ГИДРОДИОД
HYDRODIODE

Изобретение относится к области управления или регулирования расхода жидкости и может быть использовано в различных гидравлических системах, в которых необходимо регулировать параметры потоков при низких и средних давлениях, в том числе в качестве запорных органов гидравлических машин периодического действия (например, в насосах).
Известны гидравлические диоды (в дальнейшем - гидродиоды), содержащие канал с установленными в нем элементами, имеющими поверхности с наклоном в сторону прямого потока (см., например, Носов Е.Ю. Повышение эффективности работы гидропневматических агрегатов с катящимся ротором. Автореферат дисс. канд. наук., 2009 г., стр. 14, рис. 12).
Наиболее близким к заявляемому техническому устройству является гидродиод, содержащий канал прямоугольного сечения для прохода жидкой или газообразной среды, в котором на двух противоположных сторонах канала установлены пары жестких пластин, наклоненных под углом в сторону прямого потока (см. Носов Е.Ю. Повышение эффективности работы гидропневматических агрегатов с катящимся ротором. Автореферат дис. канд. наук., 2009 г., стр. 12, рис. 6).
Недостатком известных конструкций является их низкая диодность (отношение расхода прямого потока к расходу потока в обратном направлении), особенно при работе на низких и средних давлениях жидкости, и существование неопределенности в оптимальном количестве пар таких пластин, что заставляет проектировщика использовать их большое количество, что, в свою очередь, увеличивает габариты, массу и технологическую сложность изготовления гидродиодов.
Технической задачей изобретения является снижение материалоемкости, габаритов и технологической сложности изготовления гидродиодов, а также повышение их диодности при работе на низких и средних давлениях и жидкости.
В
В
l
cos
α
l
α
2
2
Данный технический результат достигается тем, что в известном гидродиоде, содержащем канал прямоугольного сечения для прохода жидкой среды, в котором на двух противоположных сторонах вдоль канала установлены пары жестких пластин, наклоненных под углом в сторону прямого потока, согласно изобретению, пластины установлены относительно друг друга на расстоянии , определяемом по формуле  = ⋅, где  - длина выступающей в канал части пластины,  -угол наклона плоскости пластин к стенке канала, в которую пластины вмонтированы. Кроме того, количество пар пластин, установленных в канале, может находиться в диапазоне 4÷8 штук, при этом меньшее число соответствует рабочей жидкости с высокой кинематической вязкостью, например, 24 мм/с, а большее - с низкой кинематической вязкостью, например, 6 мм/с, и угол наклона пластин, равный углу между плоскостью пластин и плоскостью стенки канала, в которую пластины установлены, может находиться в диапазоне 20÷40 градусов, при этом меньшее число соответствует рабочей жидкости с низкой  кинематической вязкостью, а большее - с высокой  кинематической вязкостью.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показано продольное сечение гидродиода, а на фиг. 2 - его поперечное сечение плоскостью А-А.
На фиг. 3 показан фрагмент конструкции с обозначениями размера выступающей части пластин и их расстоянием друг от друга.
На фиг. 4 показан диод в процессе прохождения по нему потока жидкости в прямом направления (слева - направо), а на фиг. 5 - в обратном направлении (справа - налево).
D
α
На фиг. 6 показан обобщенный график зависимости диодности  от угла  наклона пластин при течении маловязких жидкостей.
D
N
На фиг. 7 показан обобщенный график зависимости диодности  от числа пар пластин при работе гидродиода с маловязкими жидкостями.
D
На фиг. 8 показан обобщенный график зависимости диодности  от оптимального расстояния между пластинами вдоль канала гидродиода, характерном как для вязких, так и для маловязких жидкостей.
α
Гидродиод (фиг. 1 и 2) имеет корпус, содержащий верхнюю 1 и нижнюю 2 плиты и боковые стенки 3 и 4, стянутые резьбовыми креплениями 5 с образованием канала прямоугольного сечения 6 для прохода жидкой среды. В этом канале вдоль него на двух его противоположных сторонах (плитах 1 и 2) в пазах 7 установлены пары жестких пластин 8, наклоненных под углом  (см. также фиг. 3) в сторону прямого потока.
α
Угол  наклона пластин равен углу между плоскостью пластин 8 и плоскостью стенок канала (плит 1 и 2), в которые пластины 8 установлены.
В
l
cos
α
l
α
Расстояние  между пластинами равно произведению ∙, где - длина выступающей в канал 6 части пластин 8, и - угол наклона пластин.
Гидродиод работает следующим образом (фиг. 4 и 5).
При прямом прохождении потока (фиг. 4) линии тока (обозначены стрелками) практически не встречают сопротивление, и жидкость течет, огибая наклонные в сторону потока пластины. В связи с этим расход жидкости в прямом потоке практически не отличается от расхода через канал, проходное сечение которого равно площади канала 6, свободной от пластин 8.
При обратном  течении жидкости (фиг. 5) часть потока жидкости (обозначена стрелками) отклоняется наклонными пластинами 8 в сторону поверхности плит 1 и 2, «упирается» в карман между пластинами с образованием обратного течения и вихря, препятствующих движению жидкости, из-за чего гидравлическое сопротивление гидродиода существенно превышает сопротивление течению жидкости в прямом потоке. В связи с этим, расход жидкости в обратном направлении кратно ниже расхода жидкости в прямом направлении.
D
Q
Q
D = Q
/
Q
.
ПР
ОБ
ПР
ОБ
Вышеописанная работа гидродиода оценивается диодностью , которая равна отношению расхода при прямом течении жидкости  к расходу жидкости в обратном направлении  при одном и том же давлении на входе в гидродиод:
При этом следовало бы ожидать, что чем больше по длине канала гидродиода установлено пар пластин, тем сильнее отличаются прямой и обратный потоки, и диодность должна быть больше.
Однако проведенными экспериментальными исследованиями установлено, что диодность практически перестает расти после установки в канале гидродиода определенного числа пар пластин, то есть диодность, например, при работе на невязких маслах типа И-5а и воде при количестве пар пластин 8-ми шт. больше, чем при установке 7-ми или менее пар пластин, но дальнейшее увеличение количества пар пластин практически этот параметр не увеличивает. Причем, снижение роста диодности начинает явно наблюдаться уже при увеличении количества пар пластин с 5-ти и далее. Оптимальное предельное количество работающих пар пластин зависит также от вязкости жидкости. Для наиболее вязких жидкостей типа 75W (трансмиссионное масло) предельное оптимальное количество пар пластин равно 4-м.
Визуальное наблюдение через прозрачные стенки 3 и 4 за потоком жидкости в гидродиоде, в том числе с применением подкрашенной алюминиевой пудрой жидкости, позволило установить, что относительно высокое гидравлическое сопротивление гидродиода такой формы при течении обратного потока приводит к появлению мельчайших пузырьков воздуха (изображены на фиг. 5 в виде небольших окружностей).
Воздух, который ранее находился в жидкости в растворенном состоянии, выделяется из нее в связи со снижением в ней давления из-за нарастающего гидравлического сопротивления. Этот процесс начинается примерно в зоне установки 4-5-й  пар пластин 8 (для маловязких жидкостей), и далее развивается, что существенно влияет на физико-механические свойства жидкости и условия ее течения через препятствия, т.к. она теряет свою упругость. Это сначала снижает вихреобразование, а потом и сводит его на «нет».
N
N
Это явление отражено на фиг. 7, где показано, что сначала при увеличении числа пар пластин  диодность растет, потом ее рост в зоне между четырех и шести пар пластин замедляется, и при  = 8 рост диодности практически прекращается.
При исследовании жидкостей с высокой вязкостью этот эффект наблюдается уже на второй-третьей паре пластин.
Зависимость между предельным оптимальным количеством пар пластин от вязкости жидкости является практически линейной.
В связи с этим при изготовлении гидродиода данной конструкции достаточно ограничиться предельным оптимальным количеством пар пластин, что исключает неопределенность при проектировании и дает возможность снизить материалоемкость, габариты и затраты на изготовление гидродиода.
ϕ
Экспериментальные исследования также показали, что существует явный оптимум по углу наклона пластин , что отражено на фиг. 6 в виде графика, из которого становится ясным, что в гидродиоде данной конструкции при работе на маловязких жидкостях оптимальным углом наклона пластин является угол, равный 20-ти градусам. При работе на жидкостях с большой вязкостью этот угол равен 40-ка градусам. Зависимость оптимального угла наклона пластин от вязкости жидкости практически линейная. Выполнение этого условия позволяет изготавливать гидродиоды с максимальной диодностью.
В
В
В
l
cos
α
Проведенные натурные опыты также выявили влияние расстояния между пластинами на диодность, что отражено на графике, изображенном на фиг. 8. Установлено, что в гидродиоде такой конструкции оптимальным, обеспечивающим максимальную диодность расстоянием между пластинами, является расстояние , определенное по формуле =⋅, причем это условие не зависит от вязкости жидкости.
Таким образом, следует признать, что поставленная техническая задача полностью выполнена, и предлагаемые конструктивные соотношения позволяют сделать гидродиод с минимальными габаритами, при минимальных затратах на материал и изготовить его с максимальной диодностью.