверхзвуковых скоростей.

Возможен и другой вариант, когда в сопло 1 поступает газ с давлением достаточным для создания сверхзвуковой скорости, тогда в полости зазора (камере) 12 почти мгновенно создается вакуум за счет эжекции.

Профиль сужающегося сопла 2 перед критическим сечением 6 обеспечивает угол скачков уплотнения по отношению к набегающему сверхзвуковому потоку, не превышающий 60^o, что исключает переход сверхзвуковой скорости в дозвуковую за критическим сечением 6. В свою очередь расстояния между критическими сечениями 6 и 7 (фиг.1), а также между сужающимся соплом 2 и соплом Лаваля 3 подобраны таким образом, что эффект эжекции возникает еще на дозвуковых скоростях, но больших, чем это происходит в первой паре сужающихся сопел 1 и 2, что в свою очередь способствует их устойчивому вакуумированию и устойчивому сверхзвуковому истечению из критического сечения 5. Увеличение скорости потока увеличивает дальнейшее вакуумирование полости зазора (камеры) 16 (фиг. 1).

В свою очередь перед критическим сечением 7 сопло Лаваля 3 таким образом профилировано, чтобы сверхзвуковой поток не переходил в дозвуковой за критическим сечением 7. Это обеспечивает почти мгновенное вакуумирование сначала полости зазора (камеры) 16, а затем пространства внутри насадка между критическими сечениями 7 и 8 (на фиг.1). В сопле Лаваля 3 за критическим сечением 7 поток газа максимально расширяется с образованием максимальной сверхзвуковой скорости. Сопло Лаваля 4 перед критическим сечением 8 так же профилировано, как и сопло Лаваля 3 перед критическим сечением 7. Так как критические сечения 6, 7 и 8 не меньше критического сечения 5 (а лучше - чуть больше), то запирание потока исключено, и разогнанный сверхзвуковой поток газа по инерции выходит со сверхзвуковой скоростью из сопла Лаваля 4 (фиг. 1).

Аналогичное происходит и в случае, изображенном на фиг.2. Только в этом случае сверхзвуковой поток, пройдя критическое сечение 26, не тормозясь до дозвуковой скорости, обтекая козырек 27 по закону Прандтля-Майера, поворачивает, следуя его профилю, а частицы аэрозоля выбрасываются на поверхность 28 (случай определения дисперсии частиц аэрозоля). Сужающееся сопло 22 работает аналогичным образом, развивая за счет вакуумирования полости зазора (камеры) 23 сверхзвуковое расширение потока за критическим сечением 6 и его ускорение до сверхзвуковых скоростей. Причем за каждым критическим сечением (5, 6 и 22а) возникают бочки перерасширенного потока (фиг.2). Если насадок используется в качестве аэрозольного концентратора, то частички аэрозоля в насадке концентрируются около оси потока за счет скачков уплотнения перед критическими сечениями 6, 22а, 7 и 8 или 26. Периферийная часть потока газа освобождается от частичек (очищается). Сконцентрированные частички около оси отделяются отсекателем 20 и дальше направляются на фильтр или при напылении на поверхность (на фиг.1 не показано). Либо напыляются на поверхность 28, по инерции вылетая из поворачивающегося сверхзвукового потока (фиг.2).

Если насадок заканчивается критическим сечением 7, то за ним поток образует по инерции небольшой перерасширенный участок, а затем тормозится до дозвуковой скорости.

В варианте, изображенном на фиг.3, за критическими сечениями 5, 6, 22а, 29а и 30а также возникают бочки перерасширения сверхзвукового потока. Аналогичное происходит и в случаях, изображенных на фиг.4, 5, 6 и 7.

Варианты, избраженные на фиг.5, 6 и 7, показывают только различие в конструкторском оформлении, причем перед критическим сечением 5 в этих вариантах скорость почти мгновенно достигает скорости звука при рабочем режиме.

Следует заметить, что во всех вариантах сверхзвуковая часть как бы воображаемого сопла Лаваля состоит из постоянно увеличивающихся критических сечений, что в свою очередь дает возможность организовать по периферии потока в момент максимального расширения газа на его периферийной части косые скачки уплотнения. При этом в центре скорость самая наивысшая (значит, наивысший вакуум или поперечная скорость молекул газа наименьшая, а продольная - наивысшая), и частички аэрозоля по косым скачкам скатываются к центру потока.

Если предлагаемое устройство использовать в качестве генератора энергии, то тогда вместо отсекателя 20 и отражателя 21 на пути разогнанного потока газа ставится лопатка турбины электрогенератора (на чертежах не показано). При этом сопло 1 выполнено в виде паруса-воздухозаборника, в который направлен поток ветра (например, в ущельях гор, где дуют постоянные ветры). Тогда сужающиеся сопла 1 и 2 подбираются такими, чтобы энергии заторможенного ветра в сопле 1 хватило создать эффект эжекции и начать вакуумировать полость зазора (камеры) 12, что неминуемо приведет к разгону потока воздуха, который направляется на лопатки турбины для вырабатывания энергии газа.

Технический эффект предлагаемого изобретения заключается в том, что к эффекту концентрирования частиц аэрозоля в тормозящемся потоке на косых скачках уплотнения перед критическими сечениями добавляется еще более мощный механизм выброса частиц уже в расширяющемся сверхзвуковом потоке в системе косых скачков, возникающих на периферии этого потока.

Поэтому расширяющаяся часть газового тракта, состоящего из набора сужающихся сопел с постоянным увеличением их критических сечений и вакуумируемых зазоров, обеспечивает более мощный механизм очистки периферийной части газового потока в сравнении с существующими до настоящего момента аэрозолеконцентрирующими насадками.

Одновременно при этом последовательное вакуумирование полостей зазоров (камер) по мере нарастания скорости в момент запуска и на протяжении рабочего режима делают разгон газа и рабочий режим устойчивыми при минимальном первоначальном перепаде давления в насадке.

Технический эффект также заключается в том, что запуск и рабочий процесс устройства могут осуществляться при сравнительно небольшом перепаде давления, который способен создать эффект эжекции (эффект сквозняка), при этом поток газа разгоняется до сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростей.

Кинетическую энергию устройства можно использовать для вращения турбины электрогенератора или в других областях техники, где необходимо разогнать поток газа.

Изобретение относится к технике концентрирования аэрозольных частиц, а также к технике разгона газа. Технической задачей является повышение устойчивости режима запуска и рабочего режима и повышение эффективности очистки газа от частиц аэрозоля, а также расширение диапазона применения. Для решения этой задачи насадок содержит соосно установленные с герметичным соединением между собой сопла, критическое сечение каждого из которых не меньше критического сечения первого по ходу движения газа сопла, причем не менее двух сопел первых по ходу движения газа выполнены сужающимися. Кроме того, первое сопло выполнено в виде отверстия. Технический эффект заключается в том, что за счет косых скачков уплотнения в периферийной части в момент расширения сверхзвукового потока частицы скатываются в центральную область, где наивысшая скорость газа и, следовательно, наибольший вакуум (или поперечные скорости молекул газа наименьшие, а продольные скорости молекул газа наивысшие). Технический эффект также заключается в том, что на режиме запуска создается устойчивый режим самовакуумирования полостей, образованных сужающимися соплами, в результате чего возникает дополнительная энергия, получаемая в результате эжекторного вакуумирования. 1 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Насадок, содержащий соосно установленные с герметичным соединением между собой сопла, критическое сечение каждого из которых не меньше критического сечения первого по ходу движения газа сопла, отличающийся тем, что не менее двух сопел первых по ходу движения газа выполнены сужающимися. 2. Насадок по п.1, отличающийся тем, что первое сопло выполнено в виде отверстия.