СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ ЖИДКОСТНОГО ПОТОКА И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР КОЛЕБАНИЙ Российский патент 2017 года по МПК F15B21/12 B06B1/20 

Изобретение относится к гидравлическим машинам, в частности к пульсаторам, 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 потока на основной и дополнительный, закручивание основного потока, частичное стравливание дополнительного потока и подачу его на периферию основного потока с окружной составляющей скорости, меньшей, чем у основного потока, а также гидродинамический генератор колебаний для реализации этого способа, содержащий корпус, проточную камеру в нем с каналами закрутки и центральным телом, установленным с зазором относительно стенки проточной камеры, напорную магистраль, соединенную с каналами закрутки, и выходное сопло, дополнительную магистраль с ограничителем расхода, через который она соединена с напорной магистралью, а через зазор проточной камеры - с выходным соплом (RU №2087756, опубл. 20.08.1997 г.).

Недостатками известного способа и устройства являются невысокая интенсивность колебаний потока жидкости из-за принудительной подачи дополнительного потока с меньшей окружной составляющей скорости на закрученный основной поток, что приводит к торможению последнего. К снижению интенсивности колебаний приводит и низкая энергия потока жидкости в дополнительной магистрали из-за частичного стравливания давления, а наличие центрального тела в проточной камере приводит к значительному сопротивлению при закручивании потока, для компенсации которого необходимо увеличивать давление и расход в напорной магистрали. При этом использование ограничителя расхода в дополнительной магистрали требует предварительного расчета для поддержания колебаний при используемой величине расхода жидкости в напорной магистрали.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и техническому результату является способ генерирования колебаний жидкостного потока, включающий подачу жидкости под избыточным давлением, закручивание в радиально-щелевой камере и направление ее в магистраль, имеющую упругость, а затем стравливание через сопло, а также генератор колебаний для реализации этого способа, содержащий в радиально-щелевой камере каналы закрутки, сопло и дополнительный проточный канал, вход в который расположен на большем радиусе камеры, чем сопло, и который соединен с магистралью с упругостью, при этом закрученный поток направляют в дополнительный проточный канал с помощью направляющих (RU №2267364, опубл. 10.01.2006 г.).

К недостаткам этого способа генерирования колебаний потока можно отнести узкий диапазон расхода подаваемой жидкости для закручивания из-за необходимости предварительного выбора величины упругости магистрали в соответствии с частотой вращения закрученного потока, который направлен в магистраль, имеющую упругость. Ограничены условия применения магистрали, имеющей упругость, в среде с высоким гидростатическим давлением из-за его влияния на величину упругости магистрали. Выполнение камеры закручивания в виде радиально-щелевой также сужает рабочий диапазон по расходу из-за ограниченного объема закручиваемой жидкости, что может привести к преждевременному стравливанию жидкости через сопло при повышении величины расхода.

Задачей данного изобретения являются повышение интенсивности колебаний расхода за счет снижения гидравлических потерь при закручивании потока и увеличения степени сжатия упругого элемента.

Решение поставленной задачи достигается при использовании известного способа генерирования колебаний жидкостного потока, включающего подачу жидкости под давлением, ее закручивание с образованием вихря и стравливание через сопло, а также направление жидкости в магистраль, имеющую упругость, согласно изобретению вихрь при его образовании разделяют на центральную и периферийную части, при этом через сопло во внешнюю среду стравливают центральную часть, а его периферийную часть направляют для стравливания - по крайней мере, в одну магистраль, имеющую упругость, снабженную, по крайней мере, одним упругим элементом, и в которую под давлением подают дополнительную жидкость.

Для одновременного генерирования колебаний в двух различных внешних средах целесообразно центральную часть вихря дополнительно стравливать через дополнительное сопло.

Для синхронизации изменения частоты колебаний расхода от изменения величины давления подаваемой жидкости целесообразно дополнительную жидкость и жидкость для образования вихря подавать с одинаковым давлением.

Для увеличения амплитуды колебаний расхода целесообразно дополнительную жидкость подавать с величиной сжимаемости большей, чем у жидкости для образования вихря.

С целью расширения применимости способа целесообразно использовать в одном источнике колебаний две магистрали, имеющие упругость с разными упругими элементами, в одной - упруго растягивающийся элемент, в другой - упруго сжимающийся.

Целесообразно дополнительную жидкость подавать под давлением с колебаниями расхода, которые будут управлять частотой колебаний жидкостного потока.

Также для увеличения мощности генерации колебаний целесообразно в качестве дополнительной жидкости использовать, например, напор из центральной части вихря другого устройства, генерирующего автоколебания расхода со средним расходом, меньшим, чем расход закрученной в вихрь жидкости.

Для управления частотой колебаний жидкостного потока целесообразно использовать регулирование массы закрученного в вихрь потока с помощью изменения объема камеры закручивания.

Поставленная задача решается также тем, что в известном гидродинамическом генераторе колебаний, включающем напорную магистраль, камеру закручивания, снабженную каналами закрутки, сопло, а также магистраль, имеющую упругость, согласно изобретению каналы закрутки выполнены тангенциальными и соединены с напорной магистралью, камера закручивания гидравлически связана с соплом и, по крайней мере, с одной магистралью, имеющей упругость, снабженной, по крайней мере, одним упругим элементом, при этом в ней или в камере закручивания установлен дисковый разделитель с боковым зазором для гидравлической связи между ними и, по крайней мере, одна вышеуказанная магистраль соединена с напорной магистралью через дополнительный канал.

Для одновременного стравливания частей закрученной в вихрь жидкости из камеры закручивания в сопло и в магистраль, имеющую упругость, снабженной, по крайней мере, одним упругим элементом, целесообразно дисковый разделитель снабдить соплом.

При установке магистрали, имеющей упругость, снабженной, по крайней мере, одним упругим элементом во внешней среде целесообразно использовать упругий элемент, выполненный в виде растягивающейся, в сторону внешней среды, эластичной оболочки или использовать подпружиненный поршень.

В тех случаях, когда необходимо установить магистраль, имеющую упругость, снабженную, по крайней мере, одним упругим элементом, в напорной магистрали, целесообразно использовать упругий элемент в виде замкнутой эластичной оболочки, заполнив ее средой с большей сжимаемостью, чем среда в напорной магистрали. Для поддержания величины давления среды в замкнутой эластичной оболочке ниже, чем в напорной магистрали целесообразно соединить с помощью канала внутренний объем замкнутой эластичной оболочки с соплом. Управление массой закрученного в вихрь потока позволяет изменять частоту и амплитуду колебаний, что возможно, если дисковый разделитель с соплом выполнить подвижным вдоль его оси и, дополнительно, подпружинить. Для этой же цели целесообразно менять объем камеры закручивания с помощью ее перемещения вдоль оси, по крайней мере, относительно одной магистрали, имеющей упругость, снабженной, по крайней мере, одним упругим элементом, а для возврата камеры закручивания дополнительно подпружинить.

Для дополнительного уменьшения гидравлического сопротивления, которое оказывается закрученному в вихрь потоку, целесообразно дисковый разделитель с соплом выполнить с возможностью вращения.

Для увеличения мощности работы генератора целесообразно применить дублирование его элементов с образованием каскада из последовательно соединенных ступеней, состоящих из камеры закручивания, снабженной тангенциальными каналами закрутки, по крайней мере, одной магистрали, имеющей упругость, снабженной, по крайней мере, одним упругим элементом и, по крайней мере, из одного дискового разделителя с соплом. При этом последующая камера закручивания сообщена с соплом предыдущей ступени через магистраль, имеющую упругость, снабженной, по крайней мере, одним упругим элементом. Каскад должен сопровождаться последовательным увеличением диаметров камер закручивания, тангенциальных каналов и сопел, а дополнительный канал используется только один раз в первой ступени каскада с самым малым диаметром.

Для увеличения величины колеблющегося расхода, например при увеличении площади колебаний целесообразно применить дублирование его элементов с образованием каскада из последовательно соединенных ступеней, состоящих из камеры закручивания, снабженной тангенциальными каналами закрутки, дополнительного канала, по крайней мере, одной магистрали, имеющей упругость, снабженной, по крайней мере, одним упругим элементом, и, по крайней мере, из одного дискового разделителя с соплом. При этом последующая камера закручивания сообщена с соплом предыдущей ступени через магистраль, имеющую упругость, снабженной, по крайней мере, одним упругим элементом, при этом сопла последовательно соединенных ступеней сообщены и имеют общий выход.

В заявляемом изобретении реализуется механизм генерации колебаний расхода, позволяющий получить новый технический результат, который заключается в том, что управление движением жидкости в генераторе происходит за счет разделения потока, закрученного в вихрь, на центральную и периферийную части. Давление по радиусу вихря распределено неравномерно, максимальное на периферии и минимальное вблизи его оси. Поэтому необходимо разделять эти части, так как они решают разные задачи. Центральную часть вихря, где давление потока минимально, стравливают из генератора. Периферийную часть вихря, обладающего максимальным центробежным давлением стравливают в магистраль, имеющую упругость, снабженную, по крайней мере, одним упругим элементом. Задача периферийной части вихря - обеспечить накопление максимальной упругой энергии в одном или в нескольких упругих элементах магистрали. Воздействие на упругий элемент обеспечивается за счет центробежного давления на периферии, величина которого зависит от скорости вращения потока. Для того, чтобы оградить упругий элемент от воздействия пониженного давления в центральной части вихря с наименьшими потерями скорости вращения периферийной части, необходимо установить разделяющий элемент, обладающий минимальным гидравлическим сопротивлением. Это возможно при использовании разделяющего диска, который обеспечивает с наименьшим сопротивлением вращение периферийной части в боковом зазоре между стенкой камеры закручивания и боковой поверхностью диска. Введение в магистраль, имеющую упругость, снабженную, по крайней мере, одним упругим элементом, дополнительной жидкости приводит к нарушению устойчивого состояния упругой энергии и энергии вращения, к возникновению автоколебаний жидкости между вихрем и упругим элементом. При этом автоматически происходит стравливание части жидкости из магистрали через боковой зазор на периферийную часть вихря, уменьшая его скорость вращения, что приводит к росту давления в центральной части вихря и увеличению расхода через сопло. Таким образом, чем больше будет накоплена упругая энергия или достигнута большая степень сжатия в упругом элементе, тем резче будет происходить торможение вихря, что приводит к увеличению интенсивности колебаний расхода. При использовании в магистрали, имеющей упругость, нескольких упругих элементов или нескольких магистралей, имеющих упругость, снабженных, по крайней мере, одним упругим элементом, возможно получить колебания с различным набором частот.

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

На фиг. 1 дана схема гидродинамического генератора колебаний при выполнении изобретения по пп. 1, 2, 9 и 10,

на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1,

на фиг. 3 - вариант его выполнения с дополнениями по п. 12,

на фиг. 4 - вариант его выполнения с дополнениями по пп. 5, 10, 11, 13,

на фиг. 5 - вариант его выполнения с дополнениями по п. 14,

на фиг. 6 - вариант его выполнения с дополнениями по п. 19,

на фиг. 7 - вариант его выполнения с дополнениями по пп. 7, 19,

на фиг. 8 - вариант его выполнения с дополнениями по п. 20,

на фиг. 9 - вариант его выполнения с дополнениями по пп. 8, 15, 16,

на фиг. 10 - вариант его выполнения с дополнениями по п. 18.

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

Гидродинамический генератор колебаний содержит камеру закручивания 1, снабженную тангенциальными каналами закрутки 2, гидравлически соединенными с напорной магистралью 3. Камера закручивания 1 соединена с магистралью, имеющей упругость 4, снабженной, по крайней мере, одним упругим элементом 5. Для заполнения магистрали 4 установлен дополнительный канал 6, соединенный с напорной магистралью 7. Для выхода жидкости из камеры закручивания 1 предусмотрено сопло 8 и боковой зазор 9, который образован при установке дискового разделителя 10. Возможна установка дополнительного сопла 11, выполненного в дисковом разделителе 12, для одновременной обработки различных сред. Дополнительное сопло 11 может быть соединено с каналом 13, который обеспечивает гидравлическую связь со средой, находящейся внутри замкнутой эластичной оболочки 14. В качестве упругого элемента в магистрали 4 может быть использован подпружиненный поршень 15. Дисковый разделитель 10 может быть выполнен подвижным, а для возврата его в первоначальное положение может быть установлена пружина 16. Для обеспечения вращения дисковый разделитель 10 соединен с подшипником 17.

Гидродинамический генератор колебаний работает следующим образом. Жидкость из напорной магистрали 3 по тангенциальным каналам закрутки 2 поступает в камеру закручивания 1, в которой закручивается в виде вихря и разделяется с помощью дискового разделителя 10 и сопла 8 на две части - центральную, которая стравливается через сопло 8, и периферийную, которая формируется в боковом зазоре 9 и создает в нем центробежное давление. Одновременно с заполнением жидкостью камеры закручивания 1 происходит заполнение этой жидкостью магистрали 4 через боковой зазор 9 и жидкостью из дополнительного канала 6, соединенного с напорной магистралью 7. При этом величина упругости упругого элемента 5 определяет период времени, когда давление в магистрали 4 сравняется с величиной центробежного давления в боковом зазоре 9, после чего происходят торможение вращения вихря, рост давления в его центральной части, увеличение расхода жидкости через сопло 8 и стравливание давления из магистрали 4. После этого процесс заполнения магистрали 4 жидкостью возобновляется, а расход через сопло уменьшается. Таким образом, чем больше центробежное давление в боковом зазоре 9, тем больше накапливаемая величина упругой энергии в упругом элементе в виде растягивающейся эластичной оболочки 5 или сжимающейся пружины поршня 15, или упруго сжимающейся замкнутой эластичной оболочки 14, заполненной упруго сжимаемой средой, а также при их совместном применении. От величины накопленной упругой энергии в упругих элементах зависит, как быстро происходят торможение вихря и увеличение расхода через сопло 8, определяя интенсивность колебаний расхода на выходе из генератора. Время торможения вихря можно дополнительно уменьшить при использовании сразу двух магистралей 4, соединенных с камерой закручивания 1, как показано на фиг. 1. При этом устанавливают второй дисковый разделитель 12, снабженный дополнительным соплом 11. Периферийная часть вихря формируется сразу в двух боковых зазорах 9 (фиг. 1, 2), образованных двумя дисковыми разделителями, увеличивая тем самым силу воздействия от двух упругих элементов 5 и 15 при торможении закрученного потока и уменьшая время торможения, например как указано на фиг. 3. Для этих же целей, как вариант, показанный на фиг. 4, можно использовать одно сопло 8, а в одной из магистралей 4 использовать, по крайней мере, один упругий элемент в виде замкнутой эластичной оболочки 14, заполненной сжимающейся средой. При этом, как показано на фиг. 5, использование сред с небольшой сжимаемостью, но большой величиной упругости, приводит к необходимости соединять их через канал 13 с дополнительным соплом 11, которое расположено в центральной части закрученного в вихрь потока, где отсутствие избыточного давления позволяет упругой среде с небольшой сжимаемостью избежать преждевременного сжатия от влияния гидростатического давления, например, при использовании генератора на глубине или в линии напорной магистрали. Увеличение мощности колебаний достигается при ступенчатом соединении нескольких генераторов в виде каскада, как показано на фиг. 6 и фиг. 7. При этом во всех ступенях формируют закрученные в вихрь потоки и только в первой ступени устанавливают дополнительный канал 6, соединенный с напорной магистралью 7, который позволяет с помощью небольшого начального расхода последовательно возбуждать колебания и наращивать мощность всего каскада. Это достигается тем, что колебания расхода в сопле 8 предыдущей ступени увеличивают упругие колебания в упругом элементе последующей ступени, колеблющуюся массу жидкости и силу торможения наибольшего вихря в последней ступени. С увеличением колеблющихся масс, за один и тот же период времени, последовательно от ступени к ступени растет и мощность колебаний расхода. Последовательное соединение, но при параллельном подключении питания всех ступеней, как показано на фиг. 8, может быть использовано для увеличения площади излучения колебаний. При этом массы вихрей во всех ступенях могут быть равны. Массу вихря можно регулировать, если дисковый разделитель 10 с соплом 8 подпружинить с помощью пружины 16, как показано на фиг. 9. Это позволяет при увеличении расхода потока жидкости через тангенциальные каналы закрутки 2 переместить дисковый разделитель 10, увеличить объем камеры закручивания 1 и массу вихря, снизить частоту и увеличить амплитуду колебаний. Для дополнительного снижения величины гидравлического сопротивления при формировании вихря дисковый разделитель 10 можно соединить с подшипником 17, как показано на фиг. 10. Это дает возможность вместе с вихрем вращать и дисковый разделитель 10, уменьшая влияние трения на вихрь.

Таким образом, уменьшение влияния гидравлического сопротивления при отделении периферийной части вихря от его центральной части с помощью дискового разделителя, позволяет значительно увеличить накапливаемую упругую энергию, величина которой управляет интенсивностью колебаний расхода. Конструкция генератора позволяет эффективно комбинировать его элементы для выполнения широкого круга задач: одновременного воздействия колебаниями на различные среды с разным набором частот; воздействие колебаниями расхода в среде с большим гидростатическим давлением; ступенчатое наращивание мощности колебаний и увеличение охвата обрабатываемой колебаниями площади.

Группа изобретений относится к гидродинамическим системам и может быть использована в областях промышленности, применяющих пульсирующий режим течения жидкости. В способе генерирования колебаний жидкостного потока жидкость из напорной магистрали 3 с помощью тангенциальных каналов 2 направляют в камеру закручивания 1. Затем жидкость закручивают с образованием вихря и разделяют на центральную часть с низким давлением, которую стравливают через сопло 8, и периферийную часть с высоким центробежным давлением, которую стравливают через боковой зазор в магистраль 4 с упругим элементом 5. Одновременно в магистраль 4 через дополнительный канал 6 направляют жидкость из напорной магистрали 7. При этом время роста давления в магистрали 4 до величины центробежного давления в боковом зазоре определяется величиной упругости элемента 5. В результате упругого взаимодействия нарушается устойчивое состояние взаимодействия энергии вихря и элемента 5, что приводит к возбуждению автоколебаний жидкости между ними. При этом автоматически происходят колебания скорости вращения вихря и расхода жидкости из сопла 8. Группа изобретений направлена на повышение интенсивности колебаний расхода. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ генерирования колебаний жидкостного потока, включающий подачу жидкости под давлением, ее закручивание с образованием вихря и стравливание через сопло, а также направление жидкости в магистраль, имеющую упругость, отличающийся тем, что вихрь при его образовании разделяют на центральную и периферийную части, при этом через сопло во внешнюю среду стравливают центральную часть, а его периферийную часть направляют для стравливания, по крайней мере, в одну магистраль, имеющую упругость, снабженную, по крайней мере, одним упругим элементом, в которую под давлением подают дополнительную жидкость.

2. Способ генерирования колебаний жидкостного потока по п. 1, отличающийся тем, что центральную часть вихря дополнительно стравливают через дополнительное сопло.

3. Способ генерирования колебаний жидкостного потока по п. 1, отличающийся тем, что жидкость для образования вихря и дополнительную жидкость подают под одинаковым давлением.

4. Способ генерирования колебаний жидкостного потока по п. 1, отличающийся тем, что дополнительную жидкость подают с величиной сжимаемости большей, чем у жидкости для образования вихря.

5. Способ генерирования колебаний жидкостного потока по п. 1, отличающийся тем, что периферийную часть вихря стравливают одновременно в магистраль, имеющую упругость, снабженную упруго растягивающимся элементом, и в магистраль, имеющую упругость, снабженную упруго сжимающимся элементом.

6. Способ генерирования колебаний жидкостного потока по п. 1, отличающийся тем, что дополнительную жидкость под давлением подают с колебаниями расхода.

7. Способ генерирования колебаний жидкостного потока по п. 1 или 6, отличающийся тем, что дополнительную жидкость подают из сопла другого устройства, генерирующего колебания расхода со средним расходом, меньшим, чем расход закрученной в вихрь жидкости.

8. Способ генерирования колебаний жидкостного потока по п. 1, отличающийся тем, что при подаче жидкости под давлением и закручивании ее с образованием вихря регулируют массу вихря.

9. Гидродинамический генератор колебаний, включающий напорную магистраль, камеру закручивания, снабженную каналами закрутки, сопло, а также магистраль, имеющую упругость, отличающийся тем, что каналы закрутки выполнены тангенциальными и соединены с напорной магистралью, камера закручивания гидравлически связана с соплом и, по крайней мере, с одной магистралью, имеющей упругость, снабженной, по крайней мере, одним упругим элементом, при этом в ней или в камере закручивания установлен дисковый разделитель с боковым зазором для гидравлической связи между ними и, по крайней мере, одна вышеуказанная магистраль соединена с напорной магистралью через дополнительный канал.

10. Гидродинамический генератор колебаний по п. 9, отличающийся тем, что дисковый разделитель снабжен соплом.

11. Гидродинамический генератор колебаний по п. 9, отличающийся тем, что упругий элемент, по крайней мере, в одной магистрали, имеющей упругость, снабженной, по крайней мере, одним упругим элементом, выполнен в виде растягивающейся эластичной оболочки.

12. Гидродинамический генератор колебаний по п. 9, отличающийся тем, что упругий элемент, по крайней мере, в одной магистрали, имеющей упругость, снабженной, по крайней мере, одним упругим элементом, выполнен в виде подпружиненного поршня.

13. Гидродинамический генератор колебаний по п. 9, отличающийся тем, что упругий элемент, по крайней мере, в одной магистрали, имеющей упругость, снабженной, по крайней мере, одним упругим элементом, выполнен в виде замкнутой эластичной оболочки, заполненной средой с большей сжимаемостью, чем среда в напорной магистрали.

14. Гидродинамический генератор колебаний по п. 13, отличающийся тем, что замкнутая эластичная оболочка, заполненная средой с большей сжимаемостью, гидравлически соединена через канал с соплом.

15. Гидродинамический генератор колебаний по п. 10, отличающийся тем, что дисковый разделитель, снабженный соплом, выполнен с возможностью перемещения вдоль его оси.

16. Гидродинамический генератор колебаний по п. 10, отличающийся тем, что дисковый разделитель, снабженный соплом, подпружинен.

17. Гидродинамический генератор колебаний по п. 9, отличающийся тем, что камера закручивания соединена, с возможностью перемещения вдоль ее оси, по крайней мере, относительно одной магистрали, имеющей упругость, снабженной, по крайней мере, одним упругим элементом, и подпружинена.

18. Гидродинамический генератор колебаний по п. 10, отличающийся тем, что дисковый разделитель, снабженный соплом, выполнен с возможностью вращения вокруг своей оси.

19. Гидродинамический генератор колебаний по п. 9, отличающийся тем, что из камеры закручивания, снабженной тангенциальными каналами закрутки, по крайней мере, одной магистрали, имеющей упругость, снабженной, по крайней мере, одним упругим элементом, и, по крайней мере, из одного дискового разделителя с соплом образована ступень, которая, по меньшей мере, дублирована с образованием каскада из ступеней, причем последующая камера закручивания сообщена с соплом предыдущей ступени через магистраль, имеющую упругость, снабженную, по крайней мере, одним упругим элементом, при этом диаметры камеры закручивания, тангенциальных каналов и сопел последовательно увеличены, а дополнительный канал выполнен для первой ступени с наименьшими диаметрами.

20. Гидродинамический генератор колебаний по п. 9, отличающийся тем, что из камеры закручивания, снабженной тангенциальными каналами закрутки, дополнительного канала, по крайней мере, одной магистрали, имеющей упругость, снабженной, по крайней мере, одним упругим элементом, и, по крайней мере, из одного дискового разделителя с соплом образована ступень, которая, по меньшей мере, дублирована с образованием каскада, причем последующая камера закручивания сообщена с соплом предыдущей ступени через магистраль, имеющую упругость, снабженную, по крайней мере, одним упругим элементом, при этом сопла последовательно соединенных ступеней сообщены и имеют общий выход.