ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ ПРЕВРАЩЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ КАПЕЛЬНЫХ, ПАРООБРАЗНЫХ И ГАЗООБРАЗНЫХ ЖИДКОСТЕЙ В ЭНЕРГИЮ ДАВЛЕНИЯ Советский патент 1925 года по МПК F03B11/02 

Настоящее изобретение касается улучшения сопел, употребляемых в водяных турбинах, центробежных насосах, водоструйных и пароструйных воздуходувках, там, где энергия скорости текущих жидкостей превращается в энергию давления.

Для этой цели до сих пор употреблялись снаряды, имеющие форму конусообразных труб, постепенно расширяющихся в направлении тока жидкости. Средняя линия струи сопла в этих снарядах - прямая, так что в сопле текущая струя жидкости существенно не отклоняется от ее первоначального направления. Опыты показали, что угол наклонения производящей этого конического сопла не должен быть большим, так как в противном случае жидкость отделяется от стенок трубы и вследствие этого желаемое превращение энергии достигается не вполне. Увеличение длины сопла вызывает большие потери энергии от трения жидкости о стенки трубы и, кроме того, сопло большой длины усложняет и удорожает постройку и делает ее иногда невыполнимой.

Настоящее предложение имеет целью устранить вышеописанные недостатки. Эта цель достигается применением отклоняющей стенки. При помощи этой стенки струя жидкости отклоняется от направления впуска и принуждается расширяться параллельно отклоняющей стенке. Это обстоятельство позволяет расширить поперечное сечение выходного отверстия сопла до размеров, превышающих употребляемые до сих пор, без опасения, что струя жидкости отделится от стенок сопла. Значительное расширение поперечного сечения выходного отверстия сопла сравнительно с впускным отверстием понижает скорость выхода в сравнении со скоростью впуска, результатом чего и является большое превращение энергии.

Под словом жидкость следует понимать не только жидкое, парообразное или газообразное тело, но также каждое смешение таковых.

Фиг. 1 должна служить для объяснения плохого действия до сих пор употребляемых сопел при небольшой длине самого сопла. На чертеже показаны два наполненные жидкостью сосуда А и В, отделенные друг от друга стенкою, снабженною отверстием. Если давление жидкости в сосуде А превышает давление в сосуде В, то жидкость станет перетекать из первого сосуда во второй, причем в сосуде А в пространстве до канала F энергия давления превращается в энергию скорости, т.е. жидкость начинает вытекать. Это превращение происходит почти без потери и представлено линиями тока I, 2 и 3, которые могут быть сделаны видимыми при помощи примеси к жидкости посторонних тел. В сосуде В следовало бы ожидать такого же превращения в обратном смысле: энергия скорости должна превращаться в энергию давления, которое должно было бы распространяться по кривым Iⁱ и 2¹, симметрично расположенным относительно выходного отверстия, но практический опыт показывает, однако, что это не осуществляется. Струя, покидая сечение F, расширяется лишь немного, приблизительно как показано кривыми I′′, 2′′, 3′′, вследствие чего понижение скорости струи только незначительное. Между тем по сторонам конусообразной струи появляются вихри С′, С′, показанные на фигуре 1, которые и причиняют вышеназванные потери энергии. Таким образом, незначительное расширение струи, выходящей из отверстия указывает что уклону стенок сопла, фиг. 2, можно придавать только незначительный угол наклонения приблизительно в 10°, так как в противном случае в канале появляются вихри. Поэтому, при данной длине сопла и при данном поперечном сечении впуска ƒ, можно достичь только определенного расширения поперечного сечения выпускного отверстия. Всякое увеличение поперечного сечения выпускного отверстия, превышающее эту максимальную величину, вызывает появление вихрей и с ними связанных потерь энергии.

Вышеописанные потери устраняются, несмотря на огромное увеличение выпускного отверстия и незначительную длину сопла, при помощи, предлагаемого устройства отклоняющей стенки, заставляющей, вступающую в сопло струю, расширяться параллельно последней, как показано на фиг. 3 и 4. На фиг. 3 представлены две стенки CD и DG, наклоненные друг к другу под углом β. Пересечение этих стенок в точке D закруглено радиусом r. Струя жидкости, идущая по стенке CD в направлении X, принуждается стенкой DG отклоняться и продолжать свой путь в направлении Y. Так как при всяком движении тела по кривому пути появляются центробежные силы, направленные перпендикулярно к кривой пути, то в окрестности закругления должно наступить значительное увеличение давления. Это увеличение давления причиняет значительное расширение струи параллельно отклоняющей стенке DG и текущая струя покидает сопло, достигая очень значительного расширения в¹ (фиг. 4). Произведенные опыты показали, что расширение струи, определяемое углом δ (фиг. 4), увеличивается с уменьшением радиуса кривизны закругления у точки D и с приближением угла отклонения β к прямому углу. Опыты показали также, что поверхность mn₁ (фиг. 3) отклоненной струи образует при помощи стенки D-С слабо изогнутую кривую, радиус которой больше радиуса кривизны при точке D. На основании этого следовало бы стенкам коленчатой трубы придать форму, соответствующую такому естественному течению, что, однако, во всех применяемых до сих пор коленчатых трубах не делалось. Если струя жидкости заключена между отклоняющей стенкой CDG и ей противолежащей (фиг. 3), а по сторонам между боковыми стенками D-t и u-w (фиг. 4), то она расширяется, главным образом, параллельно отклоняющей стенке С-D-G и только незначительно или совсем непараллельно обоим боковым стенкам. В том случае, если выпускное отверстие помещено над уровнем воды, жидкость принимает свободную поверхность mn₁ (фиг. 3). Если же выпускное отверстие сопла будет помещено под уровнем воды, то жидкость заполнит воздушное пространство nmn₁, так как находящийся в нем воздух вытеснится текущей жидкостью. В сопле образуется новое течение, признаком которого является наполнение сопла жидкостью во всех его сечениях. Находящаяся в пространстве n-m-n₁ жидкость захватывается вследствие ее касательного напряжения (вязкости) текущими слоями жидкости и, так как с приращением длины увеличивается также и ширина сопла, то достигается такое уравнение скорости, что можно с достаточной точностью говорить о постоянной скорости истечения во всех сечениях выпускного отверстия сопла. В таком случае, линия X-Y (фиг. 3) представляет, приблизительно, среднюю линию тока в сопле.

В формах сопел, до сих пор употребляемых, при применении вышеописанной отклоняющей стенки, угол расширения допускался, приблизительно, до 10°, этот угол можно увеличить без опасения отделения струи жидкости от боковых стенок, т.к. расширение струи достигается и без применения боковых стенок, следовательно, только при помощи отклоняющей стенки. При помощи отклоняющей стенки достигается расширение выпускного отверстия, следовательно, увеличение поперечного сечения последнего в отношении к поперечному сечению впускного отверстия сопла, благодаря этому достигается значительное понижение скорости выхода жидкости, а поэтому получается большое превращение энергии скорости в энергию давления.

Так как в настоящем изобретении центробежная сила заставляет струю расшириться, то чем больше должен быть желаемый угол δ расширения струи (фиг. 3), тем круче (внезапнее) должно происходить изменение направления слоев жидкости вдоль отклоняющей стенки. При большом угле расширения струи рекомендуется взять радиус кривизны, фиг. 3, малым, чтобы увеличить в окрестности точки D обусловленное повышение давления. Из этого следует также, что полному упразднению закругления угла у точки D никаких препятствий не имеется.

В технической литературе существует мнение, что подобный угол причиняет потери от удара, однако, это мнение опровергается новейшим взглядом, основанным на теории двухдименсионального течения, а также результатами новопроизведенных опытов. Эти исследования показывают, что в окрестности такого угла находятся наименьшие скорости и наибольшие давления, поэтому эти низкие скорости, достигающие в геометрическом угле нуля, не могут служить причиной потерь, заслуживающих внимания. Особенно большое значение для уменьшения сопротивления течению имеет слабое искривление противолежащей стенки m-n (фиг. 3). Так как жидкость обладает в окрестности точки D наибольшим давлением и наименьшей скоростью, то следует ожидать наименьшее давление и наибольшую скорость в окрестности точки Е. Поэтому, в окрестности точки Е следует опасаться парообразования, отделения воздуха и отделения струи жидкости от стенок сопла. Подобные превращения энергии, вредящие ходу течения, очень часто встречаемые в употребляемых формах сопел, могут, быть значительно понижены или же совсем устранены при помощи придания кривизне стенки m-n большего радиуса, чем радиус кривизны отклоняющей стенки. Поэтому в сопле, на основании настоящего предложения, это условие выполняется тем, что наименьший измеряемый радиус кривизны r отклоняющей стенки, фиг. 3, делается равным или меньшим, чем наименьший радиус R ей противулежащей стенки.

Что касается профилирования отклоняющей стенки С-D-G, фиг. 3, то в простых случаях можно части D-С придать форму плоскости, которая, в случае закругления при D, переходит в цилиндрическую поверхность, образующие которой перпендикулярны к соответствующей средней линии тока. Вышесказанное касается также и противулежащей ей стенке, ограничивающей струю поверхностью m-Е-n. Боковым же стенкам s-t и u-w проще всего придать форму поверхностей, направляющие линии (директрисы) которых совпадают с линиями тока. Для достижения желаемого расширения струи, обе боковые стенки должны расходиться по направлению к выходному отверстию сопла. На основании этих исследований построенное сопло представлено в вертикальном разрезе на фиг. 7 и в горизонтальном разрезе на фиг. 8. В этом случае, чтобы достичь правильного расширения струи, должны оба радиуса кривизны r и R быть равными друг другу или же меньший радиус должен принадлежать кривизне отклоняющей стенки. На фиг. 9 представлено поперечное сечение выходного отверстия сопла, углы которого могут быть закруглены ƒ₂, фиг. 10. Этому сечению можно придать также форму овала ƒ₃, как показано на фиг. 10. Входящая струя большей частью имеет круглое поперечное сечение, но может быть и четырехугольного.

При постановке водяных турбин и насосов требуется нередко достичь действительно успешного превращения скорости в напор на возможно коротком пути, следовательно, при незначительной длине сопла.

Желаемое расширение струи, обыкновенно, достигается, без применения простенков, но в том случае, когда ширина В, фиг. 11, отклоняемой струи значительно больше длины l отклоняющей стенки, можно применением простенков достичь особенно большого расширения струи, даже в частях сопла, лежащих в окрестности стенки.

На фиг. 11 и 13 показана пунктиром расширяющая струю стенка (простенок) m₀-n₀, которой для простоты придана форма цилиндрической поверхности, производящая линия которой перпендикулярна к направляющей линии. Ввиду того, что угол расширения струи тем больше, чем острее изгиб отклоняющей стенки, следует брать радиус кривизны простенка ρ фиг. 11, меньше радиуса R у стенки m-n. Также при применении нескольких простенков соответствующие радиусы кривизны следует уменьшать по направлению к отклоняющей стенке. Простенку по направлению к выходному отверстию проще всего придать форму плоскости, лежащей параллельно отклоняющей стенке, как это видно на фиг. 11 и 13. Таким образом, сопло может состоять из нескольких парциальных сопел, причем радиусы кривизны отклоняющих стенок этих сопел должны постепенно уменьшаться по направлению к отклоняющей стенке собственного сопла.

Применение простенков в изогнутых всасывающих трубах известно в турбиностроении, но цель, достигаемая ими, была совсем иная. Это видно из того обстоятельства, что колено всасывающей трубы искривлялось обыкновенно по кругу и поперечное сечение ее не изменялось или только изменялось незначительно. В этих коленах совпадает наиболее крутое искривление с наибольшей скоростью, так что струя жидкости может уже при малой скорости отделиться в этом месте от стенки. Простенки, построенные в подобных коленах, могут препятствовать отделению струи от изогнутой стенки трубы, но не могут ни в каком случае достичь раширения струи. Так как положение простенка в сопле имеет влияние на распределение скоростей, то бывает нередко желательно просто и без значительных нарушений правильного действия установки произвести потом изменение положения этого простенка. Этого можно, примерно, достичь снабжением этого простенка цапфами, фиг. 11, на которых он может поворачиваться, и применением зажимов, позволяющих закреплять эти цапфы во всяком желаемом положении простенка. Так как требуемый угол вращения очень мал, то можно избегнуть защемления этой расширяющей стенки (простенка) между боковыми стенками сопла применением небольшого зазора.

Вышеописанная предлагаемая форма сопла, примеры исполнения которой показаны на фиг. 7-13, может быть применяема во всех тех случаях, когда желательно достичь превращения энергии скорости в энергию давления при возможно низких потерях полезного действия. В особенности же, она применима в тех случаях, когда местоположение гидравлической установки затрудняет или делает невозможным применение до сих пор известных форм сопла. Подобные сопла представляют выгодный замен конических всасывающих труб, употребляемых до сих пор в турбиностроении, которые, как известно, нуждались при турбинах с горизонтальной осью в колене для отвода рабочей среды в низовой канал. Опыты показали, что применение употребляемых до сих пор коленчатых сопел с круглым поперечным сечением значительно уменьшает коэффициент полезного действия турбины. Применением сопел, построенных на основании настоящего предложения, достигается не только желаемое отклонение воды в низовую воду, но избегаются также неизбежные потери. Применение этого сопла очень выгодно также при турбинах с вертикальной или наклонной осью, ввиду очень хорошего превращения энергии при незначительной длине сопла, и особенно выгодно и экономно, если сопло делается из бетона.

1. Приспособление для превращения кинетической энергии капельных, парообразных и газообразных жидкостей в энергию давления в применении к турбинам, характеризующееся применением отклоняющей стенки D-G (фиг. 3, 7 и 11), при помощи которой струя жидкости отклоняется от первоначального направления, и сопряжение которой с продолжением стенки D-G так выполнено, что в месте перехода D наименьший радиус кривизны r отклоняющей стенки равен или меньше наименьшего радиуса кривизны R ей противолежащей стенки m-n.

2. Видоизменение охарактеризованного в п. 1 приспособления, отличающееся применением одного или нескольких простенков m-n (фиг. 11), разделяющих сопло на несколько парциальных сопел, причем наименьший радиус кривизны отклоняющей стенки в каждом парциальном сопле должен быть равен или быть меньше наименьшего радиуса кривизны стенки противолежащей этой отклоняющей стенке и

3. Видоизменение охарактеризованного в п. 2 приспособления, отличающееся тем, что по крайней мере один простенок m₀ n₀ (фиг. 11) укреплен поворотно в корпусе сопла.