НАСАДОК
NOZZLE HEAD

Изобретение относится к устройствам разгона газодинамического (сжимаемого) потока до сверхзвуковых скоростей в различных отраслях техники (для пескоструек, пылеуловителей, газоуловителей, фазовых разделителей, крекинга нефти и пр. аппаратуры химической технологии и бытовой техники).
Прототип
Известен насадок для разгона газодинамического потока до сверхзвуковых скоростей и до гиперзвуковых местных скоростей внутри насадка, содержащий сопла, соединенные герметично между собой, и не менее чем одну полость, сообщенную с не менее чем с одним зазором между соплами.
(Н.А. Шестеренко. Сопла и насадки Николая Шестеренко. Получение энергии из среды. Новое поколение летательных аппаратов и технологического оборудования. 260 стр. М.: Издательство БЕЛЫЙ БЕРЕГ, 2009 г. Книга первая. Часть вторая. Стр. 53-168).
Недостатком прототипа является следующее.
1. Когда первое сопло выполнено сужающимся, а его критическое сечение в насадке наименьшее, то зазор со следующим соплом нельзя сделать оптимальным, так как следующее сопло имеет критическое сечение большего размера, к которому это сопло сужается от зазора. А это снижает и ограничивает эффект вакуумирования полости и получения от этого дополнительного перепада давления в первом сужающемся сопле.
2. Защитой от атмосферного давления, которое распространяется со скоростью звука, является сверхзвуковой поток, который тормозится на косых скачках уплотнения и не должен при этом перейти на прямой скачок, т.е. не должен стать дозвуковым. А это требует сверхточной наладки и подгонки геометрии сопел, что при неоднородном газодинамическом потоке сделать очень сложно. И в результате, для поддержания рабочего режима приходится на входе в насадок держать относительно большое давление.
Аналог
Известно сверхзвуковое сопло, содержащее сверхзвуковую сужающуюся часть с критическим сечением и расширяющуюся часть, выполненную или в виде вогнутого или выпуклого козырька, или в виде расширяющейся обечайки, или в виде расширяющейся выпуклой обечайки.
(Н.А. Шестеренко. Сопла и насадки Николая Шестеренко. Получение энергии из среды. Новое поколение летательных аппаратов и технологического оборудования. 260 стр. М.: Издательство БЕЛЫЙ БЕРЕГ, 2009 г. Книга первая. Часть первая. Стр. 9-52. авт.св. СССР №812356 и №899151).
Недостатком аналога является необходимость для запуска и поддержания рабочего режима сверхзвукового перепада давления и невозможность их применить самостоятельно для концентрации частиц аэрозоля.
Целью изобретения является повышение эффективности.
Цель достигается следующим образом.
1. Насадок для разгона газодинамического потока до сверхзвуковых скоростей и до гиперзвуковых местных скоростей внутри насадка, содержащий сопла, соединенные герметично между собой, и не менее чем одну полость, сообщенную с не менее чем с одним зазором между соплами, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, не менее чем одно сопло выполнено в виде сужающейся части с критическим сечением, которое с зазором, сообщенным с полостью, входит в расширяющуюся часть, при этом расширяющаяся часть выполнена внутри насадка, начиная от первого до предпоследнего сопла, в виде расширяющейся обечайки, а на выходе из насадка в последнем сопле или в виде расширяющейся обечайки, или в виде вогнутого или выпуклого козырька.
2. Насадок по п. 1, отличающийся тем, что не менее чем одна кромка расширяющейся части в зазоре или установлена вровень критическому сечению сужающейся части, или смещена назад.
3. Насадок по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что не менее чем одна расширяющаяся часть разделена не менее чем одной щелью, сообщенной с дополнительной полостью.
4. Насадок по п. 3, отличающийся тем, что за щелью не менее чем одна расширяющейся часть смещена назад.
Изобретение изображено на фиг.1-5.
Сверхзвуковой насадок Шестеренко состоит из первого по ходу сужающегося сопла 1, которое входит с зазором 2 в расширяющуюся обечайку 3, причем кромка 4 зазора 2 расширяющейся обечайки 3 или установлена вровень критическому сечению 5 сужающегося сопла 1, или смещена (фиг.1) назад, в сторону полости 6, сообщенной с зазором 2. На расширяющейся обечайке 3 установлено сужающееся сопло 7, которое входит с зазором 8 в расширяющуюся обечайку 9, причем кромка 10 зазора 8 расширяющейся обечайки 9 или установлена вровень критическому сечению 11 сужающегося сопла 7, или смещена назад, ( сторону полости 12, сообщенной с зазором 8. На расширяющейся обечайке 9 установлено сверхзвуковое сужающееся сопло 13 с критическим сечением 14, которое входит с зазором 15 в расширяющуюся часть, выполненную в виде выпуклого козырька 16. Зазор 15 сообщен с полостью 17.
Причем кромка 18 зазора 15 выпуклого козырька 16 или установлена вровень критическому сечению 14 выпуклого козырька 16, или смещена назад, в сторону полости 17. Полости 6, 12, и 17 снаружи закрыты соответственно технологическими обечайками 19, 20 и 21.
Расширяющаяся обечайка 9 разделена не менее чем одной щелью 22, сообщенной с дополнительной полостью 23, которая снаружи закрыта технологической обечайкой 23а.
Расширяющаяся часть, выполненная в виде выпуклого козырька 16, разделена щелью 24, сообщенной с дополнительной полостью 25, которая снаружи закрыта технологической обечайкой 26.
За щелью 24 часть выпуклого козырька 16 смещена назад, в сторону дополнительной полости 25.
На фиг.2 за насадком 26 с зазором 27 установлен не менее чем один подобный насадок 28, но с большим критическим сечением 29 первого сужающегося сопла 30.
На фиг.3 насадок 26 крепится на плече к оси 31 вращения, причем входное сечение 32 первого сужающегося сопла 33 находится ближе к оси 31, чем другие сопла насадка 26. Установление следующих насадков 28 с зазором 27 на фиг.3 не показано.
На фиг.4 не менее чем один насадок 26 введен в емкость 34 выходным сечением 35 последнего сопла Лаваля 36 так, что газодинамический поток в емкости 34 сталкивается с газодинамическим потоком, причем из емкости 34 имеется не менее чем один выход в виде или сопла 37, или насадка (на фиг. не показан).
На фиг.5 у насадка 26 первое сужающееся сопло 33 заглублено входным сечением 32 в жидкость для создания столба гравитационного давления, а не менее чем в одну полость 38, заглубленную в жидкость, подведена система подачи газа 39.
За насадком 26 с зазором 27 установлен не менее чем один подобный насадок 28, но с большим критическим сечением 29 первого сужающегося сопла 30, причем первое сужающееся сопло 30 заглублено входным сечением 40 в жидкость для создания столба гравитационного давления, а не менее чем в одну полость 41, заглубленную в жидкость, подведена система 42 подачи газа.
Граница потока 43 на всех фигурах изображена пунктирной линией.
На фиг.5 поверхность 44 воды изображена также пунктирной линией.
Насадок может быть выполнен в виде тела вращения или в виде щели.
Изобретение работает следующим образом.
За счет давления, создаваемого компрессором (на фиг. не показано) в первом сужающемся сопле 1, газодинамический поток разгоняется и попадает в расширяющуюся обечайку 3. В зависимости от давления возможны следующие режимы течения потока. Если давление достаточное, то в критическом сечении устанавливается скорость звука, а за ним в расширяющейся обечайке 3 образуется из потока сверхзвуковая бочка. По ходу потока эта бочка, если бы не было никаких стенок, повторялась бы несколько раз. В идеальном случае все последующие сопла должны были бы повторить их с небольшим зазором, но в металле. Через зазор 2 в полости 6 за счет эффекта эжекции возникает разрежение (вакуум). Волны разрежения в свою очередь через зазор 2 действуют на поток, вызывая его большее расширение и ускорение. Стенки расширяющейся обечайки ограничивают это расширение. Таким образом в полости 6 устанавливается устойчивый вакуум, волны разрежения которого создают устойчивое перерасширение потока или устойчивое повышение кинетической энергии потока. В сужающемся сопле 7 поток притормаживается. Стенки в сужающемся сопле 7 и критическое сечение 11 делаются в виде сверхзвукового диффузора, в котором поток не переходит на дозвуковое течение, а за критическим сечением 11 в расширяющейся обечайке 9 опять по инерции создает сверхзвуковую бочку.
Через зазор 8 в полости 12 за счет эффекта эжекции возникает разрежение (вакуум). Волны разрежения в свою очередь через зазор 8 действуют на поток, вызывая его большее расширение и ускорение. Стенки расширяющейся обечайки 9 ограничивают это расширение. Таким образом в полости 12 устанавливается устойчивый вакуум, волны разрежения которого создают устойчивое перерасширение потока или устойчивое повышение кинетической энергии потока. В сужающемся сопле 13 поток притормаживается. Стенки в сужающемся сопле 13 и критическое сечение 14 делаются в виде сверхзвукового диффузора, в котором поток не переходит на дозвуковое течение, а за критическим сечением 14 в расширяющейся части, выполненной в виде выпуклых козырьков 16, опять по инерции создает сверхзвуковой поток, на который аналогичным образом воздействуют волны разрежения, идущие из полости 17 через зазор 15. По закону Прантля-Майера сверхзвуковой поток поворачивает, следуя конфигурации выпуклых козырьков 16.
Если давление не достаточное для создания сверхзвукового потока, то в критическом сечении 5 устанавливается скорость дозвуковая, а за ним в расширяющейся обечайке 3 поток по мере расширения обечайки 3 тормозится. В критическом сечении 5 скорость максимальная. С этой скоростью эффект эжекции создает в полости 6 разрежение, которое волнами воздействует на процесс движения потока. Волны разрежения движутся во все стороны со скоростью звука. Они проникают в сужающееся сопло 1 и являются дополнительным источником перепада давления, вызывая в критическом сечении 5 ускорение потока. Последний усиливает эффект эжекции и разрежение в полости 6, что в свою очередь усиливает интенсивность действия волн разрежения. И так происходит до тех пор, пока в критическом сечении 5 скорость потока станет звуковой. Волны разрежения уже не смогут проникнуть сквозь критическое сечение 5 в сужающееся сопло 1. Они воздействуют на поток в расширяющейся обечайке 3, давая необходимое разрежение для образования сверхзвуковой бочки (или разгона потока до сверхзвуковых скоростей). Далее происходит, как было описано выше.
Есть порог давления на входе в насадок, ниже которого скорость в критическом сечении 5 не достаточна, и в полости 6 разрежение слишком маленькое. Оно не способно создать такие волны разрежения, которые позволили бы преодолеть противодействие атмосферного давления, действующего через выходное сечение насадка. И тогда дополнительный разгон в критическом сечении 5 осуществить нельзя. Поэтому насадок может работать только при большем давлении, чем этот порог. У прототипа рабочее давление значительнее выше, чем у предлагаемого устройства. Следовательно, в изобретении техническим эффектом является сбережение энергетики.
На фиг.2 за насадком 26 с зазором 27 установлен не менее чем один подобный насадок 28, но с большим критическим сечением 28 первого сужающегося сопла 30. В зазор 27 подсасывается дополнительная масса газодинамического потока в сужающееся сопло 30.
На фиг.3 насадок 26 крепится к оси 31 вращения, причем входное сечение 32 первого сужающегося сопла 33 находится ближе к оси 31, чем другие сопла насадка 26. Ось 31 приводится во вращение. Газодинамический поток за счет центробежных сил поступает в сужающееся сопло 33. Дальше происходит то же самое, что описано при рассмотрении фиг.1.
На фиг.4 не менее чем один насадок 26 введен в емкость 34 выходным сечением 35 последнего сопла Лаваля 36 так, что газодинамический поток в емкости 34 сталкивается с газодинамическим потоком, идущим с такой же скоростью из этого же сопла, если сопло выполнено в виде тела вращения, или из подобных сопел. В области максимального сжатия гиперзвуковых потоков часть (очень незначительная) ее полностью переходит в энергию, часть крупных молекул распадаются на более мелкие молекулы. Объем газа увеличивается. Из емкости 34 полученный продукт выходит через сопло 37. Данный вариант можно использовать для холодного крекинга газа.
На фиг.5 у насадка 26 первое сужающееся сопло 33 заглублено входным сечением 32 в жидкость для создания столба гравитационного давления, а не менее чем в одну полость 38, заглубленную в жидкость, подведена система подачи газа 39. Газ и жидкость, смешиваясь, образуют пену, которая ведет себя как сжимаемая жидкость. Давление столба жидкости постоянно давит на пену. Далее происходит с газодинамическим потоком те же самое, что в рассмотренных вариантах. В результате работает эрлифт.
На фиг.5 за насадком 26 с зазором 27 установлен не менее чем один подобный насадок 28. В зазор 27 под давлением столба жидкости поступает в критическое сечение 40 дополнительная часть жидкости. первого сужающегося сопла 30, причем в полость 41 через систему 42 под давлением подается газ, который с дополнительной частью жидкости образует пену. Далее все повторяется.
Для увеличения расхода насадки могут быть выполнены в виде щели.
Технический эффект
Технический эффект заключается в том, что сверхзвуковая бочка (или сверхзвуковое течение) с начала своего формирования (начиная с критического сечения) поддерживается устойчивым разрежением вакуумируемой полости. При этом частички аэрозоля и капли жидкости концентрируются в центре потока, а газ, расширяясь, запирает сверхзвуковым потоком зазор, сообщенный с полостью, что позволяет значительно снизить давление на рабочем режиме (сбережение энергетики), а также режим работы становится значительно устойчивее за счет того, что сверхзвуковая бочка защищает источник волн разрежения от воздействия атмосферного давления. При этом не обязательно четко сохранять на всех режимах на всем протяжении насадка сверхзвуковой поток, т.к. с каждым критическим сечением в случае перехода потока на дозвуковую скорость он опять за счет волн разрежения разгоняется и подходит к звуковой скорости, значительно ослабляя воздействие атмосферного давления. Затем происходит самовосстановление сверхзвукового потока по всему насадку, что очень важно при неоднородности газодинамического потока, когда частички аэрозоля могут временно нарушать косые скачки уплотнения в сужающихся частях насадка. В результате, если ступеней достаточно, то влияния атмосферного давления на рабочий процесс нет и для поддержания рабочего режима не требуется повышенного давления.
Конструкция уже не требует точной подгонки размеров сопел, что способствует расширению области применения. В целом конструкция стала более эффективной.
К выше сказанному техническому эффекту можно добавить следующее.
Сопло, выполненное в виде сужающейся части с критическим сечением, которое с зазором, сообщенным с полостью, входит в расширяющуюся часть, выполненную
или в виде расширяющейся обечайки,
или в виде вогнутого или выпуклого козырька,
или в виде расширяющейся выпуклой обечайки,
позволяет за счет оптимизации размера зазора обеспечить максимальное вакуумирование полости и тем самым увеличить дополнительный перепад давления в сужающейся части и вывод сопла на сверхзвуковой режим. Расширяющаяся часть при этом позволяет максимально развить расширение потока и разгон его до более высоких сверхзвуковых скоростей.
Каждое последующее сопло выходит на сверхзвуковой режим со значительно меньшим перепадом давления, что уменьшает риск перехода сверхзвукового потока на дозвуковой режим. Конструкция насадка в изобретении полностью эмитирует сверхзвуковые бочки сверхзвукового потока, исключая лишние потери от несовершенства конструкции. При этом допускается внутри насадка перед последними соплами местный переход сверхзвукового потока на дозвуковой, а затем повторный выход на сверхзвуковой режим за счет давления торможения, что делает насадок менее капризным в эксплуатации и в подгонке сопел и значительно снижается перепад давления во всем насадке. А это позволяет экономить энергию на запуске и рабочем режиме.