СЕПАРИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДВУХРЯДНОЙ УГОЛКОВОЙ ВОЗДУХООЧИСТИТЕЛЬНОЙ РЕШЕТКИ
SEPARATING ELEMENT OF TWO-LINE ANGULAR AIR CLEANING SCREEN

Изобретение относится к области устройств неконтактной воздухоочистки вентиляционных или охлаждающих систем и касается конструкции сепарирующего элемента двухрядных уголковых решеток лабиринтного типа так называемого «два фау» (2V) вида.
Область преимущественного применения - системы входной очистки воздуха на магистральных электровозах.
Применение уголковых решеток лабиринтного типа (в частности, в варианте 2V) для входной очистки воздуха, например, на магистральных электровозах известно. Они состоят из двух рядов параллельно расположенных вертикальных сепарирующих элементов, выполненных в форме уголков-отражателей. Последние установлены в общей раме встречно входными частями указанных уголков-отражателей с зазорами, достаточными для пропуска очищаемого воздуха.
Такая система входной уголковой решетки, которая содержит сепарирующий элемент-прототип, применена на электровозе Н62 (см. Воронков Ф.Ф. О коэффициентах аэродинамического сопротивления вентиляционных жалюзи электровоза. Сб. научн. трудов «Электровозостроение», т.1. Новочеркасск, 1961. Стр. 201-207. Рис.4 на стр.203). Она оказалась очень эффективной. Это установлено обширными экспериментальными исследованиями в сопоставлении с входными жалюзи электровозов иного типа. Опытным путем были определены функции
O
B
ζ=ζ(W;W),
где ζ - коэффициент местного аэродинамического сопротивления жалюзи;
O
W - скорость движения электровоза, км/ч;
B
W - средняя скорость воздуха при входе в жалюзи, м/с.
При этом, в частности, установлено, что указанные функции у входных решеток электровоза Н60 (их конструкцию см. там же, рис.3) и Н62 практически совпадают (рис.5 и 6). Очевидно, однако, что фильтрующие способности решетки Н62 несоизмеримо выше.
Дополнительные сравнительные исследования характеристик 2V-решеток электровоза Н62 (Воронков Ф.Ф., Фесковец B.C. Пылезадержание воздухозаборных устройств магистральных электровозов. Сб. научн. трудов «Электровозостроение», т.2. Новочеркасск, 1962. Стр. 219-228) показали их стабильно высокие качества. Это дало основание рекомендовать применение таких входных решеток на всех электровозах (см. там же, стр.228).
Еще один факт. Согласованным подбором параметров конструкции и режимов работы 2V-решеток конструкторам удалось добиться столь высокой эффективности их работы, что, например, на немецком электровозе серии К была принята система воздухоочистки, при которой воздух после прохода через воздухозаборные решетки подавался непосредственно в кузов (Магистральные электровозы: Общие характеристики. Механическая часть. М., Машиностроение, 1991. Стр. 162-165).
Последующим более подробным анализом аэродинамических процессов сепарации в 2V-решетках были выявлены возможности дальнейшего совершенствования протекающих там процессов. Это показывают следующие два фрагмента указанного анализа, которые одновременно определяют и недостатки объекта-прототипа данного изобретения.
А. Уголки-отражатели известных конструкций выполнены из пластичного тонколистового материала (например, металла) изгибом в штампе на призме с малым радиусом изгиба, что позволяет получить острый входящий угол. Благодаря этому в глубине профиля уголка-отражателя образуется аэродинамическая тень, в которую из резко поворачивающего в горизонтальной плоскости потока проходящего воздуха центробежными силами отбрасываются взвешенные в воздухе частицы. Оставаясь в пределах зоны аэродинамической тени, они под действием силы тяжести опускаются вдоль впадины уголка-отражателя в его нижние отделы, откуда удаляются в водо-снего-пылесборник или выводятся наружу.
В результате эффективная глубина аэродинамической тени там уменьшается, а унос через нее взвешенных частиц горизонтальными потоками продуваемого воздуха возрастает. При большой запыленности воздуха, интенсивном дожде или снегопаде аэродинамическая тень здесь может вообще исчезнуть, и уголковая решетка как фильтрующая система в нижней части практически перестает выполнять свое назначение, что составляет существенный недостаток конструкции сепарирующего элемента-прототипа известных уголковых решеток.
Б. Второй недостаток конструкции сепарирующего элемента-прототипа, выполненного в виде уголка-отражателя простейшей формы, касается схемы аэродинамики. Он состоит в том, что подлежащая сепараторной очистке струя воздуха разделяется на две в горизонтальной плоскости непосредственно при подходе к зоне аэродинамической тени уголка-отражателя или, аналогично, соединяется из двух с образованием общего выходного потока. В обоих случаях в зонах разделения или соединения потоков возникает значительная турбулизация. Это уменьшает общий сепараторный эффект отделения взвешенных частиц воздуха в зону аэродинамической тени при использовании в уголковой решетке сепарирующих элементов указанного известного типа.
Задача изобретения - обеспечение одинаковой по высоте двухрядной уголковой решетки интенсивности сепарации взвешенных частиц очищаемого воздуха в сепарирующих элементах - уголках-отражателях с дополнительной общей интенсификацией сепарационного процесса - и тем самым повышение эффективности работы решетки в целом.
Поставленная задача решается согласно данному предложению изменением, в сравнении с известными, формы горизонтального сечения сепарирующего элемента двухрядной уголковой решетки лабиринтного типа устройства неконтактной воздухоочистки вентиляционных или охлаждающих систем. Сущность этого изменения состоит в том, что указанный сепарирующий элемент, имеющий форму уголка-отражателя, выполнен с его внутренней угловой частью в виде открытого в сторону рабочего потока воздуха канала-коллектора. При достаточном сечении указанного канала исключается возможность локальной потери аэродинамической тени сепарирующего элемента вследствие заполнения ее отсепарированным материалом и тем самым снижения интенсивности сепарации. И этот ценный положительный эффект достигается вне зависимости от изменяющейся по высоте решетки мощности вертикального потока отводимого сепарацией материала.
Кроме этого, канал-коллектор может быть использован для установки в нем тонкой вертикальной пластины, разделяющей канал на две одинаковые части. При ширине пластины не менее расстояния от дна канала-коллектора до кромок встречно установленных в раме уголков-отражателей устраняется турбулизация зон активного отделения взвешенных частиц из проходящего воздуха. Это повышает степень его очистки.
При постоянстве общей геометрии профиля уголка-отражателя и, соответственно, зоны аэродинамической тени удельное (на единицу вертикального размера) количество отсепарированного материала можно считать idem - постоянным. Поэтому мощность указанного выше потока можно считать практически линейно зависимой от высоты горизонтального элементарного потока воздуха, проходящего через сепарирующий элемент. Это позволяет выполнить канал-коллектор с линейно изменяющейся переменной глубиной, увеличивающейся в координатах установленной в рабочее положение уголковой решетки по направлению сверху вниз.
Такой конструктивной мерой достигается более рациональное использование материала активной части решетки (т.е. системы ее уголков-отражателей), что составляет дополнительное преимущество предлагаемого устройства в сравнении с прототипом.
Сепарирующие элементы в решетках рассматриваемого типа всегда прямые. Их длина L (см. далее фиг.4) обычно близка к 1 м. Изготавливаются они, как уже указывалось ранее, из листового материала гибочной штамповкой в призмах. Поэтому предлагаемое изменение профиля сепарирующего элемента, имеющего форму уголка-отражателя, никаких технологических затруднений в производстве не вызывает.
На фиг.1 для сравнения с предлагаемым показан в разрезе фрагмент аэродинамической схемы двухрядной уголковой решетки лабиринтного типа с уголками-отражателями известной формы:
1
2
А, А - зоны аэродинамической тени входного и выходного уголков-отражателей;
1
2
В (В) - соответствующее аэродинамическое ядро входной (выходной) зоны сепарации (условно);
стрелками обозначены:
1
V - входной поток воздуха;
1
1
V', V'' - его составляющие после разделения во входном уголке-отражателе;
2
V - выходной поток;
на фиг.2 приведена аэродинамическая схема, аналогичная схеме фиг.1, но с уголком-отражателем предлагаемого профиля; здесь a - глубина канала-коллектора;
на фиг.3 приведена в горизонтальном разрезе схема предлагаемого (как пример - входного) уголка отражателя по фиг.2, снабженного закрепленной в канале-коллекторе разделительной пластиной:
P1
P2
A, A - зоны аэродинамической тени;
стрелками обозначены:
P1
P2
V, V - составляющие разделенного входного потока воздуха на входе в уголок-отражатель с предлагаемым дополнительно усовершенствованием;
P1
P2
V', V'' - то же, на выходе;
стрелками R показаны направления сил нажатия электродов (роликов) аппарата контактной сварки при формировании сварной конструкции сборного профиля данного варианта уголка-отражателя;
на фиг.4 показана геометрическая схема (поперечный вертикальный разрез решетки), определяющая закономерность изменения глубины a канала-коллектора (см. фиг.2) в зависимости от вертикальной координаты l - расстояния поперечного сечения С-С уголка-отражателя от верхнего конца его закрепления в раме решетки; стрелкой S показано направление гравитационного движения в каналах-коллекторах отсепарированного в них материала.
Предлагаемый сепарирующий элемент 1 двухрядной уголковой воздухозаборной решетки лабиринтного типа имеет, как и у прототипа (см. фиг.1), общую форму уголка-отражателя. Однако он содержит важнейший новый отличительный конструктивный признак: внутренняя часть уголка-отражателя выполнена в виде открытого в сторону рабочего потока воздуха канала-коллектора 2 (фиг.2). При этом уголки-отражатели, встречно установленные в раме решетки, имеют такой же, т.е. содержащий канал-коллектор 2, профиль, а их свободные кромки 3 могут сохранять первоначальное положение относительно профиля 1.
Наличие в сепарирующем элементе 1 канала-коллектора 2 позволяет внести в его конструкцию дополнительное усовершенствование, устраняющее второй недостаток прототипа. Для этого указанный канал-коллектор 2 снабжен закрепленной в нем вертикальной тонкой пластиной 4 (см. фиг.3), разделяющей его вдоль на две одинаковые части. При этом ширина пластины с должна быть выбрана не менее размера b от дна канала-коллектора 2 до кромок 3 встречно установленных в раме решетки уголков-отражателей.
Конструктивно-технологический вариант крепления разделительной пластины 4 внутри канала-коллектора 2 сепарирующего элемента 1определяется материалом, примененным для изготовления основного профиля, и технологическими возможностями производства. В частности, на фиг.3 показан конструктивно наиболее рациональный при пластичном материале вариант закрепления разделительной пластины 4 в дополнительном углублении 5 дна канала-коллектора 2 с обжатием на прессе и последующим окончательным закреплением контактной сваркой точечным или роликовым электродом, а также на заклепках. При этом высокая пластичность материала разделительной пластины 4 не требуется.
Близкая к линейной закономерность распределения по высоте L (см. фиг.4) кумулятивного эффекта заполнения канала-коллектора 2 продуктами сепарации дает возможность создать конструкцию предлагаемого сепарирующего элемента 1 с наиболее рациональным использованием материала. Это достигается практически без изменения ранее принятой технологии выполнением канала-коллектора 2, но с его переменной глубиной а (см. фиг.2), увеличивающейся в координатах установленной в рабочее положение угловой решетки по направлению сверху вниз, т.е. в функции координаты l.
Работа предлагаемого сепарирующего элемента 1 определяется известными общими особенностями аэродинамического процесса сепарации в нем как в элементе двухрядной уголковой воздухоочистительной решетки лабиринтного типа, но с отличиями этого процесса, обусловленными отличиями новой конструкции от прототипа.
1
1
1
1
1
2
1
Как и в прототипе (см. схему фиг.1), основными составляющими общей аэродинамической схемы предлагаемого сепарирующего элемента 1 являются зоны аэродинамической тени А и зоны сепарации В. В зоне сепарации В в результате разделения входного потока воздуха V на боковые V' и V'' и, как следствие, резкого изменения в горизонтальной плоскости направления движения воздуха в этих полупотоках происходит выделение из них центробежными силами взвешенных частиц в наружную сторону кривизны траектории их движения. Так они попадают в зону аэродинамической тени А, внешняя граница которой определяется практическим отсутствием движения воздуха основного потока, с последующим гравитационным удалением взвеси из нее (см. выше критику первого недостатка прототипа).
1
Принципиальное отличие характера работы предлагаемого сепарирующего элемента 1 при сравнении с прототипом состоит в том, что для зоны аэродинамической тени А создана дополнительная камера в виде канала-коллектора 2. Она исключает возможность потери эффективной площади этой зоны в результате ее переполнения взвешенными продуктами сепарации, создавая на всей высоте решетки проход для их беспрепятственного удаления вертикальным движением под действием силы тяжести.
При установке в канале-коллекторе 2 тонкой вертикальной пластины 4, разделяющей указанный канал на две одинаковые части, с шириной с пластины 4 не менее расстояния b от дна канала-коллектора 2 до кромок уголков-отражателей 3, встречно установленных в решетке воздухозаборного устройства (фиг.3), общая аэродинамическая схема работы сепарирующего элемента 1 при полном сохранении главной - дренажной функции канала-коллектора 2 резко изменяется. А именно:
P1
P2
1
а) до подхода к области сепарации возникает разделение общего входного воздушного потока на составляющие V и V, что приводит к исчезновению зоны турбулизации B и связанных с нею потерь (см. выше критику второго недостатка прототипа);
P1
P2
1
б) в канале-коллекторе 2 образуются две независимые зоны аэродинамической тени A и A, работающие по указанной выше в п. б) причине более эффективно (по суммарному отбору продуктов сепарации), чем зона А в схеме фиг.2.
Эта особенность работы сепарирующего элемента 1 по схеме фиг.3, несмотря на некоторое конструктивно-технологическое усложнение в сравнении со схемой фиг.2, может оказаться достоинством, определяющим целесообразность преимущественного практического применения такого варианта.
2
2
1
1
Из схем фиг.1 и фиг.2 можно видеть, что аэродинамические процессы в зонах А и В уголков-отражателей, встречно установленных в раме решетки, почти не отличаются от аналогичных процессов в зонах A и B. Поэтому работа предлагаемого сепарирующего элемента 1 второго ряда решетки отдельно не рассматривается.
Усовершенствование предлагаемого сепарирующего элемента 1 тем, что канал-коллектор 2 выполнен с переменной глубиной, увеличивающейся в координатах установленной в рабочее положение уголковой решетки по направлению сверху вниз (фиг.4), не вносит изменений в характер работы сепарирующего элемента 1 как уголка-отражателя включающей его воздухоочистительной решетки. Назначение указанного усовершенствования не в изменении сущности или параметров процессов в системе, но, при сохранении стабильности, в улучшении использования материала конструкции сепарирующего элемента 1. Этим достигается дополнительная ступень общего конструктивно-технологического совершенства рассматриваемой системы.