СЕПАРИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДВУХРЯДНОЙ УГОЛКОВОЙ ВОЗДУХООЧИСТИТЕЛЬНОЙ РЕШЕТКИ Российский патент 2010 года по МПК B01D46/10 F24F13/08 

Изобретение относится к области устройств неконтактной воздухоочистки вентиляционных или охлаждающих систем и касается конструкции сепарирующего элемента двухрядных уголковых решеток лабиринтного типа так называемого «два фау» (2V) вида.

Область преимущественного применения - системы входной очистки воздуха на магистральных электровозах.

Применение уголковых решеток лабиринтного типа (в частности, в варианте 2V) для входной очистки воздуха, например, на магистральных электровозах известно. Они состоят из двух рядов параллельно расположенных вертикальных сепарирующих элементов, выполненных в форме уголков-отражателей. Последние установлены в общей раме встречно входными частями указанных уголков-отражателей с зазорами, достаточными для пропуска очищаемого воздуха.

Такая система входной уголковой решетки, которая содержит сепарирующий элемент-прототип, применена на электровозе Н62 (см. Воронков Ф.Ф. О коэффициентах аэродинамического сопротивления вентиляционных жалюзи электровоза. Сб. научн. трудов «Электровозостроение», т.1. Новочеркасск, 1961. Стр. 201-207. Рис.4 на стр.203). Она оказалась очень эффективной. Это установлено обширными экспериментальными исследованиями в сопоставлении с входными жалюзи электровозов иного типа. Опытным путем были определены функции

ζ=ζ(W_O;W_B),

где ζ - коэффициент местного аэродинамического сопротивления жалюзи;

W_O - скорость движения электровоза, км/ч;

W_B - средняя скорость воздуха при входе в жалюзи, м/с.

При этом, в частности, установлено, что указанные функции у входных решеток электровоза Н60 (их конструкцию см. там же, рис.3) и Н62 практически совпадают (рис.5 и 6). Очевидно, однако, что фильтрующие способности решетки Н62 несоизмеримо выше.

Дополнительные сравнительные исследования характеристик 2V-решеток электровоза Н62 (Воронков Ф.Ф., Фесковец B.C. Пылезадержание воздухозаборных устройств магистральных электровозов. Сб. научн. трудов «Электровозостроение», т.2. Новочеркасск, 1962. Стр. 219-228) показали их стабильно высокие качества. Это дало основание рекомендовать применение таких входных решеток на всех электровозах (см. там же, стр.228).

Еще один факт. Согласованным подбором параметров конструкции и режимов работы 2V-решеток конструкторам удалось добиться столь высокой эффективности их работы, что, например, на немецком электровозе серии К была принята система воздухоочистки, при которой воздух после прохода через воздухозаборные решетки подавался непосредственно в кузов (Магистральные электровозы: Общие характеристики. Механическая часть. М., Машиностроение, 1991. Стр. 162-165).

Последующим более подробным анализом аэродинамических процессов сепарации в 2V-решетках были выявлены возможности дальнейшего совершенствования протекающих там процессов. Это показывают следующие два фрагмента указанного анализа, которые одновременно определяют и недостатки объекта-прототипа данного изобретения.

А. Уголки-отражатели известных конструкций выполнены из пластичного тонколистового материала (например, металла) изгибом в штампе на призме с малым радиусом изгиба, что позволяет получить острый входящий угол. Благодаря этому в глубине профиля уголка-отражателя образуется аэродинамическая тень, в которую из резко поворачивающего в горизонтальной плоскости потока проходящего воздуха центробежными силами отбрасываются взвешенные в воздухе частицы. Оставаясь в пределах зоны аэродинамической тени, они под действием силы тяжести опускаются вдоль впадины уголка-отражателя в его нижние отделы, откуда удаляются в водо-снего-пылесборник или выводятся наружу.

В результате эффективная глубина аэродинамической тени там уменьшается, а унос через нее взвешенных частиц горизонтальными потоками продуваемого воздуха возрастает. При большой запыленности воздуха, интенсивном дожде или снегопаде аэродинамическая тень здесь может вообще исчезнуть, и уголковая решетка как фильтрующая система в нижней части практически перестает выполнять свое назначение, что составляет существенный недостаток конструкции сепарирующего элемента-прототипа известных уголковых решеток.

Б. Второй недостаток конструкции сепарирующего элемента-прототипа, выполненного в виде уголка-отражателя простейшей формы, касается схемы аэродинамики. Он состоит в том, что подлежащая сепараторной очистке струя воздуха разделяется на две в горизонтальной плоскости непосредственно при подходе к зоне аэродинамической тени уголка-отражателя или, аналогично, соединяется из двух с образованием общего выходного потока. В обоих случаях в зонах разделения или соединения потоков возникает значительная турбулизация. Это уменьшает общий сепараторный эффект отделения взвешенных частиц воздуха в зону аэродинамической тени при использовании в уголковой решетке сепарирующих элементов указанного известного типа.

Задача изобретения - обеспечение одинаковой по высоте двухрядной уголковой решетки интенсивности сепарации взвешенных частиц очищаемого воздуха в сепарирующих элементах - уголках-отражателях с дополнительной общей интенсификацией сепарационного процесса - и тем самым повышение эффективности работы решетки в целом.

Поставленная задача решается согласно данному предложению изменением, в сравнении с известными, формы горизонтального сечения сепарирующего элемента двухрядной уголковой решетки лабиринтного типа устройства неконтактной воздухоочистки вентиляционных или охлаждающих систем. Сущность этого изменения состоит в том, что указанный сепарирующий элемент, имеющий форму уголка-отражателя, выполнен с его внутренней угловой частью в виде открытого в сторону рабочего потока воздуха канала-коллектора. При достаточном сечении указанного канала исключается возможность локальной потери аэродинамической тени сепарирующего элемента вследствие заполнения ее отсепарированным материалом и тем самым снижения интенсивности сепарации. И этот ценный положительный эффект достигается вне зависимости от изменяющейся по высоте решетки мощности вертикального потока отводимого сепарацией материала.

Кроме этого, канал-коллектор может быть использован для установки в нем тонкой вертикальной пластины, разделяющей канал на две одинаковые части. При ширине пластины не менее расстояния от дна канала-коллектора до кромок встречно установленных в раме уголков-отражателей устраняется турбулизация зон активного отделения взвешенных частиц из проходящего воздуха. Это повышает степень его очистки.

При постоянстве общей геометрии профиля уголка-отражателя и, соответственно, зоны аэродинамической тени удельное (на единицу вертикального размера) количество отсепарированного материала можно считать idem - постоянным. Поэтому мощность указанного выше потока можно считать практически линейно зависимой от высоты горизонтального элементарного потока воздуха, проходящего через сепарирующий элемент. Это позволяет выполнить канал-коллектор с линейно изменяющейся переменной глубиной, увеличивающейся в координатах установленной в рабочее положение уголковой решетки по направлению сверху вниз.

Такой конструктивной мерой достигается более рациональное использование материала активной части решетки (т.е. системы ее уголков-отражателей), что составляет дополнительное преимущество предлагаемого устройства в сравнении с прототипом.

Сепарирующие элементы в решетках рассматриваемого типа всегда прямые. Их длина L (см. далее фиг.4) обычно близка к 1 м. Изготавливаются они, как уже указывалось ранее, из листового материала гибочной штамповкой в призмах. Поэтому предлагаемое изменение профиля сепарирующего элемента, имеющего форму уголка-отражателя, никаких технологических затруднений в производстве не вызывает.

На фиг.1 для сравнения с предлагаемым показан в разрезе фрагмент аэродинамической схемы двухрядной уголковой решетки лабиринтного типа с уголками-отражателями известной формы:

А₁, А₂ - зоны аэродинамической тени входного и выходного уголков-отражателей;

В₁ (В₂) - соответствующее аэродинамическое ядро входной (выходной) зоны сепарации (условно);

стрелками обозначены:

V₁ - входной поток воздуха;

V'₁, V''₁ - его составляющие после разделения во входном уголке-отражателе;

V₂ - выходной поток;

на фиг.2 приведена аэродинамическая схема, аналогичная схеме фиг.1, но с уголком-отражателем предлагаемого профиля; здесь a - глубина канала-коллектора;

на фиг.3 приведена в горизонтальном разрезе схема предлагаемого (как пример - входного) уголка отражателя по фиг.2, снабженного закрепленной в канале-коллекторе разделительной пластиной:

A_P1, A_P2 - зоны аэродинамической тени;

стрелками обозначены:

V_P1, V_P2 - составляющие разделенного входного потока воздуха на входе в уголок-отражатель с предлагаемым дополнительно усовершенствованием;

V'_P1, V''_P2 - то же, на выходе;

стрелками R показаны направления сил нажатия электродов (роликов) аппарата контактной сварки при формировании сварной конструкции сборного профиля данного варианта уголка-отражателя;

на фиг.4 показана геометрическая схема (поперечный вертикальный разрез решетки), определяющая закономерность изменения глубины a канала-коллектора (см. фиг.2) в зависимости от вертикальной координаты l - расстояния поперечного сечения С-С уголка-отражателя от верхнего конца его закрепления в раме решетки; стрелкой S показано направление гравитационного движения в каналах-коллекторах отсепарированного в них материала.

Предлагаемый сепарирующий элемент 1 двухрядной уголковой воздухозаборной решетки лабиринтного типа имеет, как и у прототипа (см. фиг.1), общую форму уголка-отражателя. Однако он содержит важнейший новый отличительный конструктивный признак: внутренняя часть уголка-отражателя выполнена в виде открытого в сторону рабочего потока воздуха канала-коллектора 2 (фиг.2). При этом уголки-отражатели, встречно установленные в раме решетки, имеют такой же, т.е. содержащий канал-коллектор 2, профиль, а их свободные кромки 3 могут сохранять первоначальное положение относительно профиля 1.

Наличие в сепарирующем элементе 1 канала-коллектора 2 позволяет внести в его конструкцию дополнительное усовершенствование, устраняющее второй недостаток прототипа. Для этого указанный канал-коллектор 2 снабжен закрепленной в нем вертикальной тонкой пластиной 4 (см. фиг.3), разделяющей его вдоль на две одинаковые части. При этом ширина пластины с должна быть выбрана не менее размера b от дна канала-коллектора 2 до кромок 3 встречно установленных в раме решетки уголков-отражателей.

Конструктивно-технологический вариант крепления разделительной пластины 4 внутри канала-коллектора 2 сепарирующего элемента 1определяется материалом, примененным для изготовления основного профиля, и технологическими возможностями производства. В частности, на фиг.3 показан конструктивно наиболее рациональный при пластичном материале вариант закрепления разделительной пластины 4 в дополнительном углублении 5 дна канала-коллектора 2 с обжатием на прессе и последующим окончательным закреплением контактной сваркой точечным или роликовым электродом, а также на заклепках. При этом высокая пластичность материала разделительной пластины 4 не требуется.

Близкая к линейной закономерность распределения по высоте L (см. фиг.4) кумулятивного эффекта заполнения канала-коллектора 2 продуктами сепарации дает возможность создать конструкцию предлагаемого сепарирующего элемента 1 с наиболее рациональным использованием материала. Это достигается практически без изменения ранее принятой технологии выполнением канала-коллектора 2, но с его переменной глубиной а (см. фиг.2), увеличивающейся в координатах установленной в рабочее положение угловой решетки по направлению сверху вниз, т.е. в функции координаты l.

Работа предлагаемого сепарирующего элемента 1 определяется известными общими особенностями аэродинамического процесса сепарации в нем как в элементе двухрядной уголковой воздухоочистительной решетки лабиринтного типа, но с отличиями этого процесса, обусловленными отличиями новой конструкции от прототипа.

Как и в прототипе (см. схему фиг.1), основными составляющими общей аэродинамической схемы предлагаемого сепарирующего элемента 1 являются зоны аэродинамической тени А₁ и зоны сепарации В₁. В зоне сепарации В₁ в результате разделения входного потока воздуха V₁ на боковые V'₁ и V''₂ и, как следствие, резкого изменения в горизонтальной плоскости направления движения воздуха в этих полупотоках происходит выделение из них центробежными силами взвешенных частиц в наружную сторону кривизны траектории их движения. Так они попадают в зону аэродинамической тени А₁, внешняя граница которой определяется практическим отсутствием движения воздуха основного потока, с последующим гравитационным удалением взвеси из нее (см. выше критику первого недостатка прототипа).

Принципиальное отличие характера работы предлагаемого сепарирующего элемента 1 при сравнении с прототипом состоит в том, что для зоны аэродинамической тени А₁ создана дополнительная камера в виде канала-коллектора 2. Она исключает возможность потери эффективной площади этой зоны в результате ее переполнения взвешенными продуктами сепарации, создавая на всей высоте решетки проход для их беспрепятственного удаления вертикальным движением под действием силы тяжести.

При установке в канале-коллекторе 2 тонкой вертикальной пластины 4, разделяющей указанный канал на две одинаковые части, с шириной с пластины 4 не менее расстояния b от дна канала-коллектора 2 до кромок уголков-отражателей 3, встречно установленных в решетке воздухозаборного устройства (фиг.3), общая аэродинамическая схема работы сепарирующего элемента 1 при полном сохранении главной - дренажной функции канала-коллектора 2 резко изменяется. А именно:

а) до подхода к области сепарации возникает разделение общего входного воздушного потока на составляющие V_P1 и V_P2, что приводит к исчезновению зоны турбулизации B₁ и связанных с нею потерь (см. выше критику второго недостатка прототипа);

б) в канале-коллекторе 2 образуются две независимые зоны аэродинамической тени A_P1 и A_P2, работающие по указанной выше в п. б) причине более эффективно (по суммарному отбору продуктов сепарации), чем зона А₁ в схеме фиг.2.

Эта особенность работы сепарирующего элемента 1 по схеме фиг.3, несмотря на некоторое конструктивно-технологическое усложнение в сравнении со схемой фиг.2, может оказаться достоинством, определяющим целесообразность преимущественного практического применения такого варианта.

Из схем фиг.1 и фиг.2 можно видеть, что аэродинамические процессы в зонах А₂ и В₂ уголков-отражателей, встречно установленных в раме решетки, почти не отличаются от аналогичных процессов в зонах A₁ и B₁. Поэтому работа предлагаемого сепарирующего элемента 1 второго ряда решетки отдельно не рассматривается.

Усовершенствование предлагаемого сепарирующего элемента 1 тем, что канал-коллектор 2 выполнен с переменной глубиной, увеличивающейся в координатах установленной в рабочее положение уголковой решетки по направлению сверху вниз (фиг.4), не вносит изменений в характер работы сепарирующего элемента 1 как уголка-отражателя включающей его воздухоочистительной решетки. Назначение указанного усовершенствования не в изменении сущности или параметров процессов в системе, но, при сохранении стабильности, в улучшении использования материала конструкции сепарирующего элемента 1. Этим достигается дополнительная ступень общего конструктивно-технологического совершенства рассматриваемой системы.

Изобретение относится к области транспортного машиностроения. Сепарирующий элемент двухрядной уголковой воздухоочистительной решетки лабиринтного типа имеет форму уголка-отражателя. Внутренняя угловая часть уголка-отражателя выполнена в виде открытого в сторону рабочего потока воздуха канала-коллектора. Канал-коллектор разделен вертикальной пластиной на две одинаковые части и выполнен с переменной глубиной, увеличивающейся в координатах установленной в рабочее положение уголковой решетки по направлению сверху вниз. Достигается повышение эффективности работы сепарирующего элемента. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Сепарирующий элемент двухрядной уголковой воздухоочистительной решетки лабиринтного типа, имеющий форму уголка-отражателя, отличающийся тем, что внутренняя угловая часть уголка-отражателя выполнена в виде открытого в сторону рабочего потока воздуха канала-коллектора, разделенного вертикальной пластиной на две одинаковые части и выполненного с переменной глубиной, увеличивающейся в координатах установленной в рабочее положение уголковой решетки по направлению сверху-вниз.

2. Сепарирующий элемент по п.1, отличающийся тем, что вертикальная пластина, разделяющая коллектор на две части, имеет ширину не менее расстояния от дна канала-коллектора до кромок, встречно установленных в раме уголков-отражателей.