ВИХРЕВОЙ ГИДРОДИОД Российский патент 2024 года по МПК F15C1/16 G05D7/01 

Изобретение относится к гидравлической и пневматической технике и может быть использовано при регулировании потоков жидкости и газа преимущественно в гидро- и пневмоавтоматике, а также в системах водоснабжения и транспортировки нефти и газа.

Широко известны вихревые гидродиоды, конструкция которых описана в следующих источниках информации:

- кн. Лебедев И.В. Элементы струйной автоматики/ И.В. Лебедев, С.Л. Трескунов, В.С. Яковенко // М.: Машиностроение, 1973, стр. 10, рис. 3; стр. 252, рис. 114;

- статья Гимаднев А.Г. Исследование характеристик вихревого гидравлического дросселя для систем подготовки проб теплоносителя / А.Г. Гимадиев, А.В. Уткин // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, Т.14, № 4, 2015 г., с. 110, рис. 1б и рис. 2.

- А.С. СССР № 903591 Вихревой диод, 1982 г.;

- А.С. СССР № 1.647.163 Вихревой струйный диод, 1991 г.

- Патент РФ № 2.740.487 Вихревой гидропневматический диод, 2021 г.

и др.

Характерной особенностью этих конструкций является наличие вихревой цилиндрической камеры, соединенной с источником и потребителем газа или жидкости через устройство для образования вихрей и отверстия, соосного с вихревой камерой. При этом устройство для образования вихрей представляет собой канал, расположенный тангенциально по отношению к окружности вихревой камеры.

Недостатком, присущим известным конструкциям, является расположение канала относительно отверстия под углом, близким к 90°, а также большое отношение диаметра вихревой камеры к диаметру соосного с ней отверстия (до 10-ти, 20-ти и более). Это делает конструкцию пространственной и громоздкой, особенно при ее применении в системах с большим расходом газа или жидкости - водопроводные системы, системы газовых и нефтяных магистралей. Это обстоятельство чрезвычайно затрудняет применение вихревых диодов в указанных системах, т.к. они часто прокладываются под землей, по дну рек и водоемов. В то же время вихревые диоды обладают большой (до 30-ти и более) диодностью (отношение прямого потока к обратному) по сравнению с резистивными прямоточными конструкциями, и могут помимо свойств регулирования потоков успешно применяться дли гашения пульсаций жидкостей и газов в трубопроводных системах, в том числе и для предотвращения гидроудара.

Технической задачей изобретения является расширение диапазона применения вихревых диодов в сторону увеличения проходящих по ним потоков жидкости и газа.

Указанная задача решается тем, что в вихревом гидродиоде, содержащем вихревую цилиндрическую камеру, соединенную через подводящие и отводящие трубопроводы с потребителем и источником газа или жидкости, один из которых выполняет функцию устройства для создания вихревого спиралевидного движения газа или жидкости в вихревой камере, а другой выполнен в виде отверстия, соосного с вихревой камерой, согласно изобретению, вихревая камера выполнена в виде отрезка трубы, соосного с подводящим и отводящим трубопроводом, а устройство для образования вихревого спиралевидного движения газа или жидкости расположено внутри этого отрезка трубы.

При этом устройство для образования круговых вихрей выполнено:

- в виде спиральной пластины, вытянутой вдоль оси трубы, а вдоль оси трубы установлена трубка, имеющая заглушенный конец, направленный в сторону подводящего трубопровода, и снабженная вдоль ее оси соплами, направленными к внутренней поверхности трубы;

- в виде Г-образных трубок, имеющих прямые участки и отогнутые концы, и расположенных по окружности вдоль стенок трубы, причем прямые участки соединены с отводящим трубопроводом и имеют разную длину, а отогнутый участок направлен вдоль окружности трубы, а отогнутые концы трубок могут образовывать прерывистую спираль вдоль оси трубы;

- в виде Г-образных трубок, имеющих прямые участки и отогнутые концы, причем прямые участки установлены во втулке, размещенной вдоль оси трубы, и эта втулка имеет открытый торец, соединенный с отводящим трубопроводом, и глухой торец, направленный в сторону подводящего трубопроводам, а отогнутые концы Г-образных трубок направлены вдоль окружности трубы, а отогнутые концы трубок могут образовывать прерывистую спираль вдоль оси трубы;

- в виде размещенной вдоль оси трубы втулки с расположенными по окружности и вдоль ее оси радиальными отверстиями, причем открытый конец втулки соединен с отводящим трубопроводом, а глухой направлен в сторону подводящего трубопровода, и на эту втулку надета рубашка с глухими отверстиями, направленными под острым углом к образующей окружности, оси которых в зоне их глухого конца совпадают с осями отверстий во втулке, а радиальные отверстия во втулке могут быть расположены по ее длине по спирали.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показано сечение вихревого гидродиода со спиральной пластиной внутри трубы, а на фиг. 2 и 3 - направление протекающих через него потоков жидкости или газа в прямом и обратном направлении.

На фиг. 4 и 5 показаны продольное и поперечное сечение диода с Г-образными трубками, а на фиг. 6 и 7 - направление движения по нему жидкости или газа в обратном и прямом направлении.

На фиг. 8, 9 и 10 показаны продольное и поперечное сечение гидродиода с Г-образными трубками, смонтированными во втулке, размещенной внутри трубы, а на фиг. 11 и 12 - направление движения по диоду потоков жидкости или газа в обратном и прямом направлении.

На фиг. 13 и 14 показаны сечения гидродиода в котором направляющие жидкость или газ по окружности каналы образованы во втулке и надетой на нее рубашке.

Вихревой гидродиод (фиг. 1) содержит вихревую цилиндрическую камеру 1, соединенную через подводящий 2 и отводящий 3 трубопроводы с потребителем и источником газа или жидкости. Вихревая камера 1 выполнена в виде отрезка трубы 4, соосного с подводящим 2 и отводящим 3 трубопроводом, а устройство для образования спиралевидных вихрей расположено внутри этого отрезка трубы и выполнено в виде спиральной пластины 5, вытянутой вдоль оси трубы 4, а вдоль оси трубы 4 установлена трубка 6, имеющая заглушенный конец 7, направленный в сторону подводящего трубопровода 2, и снабженная вдоль ее оси соплами 8, направленными к внутренней поверхности трубы 4. Трубка 6 закреплена на перегородке 9, имеющей отверстия 10.

На фиг. 4 показан гидродиод, в котором устройство для образования круговых спиралевидных вихрей выполнено в виде Г-образных трубок 20, имеющих прямые участки 21 и отогнутые концы 22, и расположенных по окружности вдоль стенок трубы 4. Прямые участки 21 установлены на перегородке 9 с отверстием 23 и соединены с отводящим трубопроводом 3. Они имеют разную длину, а отогнутый конец 22 направлен вдоль окружности трубы. Таким образом, в данном примере, отогнутые концы трубок 22 образуют прерывистую спираль 24 вдоль оси трубы. Камера 1 соединена с подводящим трубопроводом 2 через отверстие 25 в перегородке 26.

На фиг. 8, 9 и 10 показан гидродиод, в котором устройство для образования круговых спиралевидных вихрей выполнено в виде Г-образных трубок 30, имеющих прямые участки 31 и отогнутые концы 32. Прямые участки 31 установлены (например, запрессованы) во втулке 33, размещенной вдоль оси трубы 4, и эта втулка 33 имеет открытый торец 35, соединенный с отводящим трубопроводом 3, и глухой торец 36, направленный в сторону подводящего трубопровода 2, а отогнутые концы 32 Г-образных трубок 30 направлены вдоль окружности трубы 4. Отверстие 37 соединяет камеру 1 отводящим трубопроводом 3.

В данном примере отогнутые концы 32 трубок 30 образуют прерывистую спираль 38 вдоль оси трубы 4.

На фиг. 13 и 14 показан гидродиод, в котором устройство для образования круговых спиралевидных вихрей выполнено в виде размещенной вдоль оси трубы 4 втулки 40 с расположенными по окружности и вдоль ее оси радиальными отверстиями 41.

Открытый конец 42 втулки 40 соединен с отводящим трубопроводом 3, а глухой конец 43 направлен в сторону подводящего трубопровода 2. На эту втулку 40 надета рубашка 44 с глухими отверстиями 45, направленными под острым углом β к образующей окружности втулки 40, оси которых в зоне их глухого конца совпадают с осями отверстий 41 во втулке.

В данном варианте конструкции радиальные отверстия 41 расположены во втулке 40 вдоль ее длины по спирали 46.

Вихревой гидродиод, изображенный на фиг. 1, работает следующим образом (фиг. 2 и 3).

При течении рабочего тела (газа или жидкости) в прямом направлении (фиг. 2), основной поток движется ближе к центру, и лишь незначительное его количество попадает на спиральную пластину 5, т.к. скорость потока в центре трубы гораздо выше, чем на периферии, в связи с чем практически вихревое движение не возникает. Незначительная часть жидкости или газа также попадает через сопла 8 в трубку 6 и истекает через отводящий патрубок 3 вместе с основным потоком, который обозначен «жирными» стрелками. В этом случае гидравлическое сопротивление диода минимальное и близко по своему значению к сопротивлению такого же по длине участка трубопровода.

При течении рабочего тела в обратном направлении (фиг. 3) поток делится на две части. Центральная часть, обладающая максимальной скоростью, проникает в трубку 6, а периферийная - через отверстия 10 попадает в зону действия спиральной пластины 5 и начинает двигаться вдоль нее, совершая вращательно-поступательное спиралевидное движение. Этот эффект усиливается тем, что высокоэнергичный поток, истекая из трубки 6 через сопла 8, «расталкивает» поток рабочего тела, направляя его на спиральную пластину 5, увеличивая скорость движения жидкости или газа именно вдоль этой пластины. При этом возникает интенсивное круговое спиралевидное движение рабочего тела вихревого типа, которое сопровождается большим трением частиц рабочего тела, как между собой, так и о стенки трубы 4 и о плоскость пластины 5. Это приводит к возникновению большого гидравлического сопротивления.

Кроме того, вращающийся с большой круговой скоростью поток входит в подводящий трубопровод 2 и продолжает в нем терять энергию на трение до тех пор, пока частицы рабочего тела не начнут двигаться вдоль оси трубопровода прямолинейно. Обычно их путь до «успокоения» потока занимает около 15-ти диаметров трубопровода.

В связи с изложенным, гидравлическое сопротивление гидродиода обратному потоку кратно выше, чем сопротивление прямому потоку.

Гидродиод, изображенный на фиг. 4 и 5, работает следующим образом (фиг. 6 и 7).

При обратном течении потока (фиг. 6) он делится на две части. Поток с большей скоростью (показан прерывистыми стрелками) течет через отверстия 23, а с меньшей скоростью - через трубки 20. Диаметр этих трубок сравнительно большой. Так, например, при диаметре трубы 4 в 1500 мм при типичном диаметре газопроводов и нефтепроводов 1000 мм (диаметр подводящего 2 и отводящего 3 трубопровода) диаметр трубок 20 составляет около 150÷200 мм. При этом значительная часть потока направляется в круговое движение (этот поток показан сплошными стрелками) через отогнутые концы 22 и частично захватывает центральную часть потока, в связи с чем в целом возникает вихревое круговое спиралевидное движение потока, сопровождающееся большим гидравлическим сопротивлением.

При прямом течении потока (фиг. 7) лишь незначительная его часть попадает в отогнутые концы 22, т.к. они расположены поперек течения, в связи с чем кругового вихревого спиралевидного течения не возникает, и гидравлическое сопротивление диода практически равно сопротивлению обычного трубопровода и кратно меньше, чем его сопротивление обратному потоку.

Описанные гидродиоды предполагают наличие конструкций, изготавливаемых с применением сварки и гибочных установок, в связи с чем они могут быть рекомендованы для установки на магистральных трубопроводах больших диаметров - 800÷1000 мм и более.

Гидродиод, изображенный на фиг. 8, 9 и 10, работает следующим образом (фиг. 11 и 12).

При обратном потоке (фиг. 11) поток рабочего тела, прошедший через отводящий трубопровод 3, делится на две части. Одна часть попадает через отверстие 37 во втулке 33 в периферийную зону трубы 4, а другая - в отверстие втулки 33, откуда она истекает через отогнутые концы 32 трубок 30 в камеру 1, двигаясь по окружности, и образуя вихревое движение в этой камере. Это движение жидкости «подхватывает» поток, прошедший в камеру 1 через отверстие 37, и также заставляет его двигаться по окружности в спиралевидном вихревом движении. Далее вихревой поток попадает в подающий трубопровод 2, где продолжает (как описано выше) вихревое спиралевидное движение.

Результатом такой работы является возникновение большого гидравлического сопротивления протекающему через диод потоку.

При движении рабочего тела в прямом направлении (фиг. 12), оно обтекает глухой торец 36 втулки 33 и выступающие в камеру 1 трубки 30 и сразу движется к отверстию 37 и далее - в отводящий трубопровод 3. Незначительная часть жидкости попадает через трубки 30 в отверстие втулки 33 и также истекает в трубопровод 3. При этом спиралевидных вихревых движений не возникает, и гидравлическое сопротивление прямому потоку практически равно сопротивлению обычного трубопровода.

Работа гидродиода, изображенного на фиг. 13 и 14 аналогична работе диода, изображенного на фиг 8, 9 и 10.

Конструкции гидродиода, изображенного на фиг 8, 9 и 10 может быть рекомендована для установки в трубопроводных системах с диаметром труб порядка 500÷800 мм, т.к. она не содержит сложных сварных элементов.

Гидродиод, изображенный на фиг. 13 и 14 имеет чрезвычайно компактную конструкцию и может быть установлен в трубопроводных системах с диаметром менее 500 мм вплоть до диаметров труб, используемых в машиностроительных конструкциях и в домовом хозяйстве.

В предложенных вариантах конструкций вихревых гидродиодов вход и выход рабочего тела осуществляется в одной оси, а сами гидродиоды практически представляют собой сравнительно небольшое утолщение основного трубопровода, в котором диоды смонтированы. Это делает конструкцию чрезвычайно компактной и удобно встраиваемой в трубопроводные системы практически любых диаметров, что позволяет существенно расширить диапазон применения вихревых гидродиодов в трубопроводных системах любого назначения.

Изобретение относится к гидравлической и пневматической технике и может быть использовано при регулировании потоков жидкости и газа преимущественно в гидро- и пневмоавтоматике, а также в системах водоснабжения и транспортировки нефти и газа. Вихревой гидродиод содержит вихревую цилиндрическую камеру (10), соединенную через подводящий (20) и отводящий (3) трубопроводы с потребителем и источником газа или жидкости. Вихревая камера (1) выполнена в виде отрезка трубы (4), соосного с подводящим (2) и отводящим (3) трубопроводом, а устройство для образования спиралевидных вихрей расположено внутри этого отрезка трубы и выполнено в виде спиральной пластины (5), вытянутой вдоль оси трубы (40, а вдоль оси трубы (4) установлена трубка (6), имеющая заглушенный конец (7), направленный в сторону подводящего трубопровода (2), и снабженная вдоль ее оси соплами (8), направленными к внутренней поверхности трубы (4). Трубка (6) закреплена на перегородке (9), имеющей отверстия (10). В результате большого трения между слоями рабочей среды и между ней и поверхностью камеры (1) образуется значительное гидравлическое сопротивление, кратно уменьшающее обратный поток. Повышается компактность вихревого диода и удобство встраивания его в трубопроводные системы, особенно в магистральные трубопроводы. 7 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Вихревой гидродиод, содержащий вихревую цилиндрическую камеру, соединенную через подводящие и отводящие трубопроводы с потребителем и источником газа или жидкости, один из которых выполняет функцию устройства для создания вихревого спиралевидного движения газа или жидкости в вихревой камере, а другой выполнен в виде отверстия, соосного с вихревой камерой, отличающийся тем, что вихревая камера выполнена в виде отрезка трубы, соосного с подводящим и отводящим трубопроводом, а устройство для образования вихревого спиралевидного движения газа или жидкости расположено внутри этого отрезка трубы.

2. Вихревой гидродиод по п. 1, отличающийся тем, что устройство для создания вихревого спиралевидного движения газа или жидкости в вихревой камере выполнено в виде спиральной пластины, вытянутой вдоль оси трубы, а вдоль оси трубы установлена трубка, имеющая заглушенный конец, направленный в сторону подводящего трубопровода, и снабженная вдоль ее оси соплами, направленными к внутренней поверхности трубы.

3. Вихревой гидродиод по п. 1, отличающийся тем, что устройство для создания вихревого спиралевидного движения газа или жидкости в вихревой камере выполнено в виде Г-образных трубок, имеющих прямые участки и отогнутые концы и расположенных по окружности вдоль стенок трубы, причем прямые участки соединены с отводящим трубопроводом и имеют разную длину, а отогнутый участок направлен вдоль окружности трубы.

4. Вихревой гидродиод по п. 3, отличающийся тем, отогнутые концы трубок образуют прерывистую спираль вдоль оси трубы.

5. Вихревой гидродиод по п. 1, отличающийся тем, что устройство для создания вихревого спиралевидного движения газа или жидкости в вихревой камере выполнено в виде Г-образных трубок, имеющих прямые участки и отогнутые концы, причем прямые участки установлены во втулке, размещенной вдоль оси трубы, и эта втулка имеет открытый торец, соединенный с отводящим трубопроводом, и глухой торец, направленный в сторону подводящего трубопроводам, а отогнутые концы Г-образных втулок направлены вдоль окружности трубы.

6. Вихревой гидродиод по п. 5, отличающийся тем, что отогнутые концы трубок образуют прерывистую спираль вдоль оси трубы.

7. Вихревой гидродиод по п. 1, отличающийся тем, что устройство для создания вихревого спиралевидного движения газа или жидкости в вихревой камере выполнено в виде размещенной вдоль оси трубы втулки с расположенными по окружности и вдоль ее оси радиальными отверстиями, причем открытый конец втулки соединен с отводящим трубопроводом, а глухой направлен в сторону подводящего трубопровода, и на эту втулку надета рубашка с глухими отверстиями, направленными под острым углом к образующей окружности, оси которых в зоне их глухого конца совпадают с осями отверстий во втулке.

8. Вихревой гидродиод по п. 7, отличающийся тем, что радиальные отверстия во втулке расположены по ее длине по спирали.