СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ МОЩНОСТИ ДИНАМИЧЕСКИХ СИРЕН И СИРЕНЫ ВСТРЕЧНОГО ПОТОКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DYNAMIC SIRENS POWER INCREASE AND BACK FLOW HORNS FOR ITS IMPLEMENTATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к акустической технике, способам и устройствам общего назначения для получения или передачи механических колебаний, получения мощных акустических колебаний в газообразной или проточной жидкой среде. Сирены встречного потока, созданные на основе этого способа, могут быть использованы для интенсификации технологических процессов в различных отраслях промышленности, а также в качестве средства сигнализации и оповещения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В классическом виде динамические сирены представляют собой два соосных диска - ротор и статор с одинаковым числом отверстий, находящихся в картере сирены в который подается рабочее тело под давлением. Сирены являются модуляторами потока рабочего тела, действующими на основе периодического его прерывания вращающимся ротором. Акустическая мощность генерируемого сиренами сигнала ограничивается только геометрическими размерами ротора и мощностью источника питания. Известно большое количество сирен для различных сред, выполняющих многообразные задачи.
В качестве средств оповещения и сигнализации уже десятки лет используются электромеханические сирены типа С-34, С-28 и С-40 [2 стр. 119]. Цилиндрический полый ротор, имеющий внутри лопасти и восемь прямоугольных окон в боковой стенке, вращается на валу электродвигателя. При вращении ротора воздух засасывается через центральное отверстие и выбрасывается через попеременно перекрываемые окна ротора и окна статора, создавая акустическое поле в окружающей среде. Сирены просты по конструкции и в эксплуатации, но имеют низкую мощность сигнала в несколько десятков ватт, малый радиус действия и фиксированную частоту генерации. В США в 50-е годы прошлого века для тех же целей использовались сирены Chrysler Air Raid Siren до сих пор никем не превзойденной акустической мощностью 30 кВт [7]. Сирена использовала сжатый воздух от 3-ступенчатого центробежного вентилятора с приводом от бензинового двигателя мощностью 180 л.с. Вся конструкции весила 3 тонны, ее стоимость была 5500 долларов США. Если пересчитать через золото в современные цены 2015 года, то получится около 200000 долларов США!
Совершенная конструкция дисковой сирены ВНИТИ УЗГ-4А [2 стр. 117], [3], [4], созданная почти 60 лет назад, предназначена для использования в технологических процессах на предприятиях различных отраслей промышленности. Помимо высокой мощности генерации акустического сигнала - более 8 кВт акустической мощности, в сирене применен ряд изящных решений по технологии изготовления статора с прямоугольными соплами Лаваля, установки зазора между ротором и статором, по вводу сжатого воздуха в картер сирены и использования лопаток для распределения воздушного потока по окнам статора. Недостатком этой сирены является рабочий диапазон частот, не охватывающий низкую часть звукового спектра, использование сжатого воздуха давлением 5 атм, что требует приобретения дорогостоящего компрессора и что удорожает технологическую установку. Раньше, впрочем, это считалось достоинством, так как на многих предприятиях существовала пневмосеть, а под нее и разрабатывалась данная конструкция.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности относится сирена [5], которая состоит из ротора с лопастями, периферийные поверхности которых образуют в боковой стенке ротора окна. В статоре также выполнены ответные окна. На внешнюю боковую стенку статора насажено кольцо, изготовленное из упругого материала, например резины. В кольце по периметру выполнены надрезы, образующие лепестки кольца. При работе сирены лопасти вращающегося ротора захватывают воздух и подают его через окна в статор. Периодически окна статора и ротора совпадают, пропуская воздух, периодически поток из ротора запирается стенками статора. Данное устройство принято за прототип. К недостаткам этой сирены можно отнести низкую надежность в связи с применением лепестков из резины, что помимо этого создает дополнительное сопротивления истечению газа из сирены и снижает ее эффективность.
Похожая на сирену [5] маленькая легкая мобильная механическая сирена для предупреждения в аварийных случаях, в роторе которой используются спиральные отражающие поверхности, образующие каналы квадратного сечения, обеспечивающие повышение скорости потока до 10700 фут/мин (54 м/сек) [6].
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание экономичного способа увеличения мощности динамических сирен, максимально использующих кинетическую энергию потока рабочего тела, полученную им от компрессора (насоса).
5
В частном случае данной задачи, акустическая мощность динамических сирен, использующих сжатый воздух избыточным давлением менее 10 Па, определяется в соответствии с формулой [1, стр. 35]:
b
h
a0
h
0
i(t)
0
b0
h0
i
где ρ - плотность газа в резервуаре (картере сирены); c - скорость звука в рупоре; v - постоянная составляющая линейной скорости потока газа в щели модулятора; S - площадь входного сечения рупора; S - средняя по времени площадь сечения щели модулятора; α - относительное (относительно S) изменение площади сечения модулятора для i-й гармонической составляющей; P - постоянная составляющая давления газа в резервуаре (картере сирены); P - постоянная составляющая давления газа в рупоре; l - длина патрубка (для принятой в [1] модели для математического описания процессов в сирене); γ - отношение удельных теплоемкостей газа; ω - частота i-й гармоники.
<mrow><msubsup><mi>v</mi><mrow><mi>a</mi><mn>0</mn></mrow><mn>4</mn></msubsup></mrow>
a0
Из этой формулы видно, что при малых значениях избыточного давления в картере сирены акустическая мощность растет пропорционально
. По мере увеличения скорости потока газа в окнах ротора-статора, скорость увеличения акустической мощности несколько уменьшается, поскольку на нее начинает оказывать влияние v в знаменателе. Отсюда следует, что для выполнения основной задачи настоящего изобретения, получения большой акустической мощности, требуется достижение максимально возможной скорости рабочего тела, доставка его по кратчайшему пути с минимальными потерями к окнам ротора и статора.
Техническое решение состоит в том, что (см. Фиг. 1 и Фиг. 2) ротор 2 сирены оснащен лопатками 3, передние кромки которых ориентированы по направлению вращения ротора, а сходящиеся периферийные поверхности лопаток и другие элементы ротора образуют окна ротора 4. Ротор сирены вращается в сторону, противоположную направлению движения потока рабочего тела, который поступает от внешнего вентилятора (насоса) или внутреннего центробежного колеса 5 и попадает в межлопаточное пространство, движущихся навстречу лопаток ротора, с суммой векторов скорости потока и средней касательной скорости вращения окон ротора. С учетом сходящейся формы межлопаточного пространства и в соответствии с уравнением неразрывности, скорость потока возрастает пропорционально соотношению площадей входа в межлопаточное пространство и окон сирены, что вызовет пропорциональный квадрату скорости потока рост кинетической энергии в совпадающих окнах ротора и статора. При несовпадении окон ротора 2 и статора 1, кинетическая энергия потока с той же векторной суммой скоростей трансформируется в давление в межлопаточном пространстве ротора, которое в следующем цикле преобразуется в кинетическую энергию истечения рабочего тела из окон ротора и статора.
Реализация предлагаемого способа возможна в виде радиальных и осевых сирен.
Техническое решение для радиальных сирен состоит в том, что (см. Фиг. 1) ротор 2 сирены изготавливается в виде полого цилиндра с лопатками 3, находящимися на внутренней поверхности этого цилиндра. Лопатки находятся между двумя основаниями 7 полого цилиндра в виде колец, которые вместе со сходящимися периферийными поверхностями лопаток образуют окна ротора. Внутри ротора с необходимым радиальным зазором расположено центробежное колесо 5. В свою очередь ротор сирены, с находящимся внутри него центробежным колесом, вписывается с минимально возможным зазором в цилиндрический статор 1. Статор является частью картера сирены и имеет равное с ротором количество окон 4. Центробежное колесо вращается соосно с ротором, но в противоположную относительно вращения ротора сторону и со скоростью, обеспечивающей нужный напор рабочего тела в зоне лопаток ротора. Ротор вращается со скоростью, обеспечивающей нужную частоту генерации сирены. Разгоняемый лопатками центробежного колеса поток рабочего тела попадает в межлопаточное пространство двигающихся навстречу лопаток ротора и в окнах ротора и статора модулируется с частотой совпадения окон, создавая акустические колебания в радиальной зоне сирены через согласующую систему рупоров, расположенных по окружности статора.
В целях увеличения мощности сирены и коэффициента полезного действия, ротор и статор радиальных сирен могут иметь форму усеченного конуса для регулировки зазора между ними путем изменения расстояния между ротором и статором.
Техническое решение для осевых сирен состоит в том, что (см. Фиг. 2) ротор 2 осевой сирены изготавливается в виде диска с находящимися на нем с одной стороны лопатками 3, ориентированными под углом к плоскости ротора. Лопатки находятся между двумя цилиндрическими стенками 7, соосными с ротором. Цилиндрические стенки 7 вместе со сходящимися периферийными поверхностями лопаток образуют окна ротора. С противоположной стороны к ротору примыкает с минимально возможным зазором статор с равным количеством окон и согласующий рупор. Ввод рабочего тела в картер сирены осуществляется по касательной, под углом к плоскости ротора из одного или нескольких вводных устройств, обеспечивающих его направление и равномерное распределение в зоне перед лопатками ротора. Поток рабочего тела поступает в межлопаточное пространство двигающихся навстречу лопаток ротора и, попадая в окна ротора и статора, модулируется с частотой совпадения окон, создавая акустические колебания в осевой зоне сирены.
В целях изменения частоты излучения сирены в широком диапазоне, привод ротора может быть выполнен от отдельного электродвигателя с частотным регулированием. Возможно регулирование частоты работы сирены путем изменения числа оборотов общего двигателя сирены в небольших пределах.
Конструкцией картера сирены предусматривается пространство и элементы для исключения утечек, равномерного распределения и направления потока рабочего тела к лопаткам центробежного колеса и лопаткам ротора.
Дальнейшее повышение мощности динамической сирены путем увеличения скорости потока на выходе из статора выше скорости звука может быть достигнуто при достаточном давлении в межлопаточном пространстве ротора и применения в совокупности межлопаточного пространства ротора, окон ротора и статора, формы сопла Лаваля.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нижеприведенные примеры и пояснения даются только для иллюстрации принципов конструирования и работы устройств и ничто в настоящем разделе не должно толковаться как ограничение объема притязаний.
Сравним акустическую мощность обычной сирены и сирены встречного потока с роторами одного диаметра и использующие один и тот же внешний источник сжатого воздуха, для чего воспользуемся формулой [1, стр. 37]
b
h
a0
h
0
i(t)
0
где ρ - плотность газа в резервуаре (картере сирены); c - скорость звука в рупоре; v - постоянная составляющая линейной скорости потока газа в щели модулятора; S - площадь входного сечения рупора; S - средняя по времени площадь сечения щели модулятора; α - относительное (относительно S) изменение площади сечения модулятора для i-й гармонической составляющей; М - число Маха.
0
h
Разделив данную формулу с индексами 2 для сирены встречного потока на такую же формулу с индексами 1 для обычной сирены, учитывая, что все параметры, кроме М, мы принимаем равными, а соотношение S/S=0,5, получим:
<mrow><msup><mi>M</mi><mn>3</mn></msup><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mfrac><mn>2</mn><mrow><mi>γ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>b</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>h</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mfrac><mrow><mi>γ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mi>γ</mi></mfrac></mrow></msup></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></mrow></msup></mrow>
b0
h0
Для обычной сирены число Маха можно определить из формулы [1, стр. 94]:
, где P - постоянная составляющая давления газа в резервуаре (картере сирены); P - постоянная составляющая давления газа в рупоре; γ - отношение удельных теплоемкостей газа.
1
b0
h0
1
Рассчитаем M при использовании для обычной сирены центробежного вентилятора ВЗР132-30 №6 30 кВт, обеспечивающего давление P=1,08 атм, P=1, γ=1,4, результат вычисления (4) - M=0,33.
2
1
2
Рассмотрим использование сирены встречного потока с тем же центробежным вентилятором ВЗР132-30 №6 30 кВт. Скорость потока воздуха при том же давлении на выходе вентилятора будет 116,4 м/сек, средняя касательная скорость окон ротора равна 51,1 м/сек при скорости вращения ротора 3000 об/мин и его диаметре 450 мм. Определяя угол входа рабочего тела в картер сирены в 35°, получим скорость 160,5 м/сек. Как выше отмечалось, с учетом формы межлопаточного пространства и уравнения неразрывности, рост скорости потока пропорционален соотношению площадей сечений на входе в межлопаточное пространство и на выходе. Приблизительные расчеты показывают, что соотношение площадей может быть равно 2-5, т.е. суммарная скорость также увеличится в 2-5 раз. Предположим, что соотношение площадей равно 2, то скорость в окнах ротора и статора будет равна 321 м/сек, соответственно М=0,96. Подставив М и М в формулу 3, получим 23,2. Таким образом, акустическая мощность сирены встречного потока больше обычной сирены при всех прочих равных условиях в 23,2 раза. Если акустическая мощность обычной сирены с вышеуказанным вентилятором, рассчитанная по формуле 2, около 100 Вт, то мощность сирены встречного потока, соответственно будет 2320 Вт, что для технологических процессов, например, для акустической сушки, представляет серьезный интерес. Подобный результат сравнения сирен говорит о высокой эффективности предлагаемого способа.
Заявляемый способ дает возможность создания нескольких видов устройств как в технологических установках для ускорения физико-химических процессов в производстве различных материалов, так и для целей сигнализации и оповещения.
В настоящее время естественным ограничителем широкого применения динамических сирен для ускорения технологических процессов в промышленности является стоимость акустической мощности. В качестве источника сжатого воздуха для мощных воздушных сирен, как правило, используется воздух давлением до 1 атм и 5 атмосфер. Компрессоры для создания такого давления дороги. Например, 4-ступенчатый центробежный компрессор с давлением 0,5 атмосферы, использовавшийся для питания динамической сирены установки акустической сушки, в испытаниях которой в 2010-2011 годах принимал непосредственное участие автор настоящего предложения, стоил около 350 тыс. рублей. Роторный компрессор, который обеспечивал бы подобные параметры сжатого воздуха, стоил уже около 500 тыс. руб. Сирены, использующие сжатый воздух давлением 5 атмосфер, требуют применения соответствующих компрессоров со шлейфом сопутствующего оборудования, общей стоимостью более 750 тыс. руб.
Основным достоинством предлагаемого способа, помимо высокой излучаемой мощности, является возможность применения недорогих вентиляторов для генерации мощного акустического сигнала или предлагаемых радиальных сирен встречного потока, стоимостью немногим более стоимости вентилятора высокого давления.
Ориентировочные расчетные данные радиальной сирены встречного потока (СВП) для целей сигнализации и оповещения приблизительно в тех же массогабаритных показателях, что и сирена С-40, приведены в таблице 1 в сравнении с сиреной С-40.
Радиус действия сирены С-40 на открытой местности приблизительно 1 км, у новой сирены, исходя из расчетов в соответствии с [1, стр. 105-107] - 7 км. Таким образом, сирена встречного потока может заменить 49 сирен С-40, что, несомненно, экономически очень выгодно. Прикидочные расчеты показывают, что сирена встречного потока с мощностью не меньшей чем вышеупомянутая американская сирена Chrysler Air Raid Siren может быть изготовлена за 300 тыс рублей и ее потребляемая мощность будет почти в 1,5 раза меньше.
3
Критическими параметрами в применении динамических сирен в промышленности для ускорения технологических процессов являются акустическая мощность и стоимость оборудования для получения этого сигнала. Сравним при приблизительно одинаковой потребляемой мощности ультразвуковую сирену типа ВНИТИ УЗГ-4А с компрессором производительностью 500 м/час и сирену встречного потока (СВП) с центробежным вентилятором высокого давления ВЗР 132-30 №10 45 кВт (см. таблицу 2).
Приведенное сравнение, несомненно, в пользу сирен встречного потока. При этом следует учитывать значительно более высокую надежность и несравнимо более низкие эксплуатационные затраты предлагаемого способа генерации мощного акустического сигнала, по сравнению с обычной парой «компрессор-сирена».
В литературе автором не обнаружены описания способов и устройств, использующих встречное движение ротора сирены и потока рабочего тела для генерации мощного акустического сигнала. Это позволяет сделать заключение: заявляемое техническое решение соответствует первому условию патентоспособности изобретения - новизна.
Данное техническое решение, помимо возможности создания мощного звукового поля, одновременно характеризуется малой стоимостью, высокой надежностью, простотой и низкими эксплуатационными издержками. Если механизм достижения высокоинтенсивного звукового поля простым и экономичным способом, обеспечивающим надежность и широту применения заявляемого способа, был ранее не известен, а показатели нового способа недостижимы другими недорогими способами и устройствами генерации звука, при этом предложенные технические решения, достигающие этот результат, не вытекают явным образом из известного на сегодняшний день уровня техники, решающего аналогичную задачу как минимум эквивалентным образом, то предлагаемое техническое решение соответствует второму условию патентоспособности изобретения - изобретательскому уровню.
Технические элементы предложенных устройств в той или иной мере используются в турбостроении, при производстве центробежных вентиляторов и компрессоров. Привод ротора и статора может осуществляться от одного электродвигателя. Используя зубчатую передачу с соответствующим передаточным числом, можно получить необходимые скорости и направления вращения центробежного колеса и ротора сирены. В случае необходимости изменения частоты сирены, следует использовать частотное регулирование оборотов электродвигателя, для достижения большой девиации частоты используется два электродвигателя отдельно для центробежного колеса и ротора сирены, второй с частотным регулированием. Все это свидетельствует о соответствии третьему условию патентоспособности изобретения промышленной применимости.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1. Эскиз, поясняющий принцип работы радиальной динамической сирены встречного потока с внутренним центробежным колесом по предлагаемому способу. На фигуре 1: 1 - картер сирены, 2 - ротор сирены, 3 - лопатки ротора сирены, 4 - окна ротора и статора сирены, 5 - центробежное колесо, 6 - лопатки центробежного колеса. Узкими стрелками показано направление вращения центробежного колеса и ротора, широкими - направление движения потока рабочего тела. Картер сирены и рупоры на эскизе не показаны.
Фиг. 2. Эскиз, выполненный в виде цилиндрического разреза ротора и статора, поясняющий принцип работы осевой динамической сирены встречного потока. На фигуре 2: 1 - картер сирены, 2 - ротор сирены, 3 - лопатки ротора сирены, 4 - окна ротора и статора сирены, 7 - одна из цилиндрических стенок ротора, ограничивающих лопатки ротора. Узкими стрелками показано направление вращения ротора, широкими - направление движения потока рабочего тела. Картер сирены и рупор на эскизе не показаны.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Гладышев В.Н. Динамическая сирена. Теория, эксперимент, приложения. Новосибирск: Издательство СО РАН, филиал "Гео", 2000.
2. Гершгал Д.А., Фридман В.М. Ультразвуковая технологическая аппаратура. М.: Энергия, 1976.
3. Авторское свидетельство СССР №111446, 1956, «Ультразвуковой генератор типа сирены».
4. Веллер В.А., Степанов Б.И. Ультразвуковые сирены с приводом от электродвигателя. - Акустический журнал., 1963, т. 9, №3, с. 291.
5. Авторское свидетельство СССР №1760538, G10K 7/02, 1991, «Сирена».
6. Патент № US 7066106 В2, 2006, «Механическая отражательная сирена».
7. http://www.vicrorysiren.com/x/index.htm.