ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2009 года по МПК F24J3/00 

Изобретение относится к химической аппаратуре для активации:

- окислительно-восстановительных реакций в жидкой фазе между растворенными веществами и продуктами диссоциации воды, возникающими в кавитационных пузырьках, возникающих в рабочих камерах и переходящими в раствор после их схлопывания;

- реакций между растворенными газами и веществами с высокой упругостью пара внутри указанных кавитационных пузырьков;

- цепных реакций в растворе, которые индуцируются не радикальными продуктами расщепления, а каким-либо другим веществом, присутствующим в системе и расщепляющимся в кавитационной полости;

- реакций с участием макромолекул (например, деструкция углеводородов).

Также относится к теплоэнергетике, а именно к нагревателям жидкости гидродинамического типа.

В химической аппаратуре используются устройства аналогичного назначения, например роторно-пульсационные аппараты - РПА (Промтов М.А. Машины и аппараты с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества. М.: «Машиностроение-1», 2004, стр.71-72; Промтов М.А. Пульсационные аппараты роторного типа. Теория и практика. М.: «Машиностроение», 2001, раздел 7.3 «Основные направления развития и классификация пульсационных аппаратов роторного типа»; патент РФ №2026706, B01D 11/2, 1995), которые существенно отличаются конструктивно от заявленного устройства. Следствием этих различий является то, что заявляемому устройству не свойственны недостатки РПА, обусловленные жесткой посадкой на вращающийся вал роторов, требующих динамической балансировки и имеющих ограниченную частоту вращения (ввиду высоких значений моментов инерции роторов).

Известен «кавитационно-вихревой теплогенератор», являющийся по своей сути РПА и содержащий роторы, вращающиеся в противоположных направлениях, нагнетательный и выпускные патрубки рабочего тела, корпус-статор. Два перфорированных ротора размещены в расточках статора и закреплены на валах, которые установлены в уплотнительных и подшипниковых узлах с возможностью вращения в противоположных направлениях. Внутренние кольцевые выступы статора также перфорированы (см. патент РФ №2235950 C1, F24J 3/00, 10.09.2001).

Недостатками известного устройства является то, что тепловыделение в нем происходит в турбулентных потоках за счет рассеивания энергии на местных гидравлических сопротивлениях, эффект кавитации не используется в должной мере. Кроме того, этому аналогу присущи все вышеописанные общие недостатки РПА.

Наиболее близким к заявленному изобретению является гидродинамический генератор, содержащий корпус-статор и размещенные в нем роторы с противоположным направлением вращения, а также нагнетательный и выпускной патрубки прокачки рабочей жидкости. Роторы установлены на фиксированной вертикальной оси. В первом роторе рабочие камеры сообщаются через завихрители с нагнетательным патрубком. Второй ротор выполнен в виде реактивной гидротурбины с соплами, выполненными с возможностью циклического сообщения с выпускными отверстиями рабочих камер, осевые зоны тыльных концов которых соединены между собой (см. заявку РФ №2005136836 A, F22B 33/16, 27.05.2007) - прототип.

На некоторых режимах работы прототипа возможны нескомпенсированные осевые нагрузки на торце активной турбины (в моменты перекрытия ответной плоскостью реактивной гидротурбины выходов рабочих вихревых камер). Прототип также имеет относительно высокий момент инерции реактивной турбины.

Технические результаты заявляемого изобретения состоят в повышении надежности работы (путем принципиального устранения указанных выше осевых нагрузок по сравнению с прототипом), снижении момента инерции реактивной гидротурбины, а также снижении себестоимости аппарата (меньшая материалоемкость) и повышении его эффективности (последнее - за счет получения роста угловой скорости реактивной турбины вследствие ее облегчения).

Технические результаты достигаются тем, что в гидродинамическом генераторе, содержащем цилиндрический корпус, в котором размещены активная и реактивная турбины с противоположным направлением вращения вокруг общей вертикальной оси, а также нагнетательный и выпускной патрубки, нагнетательный патрубок охвачен активной турбиной и выполнен с радиальными сквозными пазами, активная турбина снабжена лопаточным аппаратом, охватывающим реактивную турбину, и содержит рабочие камеры, сообщенные через завихрители в виде конфузоров с нагнетательным патрубком, широкие части конфузоров обращены к нагнетательному патрубку в плоскости его радиальных пазов, осевые зоны рабочих камер соединены между собой, реактивная турбина выполнена в виде Сегнерова колеса с корпусом в виде стакана, в стенке которого выполнены радиальные сквозные пазы, днище стакана снабжено минимум одной цапфой, полость корпуса сообщена с соплами со скошенными концами, которые выполнены с возможностью циклического сообщения с рабочими камерами через тангенциальные внутренним поверхностям рабочих камер каналы, которые выполнены в теле активной турбины напротив пазов корпуса реактивной турбины.

Согласно изобретению осевые зоны рабочих камер соединены между собой через перепускные патрубки и содержащую кольцевую диафрагму кольцевую камеру, при этом перепускные патрубки закреплены на диафрагме.

Согласно изобретению рабочие камеры содержат конические участки, обеспечивающие фокусировку отраженных от корпуса реактивной гидротурбины ударных волн в осевые зоны рабочих камер.

Согласно изобретению перепускные осевые патрубки выполнены состоящими из сопряженных конусов и цилиндров.

Согласно изобретению конфузоры вихревых камер могут быть снабжены обратными клапанами.

Изобретение поясняется следующими чертежами:

фиг.1 - гидродинамический генератор, совмещение общего вида с разрезом;

фиг.2 - разрез Г-Г на фигуре 1;

фиг.3 - активная турбина;

фиг.4 - проекции корпуса реактивной турбины;

фиг.5 - каналы активной турбины.

На фигурах элементы устройства обозначены следующими позициями: 1 - нагнетательный патрубок; 2 - радиальный сквозной паз; 3 - конфузор; 4 - активная турбина; 5 - рабочая камера; 6 - тангенциальный канал; 7 - корпус реактивной турбины; 8 - подпятник; 9 - радиальные пазы корпуса 7; 10 - кольцевая полость; 11 - сопло реактивной турбины; 12 - лопаточный аппарат; 13 - осевые зоны камер; 14 - перепускной патрубок; 15 - буферная кольцевая камера; 16 - диафрагма; 17 - кромка перепускного патрубка; 18 - конический участок; 19 - выпускной патрубок; 20 - корпус генератора; 21 - основание; 22 - цапфа корпуса 7; 23 - цапфа корпуса 20; 24 - шаровая опора; 25 - реактивная турбина.

Гидродинамический генератор содержит цилиндрический корпус 20, разъемно соединенный с основанием 21. В корпусе 20 размещены активная 4 и реактивная 25 турбины с противоположным направлением вращения вокруг общей вертикальной оси. Реактивная турбина 25 образована корпусом 7 и соплами 11, жестко скрепленными между собой. Основание 21 снабжено цилиндрическим нагнетательным патрубком 1, соосным вертикальной оси вращения роторов. В верхней части патрубка 1 закреплен подпятник 8. При этом ротор активной турбины 4 охватывает патрубок 1, в стенке которого выполнены радиальные сквозные пазы 2. В сборе пазы 2 лежат в плоскости конфузоров 3. Широкие срезы конфузоров 3 лежат на внутренней поверхности ротора активной турбины 4. Конфузоры 3 рабочих камер 5 могут быть снабжены обратными клапанами (на фигурах не показаны), которые обеспечивают однонаправленное движение рабочей жидкости.

Конфузоры 3 сообщаются с рабочими камерами 5, соединенными через осевые зоны 13 с наклонными относительно внутренней цилиндрической поверхности ротора активной турбины 4 тангенциальными каналами 6. Кроме того, осевые зоны 13 через осевые перепускные патрубки 14 соединены между собой буферной кольцевой камерой 15 с кольцевой диафрагмой 16. Ротор активной турбины 4 снабжен лопаточным аппаратом 12, охватывающим турбину 25, которая выполнена в виде Сегнерова колеса с корпусом 7 в виде стакана и скрепленными со стаканом соплами 11 со скошенными концами.

В цилиндрической стенке корпуса 7 ротора реактивной турбины 26 выполнены радиальные сквозные пазы 9. Его днище снабжено минимум одной центральной цапфой 22. Корпус 7 ротора реактивной гидротурбины 8 выполнен с полостью 10, с которой сообщаются сопла 11. Такое конструктивное исполнение позволило значительно облегчить реактивную турбину 25 и снизить ее момент инерции, а также повысить на этой основе угловую скорость вращения по сравнению с прототипом. В теле цапфы 22 выполнено глухое отверстие, в которое вставлена жестко закрепленная на корпусе 20 цапфа 23. Торец цапфы 22 опирается на шаровую опору 24, лежащую на дне подпятника 8. Такая совокупность признаков обеспечивает вращение турбины 25 с минимальными потерями на трение и надежно воспринимает осевые нагрузки. Выходы тангенциальных каналов 6 ротора активной турбины 4 расположены напротив радиальных пазов 9 корпуса 7 реактивной турбины 25. Входные участки сопл 11 сообщаются с полостью корпуса 7 реактивной турбины 25. Сопла 11 циклически сообщаются, как описано ниже, с выходами тангенциальных каналов 6, то есть с выпускными отверстиями рабочих вихревых камер 5 (через пазы 9 корпуса 7).

Устройство работает следующим образом.

Рабочее тело (в случае использования заявленного гидродинамического генератора как источника тепла) или обрабатываемая жидкость (в случае использования его в химической аппаратуре) нагнетается во впускной патрубок 1. Через радиальные пазы 2 во впускном патрубке 1 рабочая жидкость истекает в радиально расположенные конфузоры 3 в теле ротора активной турбины 4, охватывающего впускной патрубок 1. Конфузоры 3 обеспечивают тангенциальный ввод рабочей жидкости в рабочие камеры 5 ротора активной турбины 4 и ее закрутку с образованием макровихревых потоков. В таких потоках рабочая жидкость структурируется под действием радиального градиента давления. Из рабочих камер 5 рабочая жидкость отводится через наклонные каналы 6, выполненные в теле ротора активной турбины 4. При этом рабочая жидкость движется от его периферии к его оси. В корпусе 7 турбины 25 выполнены радиальные пазы 9 и выходы наклонных каналов 6 ротора активной турбины 4 при вращении активной турбины 4 и турбины 25, то сообщаются с кольцевой полостью 10, то разобщаются с ней. Поэтому в наклонных каналах 6 ротора активной турбины 4 генерируются гидроудары. Из полости 10 турбины 25 рабочая жидкость поступает в сопла 11. При истечении жидкости из сопл 11 возникает момент, приводящий турбину во вращение. В то же время истекающие из сопел 11 струи приводят во вращение турбину 4 путем взаимодействия с жестко закрепленным на роторе этой турбины лопаточным аппаратом 12. Турбины 4 и 25 вращаются в противоположных направлениях. При перекрытии выходов каналов 6 ротора турбины 4 корпусом турбины 25 (с образованием гидроударов) ударные волны отражаются в осевые зоны 13 рабочих камер 5 и через осевые перепускные патрубки 14 поступают в кольцевую камеру 15, связывающую рабочие камеры 5 между собой. В кольцевой камере 15 отраженные ударные волны передают энергию кольцевой диафрагме 16 и осевым зонам 13 рабочих камер 5, открытых на данный момент на выходе, то есть сообщенных через радиальные пазы 9 корпуса 7 с ее соплами 11. Кромки 17 перепускных патрубков 14 генерируют акустические колебания, что увеличивает интенсивность кавитации в рабочих камерах 5 турбины 4.

Для фокусировки отраженных ударных волн в осевые зоны 13 камер 5 поверхность последних содержит конические участки 18, а перепускные осевые патрубки 14 выполнены состоящими из сопряженных цилиндрических и конических участков. Рабочая жидкость выводится из устройства через выпускной патрубок 19. В осевых зонах 13 камер 5 существуют зоны пониженного давления, сопровождающиеся гидродинамической кавитацией и образованием парогазовых пузырьков (каверн). При направлении ударных волн в зону образования пузырьков последние схлопываются. При этом выделяется энергия, а рабочая жидкость подвергается локальному дискретно-импульсному воздействию. Сочетание вихревой кавитации гидродинамического типа с ударно-волновым воздействием и озвучиванием в ультразвуковом диапазоне, что обеспечивают кромки 17 осевых патрубков 14, закрепленных на кольцевой диафрагме, влечет синергию, возникают нелинейные процессы второго порядка. Тем самым обеспечивается интенсивная кавитация в рабочей жидкости, в частности, повышается темп нагрева жидкости (в случае применения гидродинамического генератора в качестве нагревателя).

Выполнение устройства согласно признакам формулы изобретения позволяет устранить осевые нагрузки на обе турбины, а также снизить момент инерции реактивной турбины, что в результате:

- повышает ресурс и надежность в работе,

- увеличивает эффективность дискретно-импульсного воздействия на обрабатываемую жидкость путем увеличения угловой скорости вращения реактивной турбины (при прочих равных условиях), следовательно, и частоты гидроударного воздействия на жидкость.

- снижает себестоимость аппарата (новая конструкция гидротурбины обеспечивает повышение коэффициента использования материала и снижение его общего расхода).

Достижение технических результатов указанными выше путями не следует явным образом из уровня техники, что подтверждает изобретательский уровень разработки.

Изобретение относится к химической промышленности и к энергетике и может быть использовано для активации химических реакций и процессов, а также в качестве нагревателя жидкости гидродинамического типа. Технический результат состоит в повышении надежности путем устранения нескомпенсированных осевых нагрузок и снижении момента инерции реактивной турбины. Гидродинамический генератор содержит цилиндрический корпус, в котором размещены активная и реактивная турбины с противоположным направлением вращения вокруг общей вертикальной оси, а также нагнетательный и выпускной патрубки, нагнетательный патрубок охвачен активной турбиной и выполнен с радиальными сквозными пазами, активная турбина снабжена лопаточным аппаратом, охватывающим реактивную турбину, и содержит рабочие камеры, сообщенные через завихрители в виде конфузоров с нагнетательным патрубком, широкие части конфузоров обращены к нагнетательному патрубку в плоскости его радиальных пазов, осевые зоны рабочих камер соединены между собой, реактивная турбина выполнена в виде Сегнерова колеса с корпусом в виде стакана, в стенке которого выполнены радиальные сквозные пазы, днище стакана снабжено минимум одной цапфой, полость корпуса сообщена с соплами со скошенными концами, которые выполнены с возможностью циклического сообщения с рабочими камерами через тангенциальные внутренним поверхностям рабочих камер каналы, которые выполнены в теле активной турбины, напротив пазов корпуса реактивной турбины. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Гидродинамический генератор, содержащий цилиндрический корпус, в котором размещены активная и реактивная турбины с противоположным направлением вращения вокруг общей вертикальной оси, а также нагнетательный и выпускной патрубки, нагнетательный патрубок охвачен активной турбиной и выполнен с радиальными сквозными пазами, активная турбина снабжена лопаточным аппаратом, охватывающим реактивную турбину, и содержит рабочие камеры, сообщенные через завихрители в виде конфузоров с нагнетательным патрубком, широкие части конфузоров обращены к нагнетательному патрубку в плоскости его радиальных пазов, осевые зоны рабочих камер соединены между собой, реактивная турбина выполнена в виде Сегнерова колеса с корпусом в виде стакана, в стенке которого выполнены радиальные сквозные пазы, днище стакана снабжено минимум одной цапфой, полость корпуса сообщена с соплами со скошенными концами, которые выполнены с возможностью циклического сообщения с рабочими камерами через тангенциальные внутренним поверхностям рабочих камер каналы, которые выполнены в теле активной турбины, напротив пазов корпуса реактивной турбины.2. Гидродинамический генератор по п.1, в котором осевые зоны рабочих камер соединены между собой через перепускные патрубки и содержащую кольцевую диафрагму кольцевую камеру, при этом перепускные патрубки закреплены на диафрагме.3. Гидродинамический генератор по п.1, в котором рабочие камеры содержат конические участки, обеспечивающие фокусировку отраженных от корпуса реактивной гидротурбины ударных волн в осевые зоны рабочих камер.4. Гидродинамический генератор по п.2, отличающийся тем, что перепускные осевые патрубки выполнены в виде сопряженных конических и цилиндрических участков.5. Гидродинамический генератор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что конфузоры вихревых камер снабжены обратными клапанами.