СВЕРХЗВУКОВОЕ СОПЛО ШЕСТЕРЕНКО
SHESTERENKO(S SUPERSONIC NOZZLE

Изобретение относится к устройствам разгона газодинамического (сжимаемого) потока до сверхзвуковых скоростей в различных отраслях техники (для пескоструек, пылесосов, уловителей частиц аэрозоля, фазовых разделителе и пр. бытовой техники).
ПРОТОТИП
Известно сверхзвуковое сопло, содержащее сужающуюся часть, критическое сечение и расширяющуюся часть
(Н.А. Шестеренко. «Сопла и насадки Николая Шестеренко. Получение энергии из среды. Новое поколение летательных аппаратов и технологического оборудования. М., Издательство БЕЛЫЙ БЕРЕГ,» 009 г.).
Недостатком прототипа является то, что он для работы требует на входе в сопло большое давление газа.
АНАЛОГ
Известен насадок, состоящий из герметично соединенных между собой сопел, причем первое сужающееся сопло введено коаксиально в сопло Лаваля с образованием между ними эжекторно вакуумируемой полости
(Н.А. Шестеренко. Патент RU 2206409 С2).
Недостатком аналога является то, что зазор между сужающимся соплом и сужающейся частью сопла Лаваля не является оптимальным для создания в полости максимального разрежения, так как критическое сечение сопла Лаваля должно быть больше критического сечения сужающегося сопла, но при этом сопло Лаваля в сторону своего критического сечения тоже сужается. В результате это все не дает максимального эффекта действия волн разрежения на критическое сечение сужающегося сопла. Недостатком также является то, что насадок состоит из нескольких сопел, что делает конструкцию большой и тяжелой, а также требует сверх точной настройки по геометрическим параметрам для каждого вида газодинамического потока.
Целью изобретения является снижение энергетических затрат и расширение применения сверхзвуковых сопел в бытовой и другой технике.
Цель достигается следующим образом:
1. Сверхзвуковое сопло для разгона газодинамического потока до сверхзвуковых скоростей, содержащее сужающуюся часть, критическое сечение и расширяющуюся часть, отличающееся тем, что между критическим сечением и расширяющейся частью имеется зазор, сообщенный с полостью, причем передняя кромка расширяющейся части от области движения потока смещена в сторону полости.
2. Сверхзвуковое сопло по п. 1, отличающееся тем, что кромка расширяющейся части в зазоре установлена вровень критическому сечению.
3. Сверхзвуковое сопло по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что расширяющаяся часть разделена не менее чем одним зазором, сообщенным с дополнительной полостью.
4. Сверхзвуковое сопло по п. 3, отличающееся тем, что не менее чем одна расширяющаяся часть за зазором смещена назад по ходу потока в сторону дополнительной полости.
ПРЕДЛАГАЕМОЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНО НА ФИГ. 1, 2, 3, 4 и 5.
На фиг. 1 изображено сверхзвуковое сопло, содержащее сужающуюся часть 1 с критическим сечением 2 и расширяющуюся часть 3. Сопло может быть выполнено как щелевое, так и выполнено в виде тела вращения. При этом их сечения одинаково выглядят на фиг. 1.
На фиг. 2 расширяющаяся часть имеет вид вогнутого козырька 4.
На фиг. 3 расширяющаяся часть имеет вид выпуклого козырька 5. На фиг. 3 изображен только щелевой вариант сопла.
На фиг. 4 расширяющаяся часть имеет вид выпуклого козырька 6.
Сверхзвуковое сопло, изображенное на фиг. 4, может быть выполнено как щелевое сопло, так и выполнено в виде тела вращения. При этом их сечения одинаково выглядят на фиг. 4.
На фиг. 5 изображен только щелевой вариант сопла.
На фиг. 1 между сужающейся частью 1 с критическим сечением 2 и расширяющейся частью 3 имеется фиксированный зазор 7, сообщенный с полостью 8, которая образована сужающейся частью 1, расширяющейся частью 3 и стенкой 9. На других фигурах расширяющаяся часть обозначена другими цифрами. При оптимальном размере «А» зазора 7 его фиксация осуществляется либо жесткой стенкой 9, либо другим способом.
При сдвиге сужающейся части 3 вперед от плоскости «ПЛ.», совмещенной с критическим сечением 2, даже на очень маленькое расстояние часть потока попадет в зазор 7 и в полость 8, создав этим в зазоре 7 за счет вибраций выходящего потока из полости 8 и входящих потоков в зазор 7 «эффект свиста» (так устроены свистки).
Тогда говорить об эжекторном вакуумировании зазора 7 и полости 8 не приходится.
Чтобы избежать подобного, необходимо, чтобы критическое сечение 2 было в одной плоскости «Пл.» с передней кромкой расширяющейся части 3 (это наилучшее положение) или находилось максимально близко к ней. Если критическое сечение 2 чуть введено в расширяющуюся часть (т.е. передняя кромка расширяющейся части 3 чуть сдвинута назад по ходу потока), имеет место ухудшение эффекта эжекторного вакуумирования полости 8 и ответных волн разрежения (т.к. все газодинамические процессы осуществляются волновыми пульсирующими воздействиями), но срыва в режим «свистка» гарантированно нет. При этом, чтобы эффект был равным, проходная площадь зазора 7 должна во всех случаях оставаться оптимальной и во всех случаях кромка расширяющейся части 3 должна быть смещена в сторону полости 8 от области движения потока, т.е. эта кромка должна быть смещена в «противоположную» сторону от области движения потока.
Проходная площадь (или размер «А») зазора 7 зависит от геометрии образующих его конструктивных элементов (фиг. 1, увеличения «а», «б» и «в»). Перед критическим сечением 2 угол относительно этого сечения и внешней стороны «Б» сужающейся части 1 желательно максимально приблизить к 90 градусам, а лучше даже сделать чуть больше 90 градусов, а передняя кромка «К» расширяющей части 3 максимально должна быть заострена с обратной стороны от потока (фиг. 1, увеличение «а»). Тогда площадь зазора 7 будет максимально приближена к критическому сечению 2, и при установке в одной плоскости «Пл.» критического сечения 2 и передней кромки «К» расширяющейся части 3 получим максимальный эффект воздействия волн разрежения в разгоне дозвукового потока в сужающейся части 1 (фиг. 1, увеличение «а»). Если перед критическим сечением 2 угол внешней стороны сужающейся части 1 с критическим сечением 2 меньше 90 градусов (фиг. 1, увеличения «б» и «в»), то наивысшего эффекта воздействия волн разрежения в разгоне дозвукового потока в сужающейся части 1 можно добиться и при чуть небольшом сдвиге передней кромки «К» расширяющейся части 3 в сторону направления движения потока (фиг. 1, увеличение«б»), однако это положение имеет опасность срыва в режим «свиста» при небольших колебаниях состава газодинамического потока. Для серийных вариантов в этом случае предпочтительна небольшая потеря эффективности, но исключение режима «свиста» и поэтому сужающаяся часть 1 должна входить в расширяющуюся часть 3, т.е. или быть вровень передней кромке «К» расширяющейся части 3 (критическое сечение 2 должно быть вровень плоскости «Пл.»), или даже чуть глубже входить в расширяющуюся часть 3 (фиг. 1, увеличение «в»).
Передняя кромка «К» расширяющейся части 3 от области движения потока смещена в сторону полости 8 на расстояние, примерно, чуть больше размера «А» (следует учитывать еще толщину «Т» сужающейся части 1 около кромки «Кр» критического сечения 2). Возможен вариант, когда эта толщина «Т» сведена у кромки «Кр» на нет, т.е. толщина срезана под острым углом, образуя острие у кромки «Кр» (фиг. 1, увеличение «г». Если кромки «К» и « Кр.» находятся в единой плоскости «Пл.», то смещение кромки «К» от критического сечения «Кр» (или от области прохождения потока) равно величине «А» в сторону полости 8.
На фиг. 5 расширяющаяся часть, выполненная в виде выпуклого козырька, разделена не менее чем одним зазором 10, сообщенным с дополнительной полостью 11. Такие фиксированные зазоры могут быть и на расширяющейся части 3 (не показаны).
Волны разрежения, идущие из зазора 10, способствуют лучшему «прилипанию» потока к участку 12 при повороте по закону Прантля-Майера.
Здесь не менее чем одна расширяющаяся часть разделена не менее чем одним фиксированным зазором, сообщенным с дополнительной полостью, причем каждый предыдущий участок расширяющейся части входит с этим фиксированным зазором в каждый последующий участок расширяющейся части, чтобы гарантированно обеспечить эффект эжекторного вакуумирования зазора и дополнительной полости. Все это относится и ко всем вариантам расширяющейся части сопла.
На всех чертежах пунктиром 13 условно показана граница газодинамического потока.
Все фиксированные зазоры делаются оптимального размера для создания наивысшего эффекта вакуумирования зазоров и полостей, что способствует наибольшему снижению перепада давления в сопле для вывода потока на сверхзвуковой режим.
ПРЕДЛАГАЕМОЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ.
Источником давления подается газодинамический поток в сужающуюся часть 1. За критическим сечением 2 поток попадает в расширяющуюся часть. За счет эффекта эжекции зазор 7 и полость 8 вакуумируются. Волны разрежения в газовой среде распространяются во все стороны со скоростью звука. Если перепад давления в сужающейся части 1 не достаточен для создания сверхзвукового потока в сопле, то волны разрежения, идущие со скоростью звука от зазора 7, проникают через критическое сечение 2 в сужающуюся часть 1, вызывая этим ускорение потока, а это приводит, в свою очередь, к увеличению эффекта эжекции и усилению вакуума в зазоре 7 и полости 8. Это, в свою очередь, усиливает воздействие волн разрежения через критическое сечение 2 на поток, идущий в сужающейся части 1. Когда в критическом сечении 2 поток, идущий через сужающуюся часть 1, достигнет скорости звука, т.е. объемный расход через критическое сечение 2 станет критическим, волны разрежения перестанут проникать через критическое сечение 2 в сужающуюся часть 1. Эти волны разрежения за критическим сечением 2 станут создавать условия возникновения сверхзвукового потока с лучшим «прилипанием» этого потока к образующей поверхности расширяющейся части сопла. Таким образом газодинамический поток выйдет на сверхзвуковую скорость при меньшем перепаде давления по сравнению с известными сверхзвуковыми соплами. Что значительно снижает энергетические затраты. Это способствует расширению применения сверхзвуковых сопел в различных отраслях техники. По сравнению с прототипом (с насадком по патенту RU 2206409 С2) выход на рабочий режим обеспечивается со значительно меньшим перепадом давления, т.к. оптимизируется зазор 7 за счет уменьшения его до необходимой величины, способствующей наивысшему вакуумированию полости 8.
В насадке (по патенту RU 2206409 С2) этого обеспечить невозможно, т.к. между частью сопла Лаваля сужающейся в сторону его критического сечения, которое обязательно должно быть больше критического сечения (определяющего расход) сужающегося сопла, и этим сужающимся соплом создать оптимальный зазор из-за их «геометрий» просто не представляется возможным.
Расширяющаяся часть сопла может иметь разные по геометрии образующие поверхности, но они являются «традиционными» для сверхзвуковых сопел.
Так на фиг. 1 расширяющаяся часть 3 геометрически выполнена в виде «обечайки». Сверхзвуковое сопло на фиг. 1 симметрично относительно оси и может быть выполнено как в виде тела вращения, так и в виде щелевого сопла. Все фигуры являются схемами конструкций, и их не стоит путать с рабочими чертежами.
Это сопло может быть применено для пескоструйки.
Сверхзвуковые сопла, изображенные на фиг. 2, 3, 4 и 5, могут быть применены для фазовых разделителей и пылеуловителей, когда сверхзвуковой поток изменяет направление, а частички аэрозоля и жидкость вылетают из потока по инерции за пределы потока.
ТЕХНИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
Технический эффект заключается в том, что уменьшается необходимый перепад давления, чтобы получить сверхзвуковой поток. Значит, уменьшаются расходы энергии и расширяется область применения сверхзвуковых сопел.