СИРЕНА-ДИСПЕРГАТОР Российский патент 2009 года по МПК B06B1/20 

Изобретение относится к акустике, а именно к устройствам для создания мощных резонансных акустических колебаний в проточной среде, и может быть использовано в двигателестроении для приготовления топливно-воздушной смеси (ТВС) в автомобильных, судовых, авиационных и стационарных двигателях внутреннего сгорания (ДВС), а также в медицинской, химической, фармацевтической, парфюмерно-косметической, пищевой, энергетической, металлургической и других отраслях промышленности для производства всех видов высококачественных дисперсных систем.

Сирены - практически единственные мощные источники акустических колебаний, содержащие полые статор и ротор с рядом равномерно расположенных одинаковых отверстий на смежных поверхностях /Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Изд-во иностр. л-ры, 1957, 726 с./.

Идея объединения сирены как наиболее мощного источника акустических колебаний и явления резонанса как способа аккумуляции колебательной энергии реализована в диспергаторе, устройстве для производства высококачественных дисперсных систем, на вращающихся резонансных акустических волнах /Свияженинов Е.Д. Гидроакустическая сирена. Патент на изобретение №2284229. Приоритет 28.04.04/.

В этом устройстве, принятом за прототип, для согласования частот возмущения и собственных частот колебаний резонатора возбуждается не стоячая, а бегущая в окружном направлении, вращающаяся волна, что достигается модификацией перфорации ротора сирены. Частота вращения волны многократно превышает частоту вращения ротора, а направление ее вращения может быть выбрано как совпадающим, так и противоположным направлению вращения ротора. Резонансный режим работы обеспечивает оптимальные условия подкачки механической энергии в колебательную систему для совершения работы по приготовлению высококачественных дисперсных систем. Наиболее актуально это для жидких и газообразных сред, не "боящихся" повышенных вибраций, давлений и усталостных разрушений. Вращающаяся резонансная волна идеально вписывается в техническое назначение устройства, т.к. устраняются застойные области, свойственные стоячим волнам, и осуществляется проточное движение продукта. В прототипе введена сирена с новым типом перфорации, позволяющая создавать вращающуюся акустическую волну как совпадающую, так и противоположную направлению вращения ротора, частота вращения которой во много раз превышает частоту вращения ротора. Такая сирена окружена кольцевым резонатором, настроенным на частоту вращения генерируемой акустической волны колебаний, в котором и происходит образование дисперсной системы.

Наложение акустической вибрации на процесс диспергирования существенно улучшает его качество. Так, ТВС для ДВС, приготовленная вибрацией, оказывается насыщенной кислородом на молекулярном уровне.

Прототип определяет эффективный резонансный механизм приготовления дисперсной системы, но не включает механизмов раздельной подачи дисперсной среды и дисперсной фазы.

Задача настоящего изобретения - обеспечить механизм раздельной подачи дисперсной среды и дисперсной фазы при сохранении высокой функциональности, простоты и надежности устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в резонансный прототип вписаны принципы центробежной и впрыскной подачи соответственно дисперсной среды и дисперсной фазы. Осуществляется это следующим образом.

Подача дисперсной среды осуществляется введением в качестве ротора рабочего колеса с крыльчаткой, лопасти которой располагаются между окнами. Теперь ротор не только является возбудителем резонансной волны, но и средством нагнетания дисперной среды, составляющей основную часть производимой дисперсной системы. Дисперсная фаза впрыскивается через форсунки внутрь кольцевого резонатора в точках высоких проточных скоростей обрабатываемого продукта.

Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг.1, 2 изображена схема резонансной сирены-диспергатора, на фиг.3 - собственные формы возбуждаемых резонансных колебаний, на фиг.4 - соответствующие им собственные частоты, на фиг.5, 6 - амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики вынужденных колебаний, на фиг.7 - схема возбуждения резонатора, на фиг.8 - схема воздействия потоков газа, истекающих из окон ротора, на окна статора, на фиг.9 - точные решения уравнения частот кольцевого резонатора как функции отношений внутреннего радиуса к наружному, на фиг.10-14 - эпюры физических величин происходящих в кольцевом резонаторе процессов акустических колебаний и течения газа соответственно, на фиг.15, 16 - номограммы конструктивных парамеров сирены: резонансных частот колебаний обрабатываемой дисперсной системы, частот вращения ротора, наружного и внутреннего радиусов статора и числа отверстий статора.

Предлагаемая сирена-диспергатор на вращающихся волнах (фиг.1, 2) содержит коаксиально установленные полый цилиндрический статор 1 в виде кольцевого акустического резонатора и вращающийся внутри него ротор 2 с крыльчаткой. В смежных поверхностях статора и ротора выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия: n - на статоре и n+1 или n-1 - на роторе. Число n входит в кратность увеличения частоты вращения акустической волны относительно частоты вращения ротора, поэтому должно быть большим для достижения высокочастотных вибраций. Знаками + и - управляется направление вращения вибрационной волны относительно направления вращения ротора: попутное или встречное соответственно. Ротор равномерно вращается приводом 3, в качестве которого может быть выбран самый распространенный низкооборотный электродвигатель. При вращении ротора дисперсная среда нагнетается через входной коллектор 4. После резонансной обработки дисперсная система снимается через выходные патрубки 5, расположеные тангенциально на наружном радиусе статора и ориентированные в направлении бегущей волны, по ходу или против вращения ротора. При практическом применении диспергатора для приготовления ТВС в ДВС число патрубков может быть произвольным и достаточно большим для обеспечения распределенного впрыска дисперсной системы в цилиндры. Дисперсная фаза впрыскивается внутрь кольцевого резонатора 1 через форсунки 6. Под действием высокочастотной вибрации дисперсная среда перемешивается с дисперсной фазой. Одновременно осуществляется проточное движение формирующейся дисперсной системы.

Главный смысл изобретения заключается в объединении радиальной сирены как наиболее мощного источника акустических колебаний и явления резонанса как способа аккумуляции колебательной энергии. Композиционно рационально окружить сирену кольцевым цилиндрическим резонатором. Однако традиционная сирена генерирует стоячие в окружном направлении волны - осесимметричные и многоузловые колебания, и толщина резонатора, имеющего соответствующую собственную частоту, оказывается нереально большой. Для согласования частоты возмущения сирены и собственных частот колебаний резонатора следует возбуждать не стоячую, а бегущую двухузловую в окружном направлении волну. Это наиболее функционально для перемешивания и измельчения частиц сред до получения требуемой дисперсной системы, т.к. устраняются застойные зоны обработки, свойственные стоячим волнам, и осуществляется проточное движение продукта. Для возбуждения бегущей вращающейся волны предложен особый вид перфорации ротора. В результате в резонаторе легко возбуждается двухузловая в окружном направлении неосимметричная волна собственных колебаний, имеющая наинизшие собственные частоты. Эта волна - бегущая, в отличие от вырабатываемой традиционной сиреной стоячей волны. Скорость ее вращения во много раз превышает скорость вращения ротора. Более того, выбором перфорации ротора направление вращения волны легко может быть изменено на противоположное при одном и том же вращающемся роторе.

Три главных результата, полученных из такого подхода, заключаются в следующем.

1. Предложенная сирена даже без резонатора, сама по себе, дает многократное увеличение частоты вращения акустической волны относительно частоты вращения ротора.

2. Новый тип перфорации открывает возможности использования резонанса с сиреной в качестве возбудителя.

3. Устройство позволяет получать встречные резонансные бегущие волны на одном вращающемся валу ротора, что особенно важно для задач перемешивания и измельчения жидких или газообразных многокомпонентных сред.

Итак, колебания газообразной смеси осуществляются в кольцевой цилиндрической полости - статоре. Осесимметричные собственные колебания сжимаемого газа в кольцевой полости (фиг.3, штриховая линия), возбуждаемые традиционными сиренами с одинаковой перфорацией ротора и статора, имеют неограниченно возрастающие с уменьшением толщины собственные частоты основного тона (фиг.4, штриховая линия, где ρ - отношение внутреннего радиуса кольцевого акустического резонатора к наружному, 0<ρ<1, α=α(ρ) - корень соответствующего уравнения частот), что потребовало бы чрезмерно увеличивать обороты ротора и уменьшать шаг перфорации (т.е. увеличивать равное число отверстий в смежных поверхностях ротора и статора) для достижения резонансной частоты возбуждения и увеличивать толщину резонатора для снижения частоты основного тона осесимметричных колебаний. В связи с этим целесообразно создавать резонансную бегущую двухузловую волну в статоре /Свияженинов Е.Д. Спектральные методы решения задач о колебаниях диссипативных механических и электродинамических систем с распределенными параметрами/дис… докт. техн. наук, СПб., 1994, 432 с./. Двухузловая в тангенциальном направлении собственная форма колебаний в кольцевой цилиндрической области (фиг.3, сплошная линия) имеет наинизшие собственные частоты колебаний из всех существующих (фиг.4, сплошная линия), что открывает путь к использованию резонанса в круговом кольцевом статоре небольшой толщины при доступных невысоких оборотах ротора и не слишком малом шаге перфорации. При осуществлении резонанса не требуется нагнетать обрабатываемую среду в резонатор под большим давлением для создания достаточного мощных импульсов возбуждения. Даже при слабом входном давлении на резонатор в нем будут происходить интенсивные акустические вибрации вследствие синфазной подкачки и аккумуляции колебательной механической энергии в среде. Выбран основной (низший) резонанс двухузловой формы колебаний, имеющий наименьшую частоту и обеспечивающий наибольшее усиление колебаний, что следует из амплитудно-частотной характеристики для однопериодных по окружности колебаний (фиг.6). На фазочастотной характеристике (фиг.7) видно, как на резонансе выполняются фазные условия оптимальной подкачки энергии в колебательную систему. Резонанс - это прежде всего фазовое совпадение периодических воздействий на систему и ее откликов, реализующееся при совпадении частот вынуждающих нагрузок с собственными частотами колебаний.

Для возбуждения неосесимметричной бегущей резонансной волны предлагается нетрадиционная схема сирены, а именно, новый тип ее перфорации. По-прежнему отверстия на роторе и статоре распределены равномерно в окружном направлении, но число отверстий ротора - на единицу большее (для создания прямой, или попутной бегущей волны, совпадающей с направлением вращения ротора) или на единицу меньшее (для получения обратной, или встречной, волны, противоположной направлению вращения ротора), чем на статоре (фиг.7).

Работа устройства

При равномерном вращении ротора с угловой скоростью ω_р, на поверхности которого располагается n+1 или n-1 равномерно отстоящих друг от друга радиальных потоков газа, каждая из n щелей на поверхности статора поочередно испытывает пульсацию давления (фиг.7).

Пусть в начальный момент одна из щелей ротора и статора совпадают (фиг.8). Импульс давления со стороны истекающего из ротора газа передается в резонатор статора. При повороте ротора на угол (при прямой волне) или на (при обратной) толчок давления произойдет на соседнем отверстии резонатора - по ходу вращения ротора или против. При повороте ротора на угол nδ=2π/(n+1) или на nδ=2π/(n-1) импульс давления ровно один раз обежит окружность в прямом или обратном направлении. Таким образом, угловая скорость вращения импульса давления на внутреннюю поверхность резонатора составляет ω=(n+1)ω_p - в прямом и ω=(n-1)ω_p - в обратном направлении.

Перейдем от угловой скорости ротора и круговой частоты колебаний соответственно к частотам вращения и колебаний. Получаем, что частота вращения ротора 2 (фиг.1, 2) связана с частотой акустических колебаний статора 1 (фиг.1, 2) аналогичным образом:

f=ν/(n+1) - для сирены на прямой бегущей волне и

f=ν/(n-1) - для сирены на обратной бегущей волне,

где n - число отверстий статора 1.

Для резонансного возбуждения частота ν должна быть близка одной из собственных частот, в данном случае - низшей.

Со стороны ротора на поверхность статора-резонатора действует быстровращающийся импульс избыточного давления. Гармонический состав одиночного импульса представляет собой ряд окружных гармоник, из которых наибольшую амплитуду имеет двухузловая (однопериодная) в тангенциальном направлении. Именно эта основная гармоника и служит для возбуждения резонансной бегущей волны колебаний - однопериодной (двухузловой) в тангенциальном направлении синусоиды. Амплитудно-частотная характеристика двухузловых колебаний вязкой теплопроводной сжимаемой жидкой среды в резонаторе (фиг.6) показывает, что наибольшее усиление колебаний обеспечивает первый (основной) резонанс. Для кольцевого цилиндрического резонатора 1 (фиг.1, 2) внешнего радиуса R с отношением внутреннего радиуса к наружному ρ частота основного тона равна:

где с - скорость звука в жидкости (газе), заполняющем ротор, α=α(ρ) - первый (низший) корень трансцендентного уравнения частот:

где J₁(α), N₁(α) - соответственно функции Бесселя и Неймана первого порядка.

Функция α=α(ρ) из формулы (1) представлена графиком (фиг.4, сплошная линия) для всех реальных конкретных отношений внутреннего радиуса кольцевого резонатора к наружному 0<ρ<1. На фиг.4 первый нижний индекс i у функции α_ik(ρ) обозначает, что это - i-й по порядку возрастания корень уравнения (2), а второй нижний индекс k показывает число пар узлов возбуждаемой формы колебаний в тангенциальном направлении. Так, i=1 соответствует первому (низшему) корню уравнения, k=1 отвечает реализуемой в устройстве двухузловой (с одним узловым диаметром) собственной форме колебаний, тогда как k=0 - осесимметричной, т.е. не зависящей от угловой координаты. Обе эти формы изображены на фиг.3. Из фиг.4 видно, что при ρ=0 имеем частный случай сплошного резонатора, что отмечено верхними индексами (с) у соответствующих значений величин . Фиг.4 показывает также, что собственные частоты осесимметричных колебаний неограниченно увеличиваются с ростом ρ (штриховая линия), тогда как частоты двухузловых - монотонно убывают с ростом ρ (и асимптотически приближаясь к α=1), что и требуется для согласования сирены (возбудителя) с акустической камерой (резонатором).

Построены точные решения уравнения частот (2) кольцевого резонатора α_ik(ρ) как функции отношений внутреннего радиуса к наружному ρ (фиг.9), необходимые для определения собственных частот колебаний.

Итак, обеспечив условие выполнения резонанса в статоре 1 (фиг.1, 2), получаем одновременное протекание двух процессов в нем: акустических вибраций (фиг.10-12) и течения (фиг.13, 14). Эпюры колебательных давлений и ускорений приведены на фиг.10-12, а скоростей течений - на фиг.13, 14. Эпюры течений содержат области повышенных скоростей, направленных в сторону выходных патрубков. Именно в этих зонах расположены форсунки 6 (фиг.1, 2) для впрыска дисперсной фазы в кольцевой резонатор 1. Наложение на течение высокочастотной вибрации и является механизмом производства высококачественной дисперсной системы.

Для проведения проектного анализа и расчета конструктивных параметров по вышеприведенным расчетным формулам построены номограммы сирены-диспергатора (фиг.15, 16). По ним наиболее легко подбирать ее основные конструктивные параметры: резонансные частоты колебаний обрабатываемой дисперсной системы, частоты вращения ротора, наружный и внутренний радиусы статора - резонансной камеры озвучивания и числа отверстий статора. Например, задаемся резонансной частотой колебаний ν и отношением внутреннего и внешнего радиусов резонатора ρ. Тогда по кривой ν(R) определяем соответствующий наружный радиус R, а по семейству прямых ν(f) подбираем комбинацию перфорации n и числа оборотов ротора f. Из номограмм видно, что для реально встречающихся практических систем параметры сирены легко реализуются. Так, в качестве привода вполне возможно использование самых распространенных низкооборотных асинхронных электродвигателей.

Пример расчета параметров сирены-диспергатора

Пусть обрабатываемой средой является ТВС, и требуется возбудить частоту ее обработки ν=500 Гц в кольцевом резонаторе с отношением внутреннего радиуса к наружному ρ=0.5.

Тогда по кривой ν(R) фиг.15, 16 находим необходимый наружный радиус резонаторной камеры: R=15 см. По семейству прямых ν(f) или по формулам:

f=ν/(n+1)

- для сирены на прямой вращающейся волне и

f=ν/(n-l)

для сирены на обратной вращающейся волне, получаем возможные комбинации числа отверстий статора n и числа оборотов ротора f.

Из представленной таблицы видно, что для реальных практически важных случаев достаточно большого числа отверстий статора частота вращения ротора, обеспечивающая резонансное возбуждение вращающейся волны как прямой, так и встречной, одна и та же.

Итак, благодаря увеличению частоты вращения акустической волны ν в n±1 раз относительно частоты вращения ротора f и возбуждению низкочастотных двухузловых собственных форм колебаний кольцевого резонатора легко достигаются резонансные режимы в статоре при самых небольших частотах вращения ротора f, что и дает весьма простое надежное эффективное устройство для получения высококачественных дисперсных систем.

Использованная литература

1. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Изд-во иностр. л-ры, 1957, 726 с.

2. Свияженинов Е.Д. Гидроакустическая сирена. Патент на изобретение №2284229. Приоритет 28.04.04 (прототип).

3. Свияженинов Е.Д. Спектральные методы решения задач о колебаниях диссипативных механических и электродинамических систем с распределенными параметрами / дис… докт. техн. наук, СПб., 1994, 432 с.

Изобретение относится к устройствам получения высококачественных дисперсных систем и может быть использовано в двигателестроении для приготовления топливно-воздушной смеси в автомобильных, судовых, авиационных и стационарных двигателях внутреннего сгорания, а также в медицинской, химической, фармацевтической, энергетической, металлургической и других отраслях промышленности. Техническим результатом изобретения является расширение функциональности, простота и надежность устройства. Сирена-диспергатор содержит коаксиально установленные цилиндрический статор в виде кольцевого акустического резонатора и вращающийся внутри него ротор с крыльчаткой, в смежных поверхностях которых выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные окна: n - на статоре и n+1 или n-1 - на роторе, привод вращения ротора, входной коллектор нагнетаемой дисперсной среды, выходные патрубки дисперсной системы и форсунки для впрыска дисперсной фазы. Использована резонансная обработка дисперсной системы вращающейся акустической волной с центробежной и впрыскной подачей соответственно дисперсной среды и дисперсной фазы. Частота вращения резонансной волны в п+1 или n-1 раз превышает частоту вращения ротора, а направление ее вращения совпадает или противоположно направлению вращения ротора. 16 ил.

Сирена-диспергатор, включающая коаксиально установленные цилиндрический статор в виде кольцевого акустического резонатора и ротор, в смежных поверхностях которых выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия - окна, число которых на статоре n и роторе n±1 отличается на единицу для реализации резонансной прямой (попутной, относительно направления вращения ротора) вращающейся акустической волны - в случае n+1 или обратной (встречной) - для n-1, привод для равномерного вращения ротора и тангенциальные выходные патрубки на статоре в направлении соответствующих вращающихся волн для вывода дисперсной системы, отличающаяся тем, что для нагнетания дисперсной среды ротор сирены снабжен крыльчаткой, лопасти которой расположены между окнами, так что число лопастей равно числу окон, а для впрыска дисперсной фазы на торцевой поверхности статора выполнены форсунки, при этом параметры устройства выбраны из выражений:
f=ν/(n+1) - для диспергатора на прямой волне,
f=ν/(n-1) - для диспергатора на обратной волне,
,
где ν - частота создаваемых акустических колебаний в резонаторе, совпадающая с его низшей собственной частотой;
f - частота вращения ротора;
n - число отверстий статора;
R - внешний радиус резонатора;
с - скорость звука в дисперсной среде, поступающей в резонатор;
α=α(ρ) - низший корень трансцендентного уравнения частот:
,
где J₁, N₁ - соответственно функции Бесселя и Неймана первого порядка;
ρ - заданное отношение внутреннего радиуса кольцевого резонатора к наружному R.