Прямоточный вихревой эжектор с вращающимися циклонами Российский патент 2024 года по МПК F02B27/04 F01N1/08 

Изобретение относится к машиностроению, а именно автомобильной, нефтяной, строительной, трубопроводной, авиационной и иным связанным с движением газовых и жидких сред областей промышленности, и может быть использовано в системах линейных и площадочных трубопроводов газа и нефти, в системах подачи воздуха и удаления выхлопных газов ДВС, в качестве лидерной ступени компрессоров авиационных двигателей и в иных газодинамических машинах для снижения расхода энергии при перемещения сред, а также снижения воздействия энергопотребляющих машин на окружающую среду.

Известен «Ускоритель потока выхлопных газов для двигателя внутреннего сгорания и устройство для охлаждения двигателя потоком всасываемого воздуха» (патент ЕПВ 0323039, кл. F01N 1/08, 1991). Для выхлопной магистрали, соединенной одним концом с выхлопной системой двигателя внутреннего сгорания и сообщающейся другим концом с атмосферой, предусмотрен ускорительный блок, содержащий цилиндрический корпус с размещенными внутри него крыловидными профильными вставками. Ускорительный блок, использующий энергию потока выхлопных газов, увеличивает скорость потока.

Недостатком известного ускорителя является относительно низкий КПД повышения мощности и экономичности двигателя, обусловленный созданием дополнительного сопротивления прохождению потока газов, так как площадь поперечного сечения входа ускорительного блока равна площади поперечного сечения его выхода. Кроме того, эжекция атмосферного воздуха используется для охлаждения двигателя внутреннего сгорания и не направлена на увеличение скорости потока выхлопных газов. Предложенный к рассмотрению аналог не использует в своем техническом решение свойство закрученных воздушных струй. Аналог применим только в автомобильной промышленности.

Следующим аналогом в предлагаемому техническому решению является близкий по техническому решению «Ускоритель потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания с эжектором» (патент RU 2059839, кл. F01N 1/08, F02B 27/04, 1996).

В известном ускорителе потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания с эжектором, содержащем выпускной трубопровод, соединенный с одной стороны при помощи переходника с выпускной системой, а с другой - через раструб с атмосферой, и ускорительный блок, расположенный между переходником и внутренней поверхностью раструба, ускорительный блок выполнен в виде конуса, установленного за переходником вдоль оси трубопровода с вершиной, обращенной в сторону движения потока выхлопных газов, на внешней стороне конуса выполнены проточные каналы выхлопных газов и дополнительные вторичные каналы эжектируемого воздуха, причем поперечное сечение проточных каналов в направлении от вершины конуса к торцу преобразуется из треугольного в трапецеидальное соответственно, а треугольные поперечные сечения получены делением площади поперечного сечения на П секторов (П>2), эжектор образован кольцевой профильной щелью, между внутренней поверхностью раструба в месте сопряжения его с торцом конуса и внешними поверхностями проточных каналов и дополнительными каналами вторичного эжектируемого воздуха, а раструб выполнен в виде усеченного конуса со скругленной передней кромкой, обращенной в сторону движения потока газов, а также тем, что проточные каналы выполнены по спирали, кроме того, площадь поперечных сечений дополнительных каналов в направлении от торца конуса у его вершине выполнены уменьшающимися до нуля, а проточные каналы жестко соединены с поверхностями конуса, раструба и переходника, при этом выходное сечение раструба выполнено в виде сопла Лаваля.

Недостатками данного устройства являются относительно низкий уровень повышения мощности и экономичности двигателя или дизеля, обусловленный предложенной системой закрутки потока выхлопных газов и входящего потока атмосферного воздуха, вызывающей дополнительное сопротивление прохождению потока выхлопных газов, усложнение конструкции самого ускорителя, а также возможность реализации в данном устройстве ограниченного количества проточных каналов выхлопных газов. Аналог не применим в авиационной, нефтяной, трубопроводной, строительной иных отраслях народного хозяйства

Наиболее близким по решению задачи улучшения параметров движения жидкостных и газовых потоков, как в замкнутых, так и в открытых средах, с целью экономии топлива и охраны окружающей среды является техническое решение по патенту РФ №2804988 «Эжектор выхлопных газов». (кл. F02B 27/04 приоритет от 18.10.2022)

Прототип относится к автотракторной технике и может быть использован в устройствах выхлопа двигателей внутреннего сгорания и дизелей, а также на приемном коллекторе воздушного тракта. Конический корпус «Эжектора выхлопных газов» (ЭВГ) насаживается на оконечность выхлопной трубы большим сечением навстречу воздушному потоку. В меньшем по площади, тыльном сечении, выполнен кольцевой уступ с отверстиями, через которые трижды закрученный в жгуты атмосферный воздух воздействует на выхлопные газы ДВС, выходящие с естественной скоростью из выхлопного коллектора через переходную втулку за срез оконечности выхлопной трубы по центру трижды закрученного воздушного потока. Встречный воздушный поток из-под кузова автомобиля захватывается раструбом конического корпуса и закручивается: в первый раз - пластинчатыми отклонителями, закрепленными к внутренней поверхности корпуса. Далее, первично закрученный поток воздуха входит в циклоны, установленные по окружности, между коническим корпусом и переходной втулкой под острым углом к воздушному потоку делится на отдельные струи, по числу циклонов и каждая из воздушных струй повторно закручивается вокруг своей оси. Третья закрутка воздушных струй вокруг своей оси осуществляется внутри каждого цилиндрического циклона выполненного в виде тонкостенного полого конуса, внутри которого под острым углом к его оси установлены отклоняющие пластины. Таким образом за срезом трубы коллектора образуется устойчивый само подкручиваемый вихрь состоящий из вращающихся вокруг своих осей воздушных струй-жгутов.

Технический результат, предлагаемого в качестве прототипа устройства «Эжектора выхлопных газов», можно существенно расширить и основные технические решения по патенту РФ N 2804988 после приданию ему дополнительных признаков распространить на другие отрасли промышленности.

Задачей предлагаемого технического решения «Прямоточный вихревой эжектор с вращающимися циклонами» (ПВЭ) является экономия энергии и охрана окружающей среды за счет повышение скорости и плотности воздушных, газовых и жидкостных потоков в закрытых и открытых многофазных динамических системах в условиях беспрерывного воздействия на фронтальную поверхность ПВЭ ламинарных скоростных потоков разных сред, с образованием за тыльной поверхностью ПВЭ само поддерживающееся, высокоскоростного, упорядоченно трижды закрученного, потока среды из воздуха, углеводородного и иных газов, а так же жидких многофазных сред.

Поставленная задача решается разделением на отдельные струи (жгуты)набегающего на фронтальную поверхность ПВЭ ламинарного встречного потока воздуха и последующей их троекратной закрутки вокруг своих осей внутри вращающихся циклонов

Возможность достижения требуемого результата показана ниже. В закрученных потоках жидкости и газа скорости их движения направлены по концентрическим круговым линиям тока и обратно пропорциональны радиусу вихря. Эти потоки можно рассматривать в качестве эффективных концентраторов кинетической энергии: примером такого вихревого потока являются природные закрученные течения, например, атмосферные смерчи и океанические «ринги», обладающие малой диссипацией энергии и высокой устойчивостью по отношению к внешним воздействиям, и, конечно, «вихревые трубы». Способность «вихревой трубы» к само вакуумированию позволяет использовать ее в качестве вакуумирующего, эжектирующего устройства. Создаваемый «вихревой трубой» вакуум обеспечивает интенсивный отсос газов и жидкостей из вакуумируемого объема. При этом величина создаваемого вакуума зависит от трех факторов: абсолютного давления Р_атм, разницы между скоростями активной и пассивной части потоков и их объемов. Все перечисленные факторы существенно влияют на увеличение отрицательного давления за тыльной частью эжектора и, соответственно, увеличивает выходную скорость среды, проходящей через АВК, что, в свою очередь, усиливает эжекцию потока атмосферного воздуха (Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. - Самара: ООО «Полиграфист», 1997)

Сущность предлагаемого изобретения показана на Фиг. 1 «Установка ПВЭ в линейной части трубопроводного транспорта». ПВЭ смонтирован внутри уширенного фланцевого патрубка. На Фиг. 2 - вид во фронт потоку среды, на Фиг. 3 - вид с тыла. На Фиг. 4 показано «Применение ПВЭ в авиационной промышленности в качестве лидирующей ступени ТРД установленной на жестких связях». На Фиг. 4 показана «Установка ПВЭ внутри приемного воздушного коллектора две».

Многосредный, прямоточный вихревой эжектор (ПВЭ) 1. (Фиг. 1, 2, 3, 4) изготовлен в виде конического корпуса 2 и установлен фронтальной площадью 3, к входу среды в динамические тепловые машины 4, в створе набегающего потока 5. Внутри конического корпуса 2, соосно, жестко, при помощи отклоняющих фронтальных 6 и тыльных 7, отклоняющих пластин, размещен центральный цилиндрический канал 8. Кольцевая сборка 9 (Фиг. 1), конических циклонов 10, внутренней стороной сопрягается с двумя радиально упорными подшипниками 11, насаженными на поверхность цилиндрического канала 8. Фронтальные и тыльные отклоняющие пластины 6,7 расположены под острым углом к набегающему потоку среды 5, между коническим корпусом 2 и центральным цилиндрическим каналом 8. Внутри конических циклонов 10, под острым углом к набегающему потоку 5, закреплены отклоняющие пластины 12. Основания фронтальных и тыльных отклоняющих пластин 6,7, жестко закреплено к цилиндрическому центральному каналу 8, а противоположные оконечности пластин 6,7 вставлены и закреплены в пазах 13, цилиндрического корпуса 2. К внутренней поверхности центрального цилиндрического канала 8, жестко, под острым углом к створу потока 5, закреплены отклоняющие пластины 14. Конические циклоны 10, закреплены между собой и к радиально-упорным подшипникам 11, под углами в двух плоскостях, с возможностью вращения кольцевой сборки конических циклонов 9, внутри конического корпуса 2. Отклоняющие, фронтальные 6 и тыльные 7 пластины, размещенные внутри конического корпуса 2, отклоняющие пластины 14, циклонов 10 и сами циклоны 10, размещены таки образом, что вращают среду в одном направлении, а отклоняющие пластины 14, размещенные внутри центрального цилиндрического канала 8, вращают среду в противоположном направлении (Фиг. 1, 3, 4, 5). Количество отклоняющих пластин, размещенных внутри конического корпуса 2 (поз. 6, 7), внутри циклонов 10 (поз. 12) и внутри центрального канала 8 (14) - четно, а их острые углы, к потоку входящей среды, по мере ее продвижения внутрь «Многосредного, прямоточного вихревого эжектора» 1 - увеличиваются. Результатом работы МПВЭ является троекратно, упорядоченно закрученный, скоростной активный поток среды 15, образованный вращающейся кольцевой сборкой 9, конических циклонов 10, выходящей с тыльной стороны конического корпуса 2. «Многосредный прямоточный вихревой эжектор», модернизированный под разные среды без изменения основных признаков, может быть установлен в линейную или технологическую часть трубопроводов различных диаметров внутри патрубка 16 (Фиг. 1), на фланцевых соединениях 17, а также используя обтекатели 18, в качестве лидирующей насадки, установленной на жестких связях 19, к авиационным реактивным двигателям(Фиг. 4) и для установки в воздушный коллектор 20 (Фиг. 5), для подачи избыточного количества воздуха в ДВС.

Работа многосредного прямоточного, вихревого эжектора 1 происходит следующим образом. Встречный, ламинарный поток 5, захватывается фронтальной площадью 3, конического корпуса 2, сжимается в конусе корпуса 2 и закручивается отклоняющими пластинами 6, внутри конического корпуса 2. Далее, поток среды движется в кольцевом объеме между цилиндрической каналом 8 и сужающими внутренними стенками конического корпуса 2. Конические циклоны 10, однократно закрученный поток среды 5, разделяют на троекратно закрученные жгуты 15. Троекратное закручивание осуществляет вращающаяся на подшипниках 11, кольцевая сборка 9, выполненная из циклонов 10, каждый из которых установлен под двумя острыми углами к оси конического корпуса 2. Дополнительное вращение вокруг своей оси внутри циклона 10, задают отклоняющие пластины 12, жестко закрепленные к внутренним стенкам циклонов. Вращающаяся сборка циклонов 9, снижает лобовое сопротивление ПВЭ ламинарно движущемуся потоку 5, а так же дополнительно закручивает поток среды увеличивая скорость ее истечения из циклонов 10. Отклоняющие фронтальные и тыльные пластины 7, 8, закрепленные к внутренней поверхности конического корпуса 2, пластины циклонов 12 и сами циклоны 10, размещены таки образом, что вращают среду в одном направление, а отклоняющие пластины 14, размещенные внутри центрального цилиндрического канала 8, вращают среду в противоположном направлении. Пассивная среда, движущаяся по центральному цилиндрическому каналу 8 закручена отклоняющими пластинами 14 одиножды, отделена от активной среды стенками центрального цилиндрического канала 8 и окружена на выходе из МПВЭ трижды закрученными жгутами активной среды 15. Частицы активной среды движутся на периферии со значительно большей скоростью, вследствие троекратной закрутки и вращения цилиндрической сборки 9, в сравнении с пассивной средой движущейся в цилиндрическом канале 8. В соответствии с законом неразрывности сред, в МПВЭ возникает эжектирующая сила, беспрерывно ускоряющая пассивную среду до скорости активной. Вращение жгутов активной среды 15, окружающих пассивную среду, выходящую из центрального цилиндрического канала 8, входит в зацепление с вращением пассивной среды движущейся с малой скоростью, раскручивает ее и беспрерывно эжектирует, увеличивая ее линейную и тангенциальную скорость. Подпор давления перед МПВЭ, ускорение среды внутри и за МПВЭ позволяет длительное время поддерживать вихревую эжекцию, возникающий от работы «Прямоточного вихревого эжектора». Трижды вращаемая активная среда без механических движителей и дополнительных источников энергии позволяет увеличить скорость потока пассивной среды, понизить температуру жгутов выходящих с циклонов 10 и уменьшить давление за тыльной частью ПВЭ. Энергия для работы динамического вихревого эжектора беспрерывно извлекается из тепла трансформируемой в нем среды, которая посредством эжекции, увеличивает скорость, охлаждается и всасывает(эжектирует) набегающие в ПВЭ объемы среды.

Предлагаемый в качестве изобретения «Многосредный прямоточный вихревой эжектор» найдет применение в разных отраслях промышленности.

Нефтегазовой промышленности существует проблема охлаждения газа до точки росы, данную проблему решают применением 3- S сепарации или низкотемпературной конденсации НТК. Установка МПВЭ помещенного во фланцевый патрубок и его монтаж в трубопровод перед 3-S сепаратором или колонной деметанизации К-1, в технологии НТК, позволит понизить температуру углеводородного сырья до больших величин, разгрузит работу компрессорного оборудования на КС и ДКС и повысит качество ШФЛУ - конечного продукта технологических установок.

В авиационной промышленности установка МПВЭ жестко, соосно и впереди турбореактивного двигателя самолета позволит увеличить количество воздушной среды, поступающей в ТРД. Попутное вращение воздуха, заданное МПВЭ авиационной турбине, позволит получить избыток тяги без расхода топлива.

В автомобильной промышленности установка МДВЭ перед воздухозаборником позволит подавать большее количество воздуха в ед. времени для работы ДВС, что увеличит КПД двигателей. Установка прототипа ПВЭ, в качестве функциональной насадки на оконечность выхлопной трубы автомобиля, позволила на практике экономить бензин и оптимизировать работу ДВС. (Патент РФ №2404988).

Применение теплового эжектирующего насоса, реализуемого в «Прямоточном вихревом эжекторе с вращающимися циклонами» в нефтегазовой, трубопроводной, авиационной, и автомобильной технике, позволит получить экономический эффект, который может составить миллиарды рублей.

ПОЗИЦИИ

1. Прямоточный вихревой эжектор с вращающимися циклонами. (ПВЭ).

2. Конический корпус ПВЭ.

3. Фронтальная площадь ПВЭ.

4. Динамические тепловые машины.

5. Створ набегающего потока.

6. Фронтальные отклоняющие пластины

7. Тыльные отклоняющие пластины ПВЭ.

8. Центральный цилиндрический канал.

9. Кольцевая сборка конических циклонов. (Фиг. 1)

10. Конические циклоны.

11. Радиально упорные подшипники.

12. Отклоняющие пластины циклонов.

13. Пазы в коническом корпусе.

14. Отклоняющие пластины центрального цилиндрического канала ПВЭ.

15. Троекратно закрученные жгуты текущей среды

16. Патрубок трубопровода.

17. Фланцевое соединение.

18. Обтекатели ТРД самолета.

19. Жесткая связь ПВЭ с ТРД

20. Воздушный коллектор ДВС.

Изобретение может быть использовано в системах линейных и площадочных трубопроводов газа и нефти, в системах подачи воздуха и удаления выхлопных газов ДВС, в качестве лидерной ступени компрессоров авиационных двигателей и иных газодинамических машинах для снижения расхода энергии для перемещения сред, а также снижения воздействия энергопотребляющих машин на окружающую среду. Конический корпус прямоточного вихревого эжектора с вращающимися циклонами (ПВЭ) монтируют внутри фланцевого патрубка или авиационной гондолы большим сечением навстречу воздушному потоку. Многосредный эжектор трижды упорядоченно закручивает в жгуты атмосферный воздух, газ или жидкость в технологических или линейных трубопроводах, перед авиационной турбиной или ДВС. Ламинарный поток захватывается раструбом конического корпуса и закручивается пластинчатыми отклонителями, закрепленными к внутренней поверхности корпуса. Далее первично закрученный поток воздуха входит в сборку циклонов, установленных на подшипниках по окружности, с возможностью вращения внутри конического корпуса ПВЭ. Среда между коническим корпусом и центральным каналом делится на отдельные струи по числу циклонов, и каждая из воздушных струй повторно закручивается вокруг своей оси. Третья закрутка воздушных струй вокруг своей оси осуществляется внутри каждого циклона, выполненного в виде тонкостенного полого конуса, внутри которого под острым углом к его оси дополнительно установлены отклоняющие пластины. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Прямоточный вихревой эжектор с вращающимися элементами, содержащий конический корпус в виде полого усеченного конуса, установленный в створе набегающего потока среды, отличающийся тем, что состоит из конического корпуса в виде усеченного конуса, закрепленного соосно внутри конического корпуса цилиндрического канала, радиально упорных подшипников, посаженных на цилиндрический канал, фронтальных и тыльных отклоняющих пластин, расположенных под острым углом к набегающему потоку среды между коническим корпусом и цилиндрическим каналом, основание которых жестко закреплено к цилиндрическому каналу, а другой конец пластин вставлен в пазы цилиндрического корпуса, отклоняющих пластин, закрепленных под острым углом к внутренним стенкам цилиндрического канала, кольцевой сборки полых конических циклонов, закрепленных под двумя острыми углами к наружным обоймам радиально-упорных подшипников и друг к другу с возможностью вращения внутри цилиндрического корпуса и размещенных внутри конических циклонов, под острым углом к потоку среды, отклоняющих пластин конических циклонов.

2. Прямоточный вихревой эжектор по п. 1, отличающийся тем, что отклоняющие пластины размещенные внутри конического корпуса, отклоняющие пластины циклонов и сами циклоны размещены таким образом, что вращают среду в одном направлении, а отклоняющие пластины, размещенные внутри центрального цилиндрического канала, вращают среду в противоположную сторону.

3. Прямоточный вихревой эжектор по п. 1, отличающийся тем, что количество отклоняющих пластин, размещенных внутри конического корпуса, внутри центрального канала, внутри циклонов и самих циклонов, четно, а их острые углы к потоку входящей среды, по мере ее продвижения внутрь многосредного прямоточного вихревого эжектора, увеличиваются.