СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ ЖИДКОСТНОГО ПОТОКА И ГЕНЕРАТОР КОЛЕБАНИЙ ПОТОКА Российский патент 2015 года по МПК F15B21/12 B06B1/20 

Изобретение относится к гидравлическим устройствам, в частности к источникам колебаний в жидких средах, которые могут быть использованы в различных областях промышленности для интенсификации технологических процессов, а также в сельском хозяйстве, здравоохранении и прикладном искусстве.

Известен способ генерирования колебаний жидкостного потока, включающий предварительное разделение жидкости на два потока до закручивания, раздельное закручивание их с разными скоростями, при этом закрученный поток с меньшей скоростью гидравлически соединяют, по крайней мере, с одной полостью с регулируемой упругостью при помощи канала, а закрученный поток с большей скоростью - с выходным соплом.

Известен также генератор колебаний жидкостного потока для реализации этого способа, содержащий вихревую камеру, соединенную с, напорной магистралью, а также каналы закрутки и каналы закрутки противоположной ориентации, выполненные в боковой стенке вихревой камеры, при этом каналы закрутки выполнены на меньшем радиусе и соединены с выходным соплом, а каналы закрутки противоположной ориентации - на большем радиусе боковой стенки и соединены через канал с трубой, закрытой с другой стороны, в которой вдоль ее длины установлена, по крайней мере, одна полость с регулируемой упругостью, изолированная от трубы и канала герметичной эластичной оболочкой, а также содержащий перегородку, по крайней мере, с одним сквозным каналом, установленную между каналами закрутки и каналами закрутки противоположной ориентации (RU №2533525).

Недостатками известных способа и устройства являются снижение эффективности взаимодействия двух противоположно закрученных потоков при наличии между ними разделяющей перегородки, которая ограничивает управление закрученным потоком с большей скоростью и расходом жидкости через выходное сопло. Наличие гидравлической связи закрученного потока с меньшей скоростью через канал с полостью, в которой выполнена упругость, обеспечивает их эффективное взаимодействие, но ввиду изоляции полости с упругостью от внешней среды необходима предварительная регулировка величины ее упругости для компенсации внешнего статического давления.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ генерирования колебаний жидкостного потока, включающий нагнетание жидкости под давлением, разделение ее на основной и дополнительный потоки, поддержание расхода в дополнительном потоке меньшим или равным величине расхода в основном потоке. Основной поток закручивают и стравливают через сопло, а дополнительный поток направляют на периферию основного закрученного потока, осевую часть которого, в свою очередь, направляют в дополнительный поток и разделяют их с помощью упругой перегородки (RU №2511888).

Наиболее близким по технической реализации к предлагаемому устройству является гидродинамический генератор колебаний, содержащий напорную магистраль, соединенную с каналами закрутки, которые выполнены в корпусе с вихревой камерой, по крайней мере, в двух плоскостях ее сечения и имеющих противоположную ориентацию для закручивания потока жидкости, центральное тело, установленное в вихревой камере с зазором относительно ее боковой стенки, а также полость с регулируемой упругостью, гидравлически связанную с вихревой камерой и через зазор в ней - с выходным соплом (RU №2144440).

К недостаткам способа генерации колебаний можно отнести необходимость поддержания величины расхода в дополнительном потоке в зависимости от величины основного потока, управление которым осуществляется направленным на него дополнительным потоком только через ограниченную периферией зону, а гидравлическая связь осевой части основного закрученного потока создает зону нерегулируемой величины разряжения, которая уменьшает упругость перегородки, создавая на ней одностороннее некомпенсированное напряжение.

К недостаткам устройства генератора можно отнести наличие центрального тела в вихревой камере, в которой происходит формирование и взаимодействие потоков, при этом в зазоре создается большое гидравлическое сопротивление закрученным потокам, уменьшающее эффективность управления ими и расходом потока из полости с упругостью через выходное сопло, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний и к необходимости увеличивать давление в напорной магистрали. Центральное тело уменьшает площадь взаимодействия закрученных потоков, оставляя для этого только периферию, частично компенсирующую уменьшение эффективности управления из-за большого сопротивления, но уменьшающую массу вихрей, что приводит к росту частоты колебаний и снижению амплитуды. К недостаткам можно отнести и необходимость предварительного регулирования упругости в полости для компенсации избыточного внешнего давления и преодоления волнового сопротивления жидкостной среды. Это приводит к увеличению объемов упругой среды и габаритов генератора.

Задачей данного изобретения являются увеличение мощности генерирования колебаний за счет снижения гидравлических потерь и увеличения массы взаимодействующих потоков, а также расширение эксплуатационных возможностей.

Решение поставленной задачи достигается при использовании известного способа генерирования колебаний жидкостного потока, состоящего в том, что жидкость нагнетают под давлением, разделяют на основной и дополнительный автономные потоки, основной поток закручивают и стравливают через выходное сопло, при этом дополнительный поток направляют на основной закрученный поток, а часть основного закрученного потока направляют в дополнительный поток и разделяют их с помощью перегородки, согласно изобретению дополнительный поток закручивают в противоположном основному закрученному потоку направлении, в дополнительный поток направляют часть потока, находящегося между основным закрученным потоком и дополнительным закрученным потоком, при этом скорость этой части потока регулируют.

С целью эффективной компенсации избыточного давления на перегородку со стороны дополнительного закрученного потока целесообразно скорость вышеуказанной части потока регулировать с помощью давления между основным закрученным потоком и дополнительным закрученным потоком.

Поставленная задача решается также тем, что в известном генераторе колебаний потока, содержащем корпус с вихревой камерой и выходное сопло, каналы закрутки, выполненные в боковой стенке корпуса в двух плоскостях сечений вихревой камеры с взаимно противоположной ориентацией закрутки, а также снабженный полостью для упругости, согласно изобретению полость для упругости расположена в контейнере, соединенном с корпусом, и изолирована от него с помощью перегородки, при этом полость для упругости гидравлически связана с вихревой камерой каналом, вход которого расположен между двумя закрученными потоками.

Для крепления канала целесообразно в корпусе между вихревой камерой и перегородкой установить перфорированную перегородку.

В генераторе колебаний потока взаимодействуют два объема, заполняемые жидкостью, и с целью обеспечения эффективного упругого взаимодействия между ними целесообразно, чтобы объем полости для упругости был больше объема вихревой камеры и объема между перегородкой и перфорированной перегородкой. При этом перегородка может быть выполнена в виде мембраны или эластичной трубки, закрытой с одного торца, или в виде поршня.

Для понижения частоты при использовании тех же габаритов генератора целесообразно использовать в качестве наполнителя полости для упругости материал, величина упругости которого больше, чем у жидкостного потока, например резину, или установить в ней дополнительную полость в эластичной оболочке, заполненную газом.

При односторонней компенсации внешнего статического давления на перегородку целесообразно в канале установить обратный клапан.

Канал является магистралью, по которой осуществляется гидравлическая связь полости для упругости с вихревой камерой, для регулирования этой связи целесообразно в нем установить регулятор расхода.

Для выбора части потока между закрученными потоками целесообразно канал выполнить с возможностью осевого перемещения.

В заявленном изобретении реализуется механизм генерации колебаний жидкостного потока, позволяющий получить новый технический результат, который заключается в том, что при полном взаимодействии масс двух противоположно вращающихся потоков между ними в плоскости сечения вихревой камеры образуются зоны течения с различными угловыми скоростями от максимальных, при приближении к каналам закрутки, до нулевых значений величины в зоне, где потоки прекращают свое вращение из-за взаимного противодействия. Это позволяет использовать разные величины давлений, которые создаются в таких зонах для обеспечения регулирования скорости движения жидкости по каналу с целью поддержания постоянной величины объема в полости для упругости. При этом давление в этом объеме поддерживают меньшим, чем величина избыточного давления, создаваемая закрученным потоком, а значит величина упругости среды, заполняющей объем полости для упругости, будет выше, чем у той же среды в остальной части генератора. Использование канала для регулирования скорости движения жидкости в нем позволяет обеспечить сдвиг фаз между изменениями давления и расхода и сформировать условия для создания колебательного процесса в полости для упругости. При величине объема полости для упругости большей, чем объем взаимодействующей с ней средой в остальной части генератора, разница в величинах упругости сред увеличивается. При разделении этих сред перегородкой создаются благоприятные возможности для их упругого взаимодействия без смешения. Использование среды в полости для упругости, плотность которой близка к плотности нагнетаемого жидкостного потока, позволяет значительно увеличить мощность колебаний потока во внешней среде, имеющей большое значение величины волнового сопротивления.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 дана схема генератора колебаний потока при выполнении его по основной формуле,

на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1,

на фиг. 3 - вариант его выполнения с дополнениями по пп. 6 и 9.

Поскольку заявленный способ реализуется при работе заявляемого генератора колебаний потока, то описание способа приведено при изложении раздела описания работы устройства.

Генератор колебаний потока содержит корпус (1) с вихревой камерой (2) и выходным соплом (3), а также каналы закрутки (4) основного закрученного потока и каналы закрутки (5) дополнительного закрученного потока, выполненные в боковой стенке корпуса (1). Напорная магистраль (6) гидравлически связана с каналами закрутки (4) и (5). Корпус (1) соединен с контейнером (7), с полостью для упругости (8) внутри, которая соединена с вихревой камерой (2) через канал (9), вход которого (10) расположен между каналами закрутки (4) и (5). Полость для упругости (8) изолирована от корпуса (1) с помощью перегородки, например, в виде мембраны (11), а между ней и вихревой камерой (2) может быть установлена перфорированная перегородка (12). Канал (9) может быть снабжен регулятором расхода (13), а полость для упругости (8) заполнена либо жидкостью из напорной магистрали (6), либо другим материалом, например резиной (14). Перегородка (11) может быть выполнена в виде эластичной трубки, закрытой с одного торца (15).

Генератор колебаний потока работает следующим образом.

Корпус (1) с контейнером (7) закрепляют в напорной магистрали (6). Затем жидкость из нее подают раздельно в каналы закрутки (4) и каналы закрутки (5). Жидкости закручиваются в вихревой камере (2) противоположно друг другу, образуя различные по величине давления зоны. Каналы закрутки (4) создают основной закрученный поток, а каналы (5) - дополнительный закрученный поток. Ближе к каналам закрутки (4) и (5) в плоскости сечений вихревой камеры (2) давление на оси вращения жидкости минимальное, а в зоне активного смешения противоположных закрученных потоков - максимальное. Основной закрученный поток, обладая высокой тангенциальной составляющей скорости, стравливается с минимальным расходом через выходное сопло (3), заполняя лишь часть поперечного сечения выходного сопла. При этом создается резкий рост давления на торцевой поверхности дополнительного закрученного потока, которое действует на перегородку (11) и одновременно на вход (10) канала (9). Через перегородку (11) импульс давления передается на объем среды, заполнивший полость для упругости (8). При этом среда сжимается, но под действием избыточного давления на входе (10) канала (9) и регулирования скорости движения в нем не успевает выйти из полости для упругости (8). В результате упругого взаимодействия через перегородку (11) торцевая поверхность дополнительного закрученного потока получает обратный импульс давления, который резко снижает интенсивность его вращения, а вследствие взаимодействия противоположно закрученных масс снижает интенсивность вращения и основного закрученного потока. Тангенциальная скорость падает, противоположно закрученные потоки останавливаются, и резко растет расход жидкости через выходное сопло (3), заполняя все поперечное сечение выходного сопла дополнительной массой потока из вихревой камеры (2). При этом давление на входе (10) резко снижается, открывая канал (9). Процесс повторяется. По каналу (9), установленному в перфорированной перегородке (12), происходит предварительное заполнение полости для упругости (8) внешней средой. Первоначально, объем среды, заполнивший полость для упругости (8), находится под тем же статическим давлением, что и среда в остальной части генератора. В статическом состоянии величины упругости этих сред одинаковы. При возникновении противоположно закрученных потоков в вихревой камере (2) между ними образуется зона с нулевой угловой скоростью и избыточным давлением. При остановке вращения и стравливании потока через выходное сопло (3) давление в этой зоне резко снижается. Поэтому вход канала (10) располагают в этой зоне для регулирования скорости движения жидкости по каналу (9) и поддержания в полости для упругости (8) постоянного объема. С помощью канала (9) обеспечивается сдвиг фаз между изменениями расхода и давления жидкости. При этом канал (9) играет роль инерционного элемента при движении жидкости из большего объема в меньший объем и, наоборот, стремясь поддержать постоянный объем среды в полости для упругости (8). В результате формируется объем, заполненный средой с большей упругостью, чем в остальной части генератора. Эти условия создают возможность сформировать устойчивый автоколебательный процесс. Для дополнительной регулировки движения жидкости в канале (9) используют регулятор расхода (13).

Для снижения частоты колебаний при ограниченных габаритах генератора возможно в полости для упругости установить материал, обладающий большей упругостью, чем жидкость, например резину (14), а перегородку выполнить в виде эластичной трубки (15), закрытой с одного торца.

Использование изобретения позволяет обеспечить устойчивую работу генератора колебаний потока в жидких средах с высоким волновым сопротивлением и в условиях высоких статических давлений. При этом конструктивное решение позволяет использовать небольшие габариты устройства и увеличить мощность генерируемых колебаний, что значительно расширяет его эксплуатационные возможности.

Группа изобретений относится к гидродинамическим системам. В способе генерирования колебаний жидкостного потока жидкость из магистрали (6) разделяют на потоки, подают в каналы закрутки (4) и (5) и закручивают в вихревой камере (2) в противоположных направлениях. При этом ближе к каналам (4) и (5) в плоскости сечений камеры (2) давление на оси вращения жидкости минимальное, а в зоне активного смешения противоположных закрученных потоков - максимальное. Закрученный поток из каналов (4), обладая высокой тангенциальной составляющей скорости, стравливается с минимальным расходом через выходное сопло (3). Давление в камере (2) резко возрастает и воздействует на перегородку (11). В результате упругого взаимодействия с объемом среды, заполнившей полость для упругости через перегородку (11), обратный импульс давления снижает интенсивность вращения противоположно закрученных потоков. Тангенциальная скорость падает, противоположно закрученные потоки останавливаются, и резко растет расход жидкости через сопло (3). Изобретение направлено на увеличение мощности генерирования колебаний за счет снижения гидравлических потерь и увеличения массы взаимодействующих потоков, а также снижение габаритов, упрощение конструкции и расширение условий применения. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ генерирования колебаний жидкостного потока, состоящий в том, что жидкость нагнетают под давлением, разделяют на основной и дополнительный автономные потоки, основной поток закручивают и стравливают через выходное сопло, при этом дополнительный поток направляют на основной закрученный поток, а часть основного закрученного потока направляют в дополнительный поток и разделяют их с помощью перегородки, отличающийся тем, что дополнительный поток закручивают в противоположном основному закрученному потоку направлении, в дополнительный поток направляют часть потока, находящегося между основным закрученным потоком и дополнительным закрученным потоком, при этом скорость этой части потока регулируют.

2. Способ генерирования колебаний жидкостного потока по п. 1, отличающийся тем, что скорость вышеуказанной части потока регулируют с помощью давления между основным закрученным потоком и дополнительным закрученным потоком.

3. Генератор колебаний потока, содержащий корпус с вихревой камерой и выходным соплом, каналы закрутки, выполненные в боковой стенке корпуса в двух плоскостях сечений вихревой камеры с взаимно противоположной ориентацией закрутки, а также снабженный полостью для упругости, отличающийся тем, что полость для упругости расположена в контейнере, соединенном с корпусом, и изолирована от него с помощью перегородки, при этом полость для упругости гидравлически связана с вихревой камерой каналом, вход которого расположен между двумя закрученными потоками.

4. Генератор колебаний потока по п. 3, отличающийся тем, что в корпусе между вихревой камерой и перегородкой дополнительно установлена перфорированная перегородка.

5. Генератор колебаний потока по пп. 3 и 4, отличающийся тем, что полость для упругости выполнена с большим объемом, чем объем вихревой камеры и объем между перегородкой и дополнительной перфорированной перегородкой.

6. Генератор колебаний потока по п. 3, отличающийся тем, что перегородка выполнена в виде эластичной трубки, закрытой с одного торца.

7. Генератор колебаний потока по п. 3, отличающийся тем, что перегородка выполнена в виде мембраны.

8. Генератор колебаний потока по п. 3, отличающийся тем, что перегородка выполнена в виде поршня.

9. Генератор колебаний потока по п. 3, отличающийся тем, что полость для упругости заполнена материалом, величина упругости которого больше, чем у жидкостного потока, например резиной.

10. Генератор колебаний потока по п. 3, отличающийся тем, что в полости для упругости выполнена по крайней мере одна дополнительная полость в эластичной оболочке, заполненная газом.

11. Генератор колебаний потока по п. 3, отличающийся тем, что канал снабжен обратным клапаном.

12. Генератор колебаний потока по п. 3, отличающийся тем, что канал снабжен регулятором расхода.

13. Генератор колебаний потока по п. 3, отличающийся тем, что канал выполнен с возможностью осевого перемещения.