ОСЕВОЙ ПРОТИВОТОЧНЫЙ ЗАВИХРИТЕЛЬ

Полезная модель относится к лопастным завихрителям и предназначена для генерации тороидальных вихрей. Заявляемая полезная модель может быть использована в химической, топливной, энергетической, транспортной и других отраслях промышленности для осуществления процессов смешения, сжатия, нагнетания, пыле- и газоочистки, гомогенизации и т.д.
Известны тангенциальные завихрители, работающие по принципу раскручивания рабочего потока внешним потоком другого направления, как правило, направленным по касательной к оси завихрения (патент РФ №1695951 на изобретение «Способ получения воздушно-механической пены и устройство для его осуществления», МПК А 62 С 5/02, опубл.07.12.1991 г., патент РФ №1775147 на изобретение «Способ получения трехфазной пены и устройство для его осуществления», МПК В 01 F 3/04, А 62 С 5/02, опубл.27.06.1995 г.). Недостатками тангенциальных завихрителей являются низкая устойчивость вихревого тороида, сложность конструкции, обусловленная необходимостью наличия дополнительных устройств нагнетания, низкий КПД, составляющий 20-30% и ограниченность применения в вязких средах.
Известны вихревые камеры, в которых закрученный поток образуется за счет разности давлений во входном и выходном патрубке с кольцевыми зазорами, между которыми установлен формирователь и сферические объемы для завихрения. В вихревых камерах используется принцип раскручивания рабочего потока путем изменения его направления и закольцовывания при отражении от стенок камеры (патент РФ №787093 на изобретение «Вихревой газоочиститель, МПК В 04 С 5/08, опубл.15.12.1980 г., патент РФ №882631 на изобретение «Вихревой пылеуловитель», МПК В 04 С 5/30, опубл.23.11.1981 г.). К недостаткам вихревых камер относятся низкий КПД, значительные потери энергии потока. Вихревые камеры имеют ограниченное применение по работе в вязких средах и при создании высоких давлений и разряжений.
Известны лопастные завихрители, работа которых основана на использовании центробежных сил, возникающих при вращении лопастей вокруг центральной оси. Лопастные завихрители характеризуются более простой конструкцией и обеспечивают возможность работы в вязких средах.
Известен лопастной завихритель, содержащий приводной вал с вращающимися лопастями. Оси лопастей выполнены полыми и установлены с зазором на осях, жестко соединенных с приводным валом. Свободное расположение осей дает дополнительную степень свободы лопастям, образуя при вращении три вихря. (патент №РФ 2060807 на изобретение «Лопастной смеситель», МПК В 01 F 7/30, опубл.27.05.1996 г.) Недостатками известного лопастного завихрителя являются:
- повышенное механическое сопротивление обусловленное наличием трех дополнительных осей вращения;
- повышенное динамическое сопротивление обусловленное поперечным обтеканием плоских лопастей и наличием встречных потоков от соседних лопастей;
- наличие паразитной кавитации, понижающей интенсивность перемешивания.
Известен завихритель, состоящий из профилированных лопаток, которые крепятся к втулке обтекателя и имеют переменный по высоте профиль, выполненный с переменными по высоте величинами хорд и радиусами кривизны. Отношение хорд перифирийных сечений к хордам корневых сечений, а также радиусов кривизны периферийных сечений к радиусам корневых сечений находятся в пределах 2,4-1, 2, причем отношение угла выхода потока из завихрителя в корневом сечении к углу выхода потока из завихрителя на периферийном сечении находится в пределах 2,1-2,4. (патент РФ №2226121 на изобретение «Инерционный очиститель газа», МПК B 01 D 454/12, В 04 С 3/00, опубл.02.04.2003 г.) Известный завихритель не исключает рикошет частиц, и для повышения качества очистки требует установки дополнительного устройства, например, устанавливаемого на выходе циклона лопаточного раскручивателя газового потока, профиль лопаток которого выполнен обратным профилю лопаток завихрителя. Все это, в конечном итоге усложняет конструкцию. Известное устройство характеризуется высокими энергозатратами, невысокой интенсивностью вихревого тороида. Известный завихритель не может быть использован при работе с вязкими средами.
Известна наиболее близкая к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранная в качестве прототипа лопастная машина, содержащая вал с жестко закрепленными на нем радиальными профилированными лопастями, выполненными с переменным по размаху от комлевого до периферийного конца лопасти углом наклона поперечного сечения лопасти к плоскости, перпендикулярной оси вала. Входная и выходная сторона лопастей скруглены, при этом входная сторона каждой лопасти установлена под постоянным углом к оси вращения вала, составляющим 80-100°, а выходная сторона каждой лопасти установлена под переменным по размаху лопасти углом к оси вращения вала. Лопасти
плавно изогнуты в поперечном направлении и ориентированы выгнутым местом в сторону входного отверстия корпуса, где размещен вал с лопастями. Лопасти установлены на валу по винтовой линии, закрученной в направлении, противоположной направлению вращения вала с определенным шагом витков. (патент РФ №2079720 на изобретение «Рабочий орган лопастной машины», МПК F 04 D 3/00, F 04 D 7/00, F 04 D 29/18, F 04 D 29/32, опубл.20.05.1997 г.). Известная лопастная машина обладает повышенной производительностью и может быть использована для работы с вязкими средами. Однако геометрия профиля недостаточно оптимальна и не позволяет создать устойчивый тороидальный поток. Наличие динамического сопротивления лопастей не позволяет получить КПД, превышающий 35%. Кроме того, при обработке больших объемов снижается интенсивность вихревого тороида.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение производительности и упрощение конструкции лопастного завихрителя.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении заявляемой полезной модели, заключается в:
- повышении коэффициента полезного действия за счет повышения устойчивости вихревого потока и снижения динамического сопротивления рабочей среды;
- сокращении числа конструктивных элементов, необходимых для закручивания вихревого потока по трем перпендикулярным осям.
Указанный технический результат достигается тем, что заявляемая полезная модель содержит вал с жестко закрепленной на нем, по меньшей мере, одной радиальной профилированной лопастью, выполненной с переменным по размаху от комлевого до периферийного конца лопасти углом наклона поперечного сечения лопасти к плоскости, перпендикулярной оси вал. Периферийный конец лопасти скручен вокруг продольной оси таким образом, что угол наклона поперечного сечения лопасти к плоскости, перпендикулярной оси вала плавно меняет свой знак на противоположный по размаху, обеспечивая создание разнонаправленного вектора тяги в комлевой и периферийной частях.
Предпочтительно, чтобы комлевой конец лопасти была прикреплен к валу под углом 45°.
Предпочтительно, чтобы угол скрутки периферийного конца лопасти относительно комлевого конца составлял 90°.
Предпочтительно также, чтобы части лопасти с разнонаправленными векторами тяги имели разную длину, при этом комлевая часть лопасти была выполнена превышающей по длине периферийную часть.
В отдельных случаях выполнения периферийный конец лопасти может быть скручен вокруг продольной оси по часовой стрелке.
В других случаях выполнения периферийный конец лопасти может быть скручен вокруг продольной оси против часовой стрелки.
В некоторых случаях выполнения развертка лопасти на плоскость может иметь форму прямоугольника.
В других случаях выполнения развертка лопасти на плоскость может иметь форму, отличную от прямоугольника.
Предпочтительно, чтобы поперечное сечение лопасти имело прямоугольную форму.
В отдельных случаях исполнения поперечное сечение лопасти может иметь форму, отличную от прямоугольной.
Сопоставительный анализ заявляемой полезной модели с прототипом показал, что во всех случаях она отличается от известного, наиболее близкого технического решения выполнением периферийного конца лопасти скрученным вокруг продольной оси таким образом, что угол наклона поперечного сечения лопасти к плоскости, перпендикулярной оси вала плавно меняет по размаху лопасти знак на противоположный, обеспечивая создание разнонаправленного вектора тяги в комлевой и периферийной частях.
В отдельных случаях выполнения заявляемая полезная модель отличается от известного указанного выше, наиболее близкого к нему технического решения:
- выполнением комлевой части лопасти прикрепленной к валу под углом 45°;
- выполнением угла скрутки периферийного конца лопасти относительно комлевого составляющим 90°;
- выполнением частей лопасти с разнонаправленными векторами тяги имеющими разную длину, при этом комлевая часть лопасти превышает по длине периферийную часть;
- скручиванием периферийного конца лопасти вокруг продольной оси по часовой стрелке;
- скручиванием периферийного конца лопасти вокруг продольной оси против часовой стрелки;
- использованием лопасти, с разверткой на плоскость в форме прямоугольника;
- использованием лопасти, с разверткой на плоскость в форме, отличной от прямоугольника;
- прямоугольной формой поперечного сечения лопасти;
- формой поперечного сечения лопасти, отличной от прямоугольной.
Выполнение периферийного конца лопасти скрученным вокруг продольной оси таким образом, что угол наклона поперечного сечения лопасти к плоскости, перпендикулярной оси вала плавно меняет по размаху лопасти знак на противоположный, обеспечивая создание разнонаправленного вектора тяги в комлевой и периферийной частях лопасти, позволяет оптимизировать геометрию лопасти, в результате чего ускоряется переход потока из ламинарного в вихревой режим, уменьшаются потери энергии при поддержании торбулентности. За счет закольцовывания потока сокращается динамическое сопротивление. Вихревое закручивание потока вокруг 3-х осей создает касательное по потоку обтекание лопасти по всей длине, увеличивая КПД устройства и обеспечивая устойчивую приосевую рециркуляционную зону. Крепление комлевого конца лопасти к валу под углом 45° и выполнении угла скрутки периферийного конца относительно комлевого равным 90° обеспечивает ориентацию лопастей в плоскости вращения под углом атаки, создающим у комля лопасти тягу вниз, а на периферии лопасти - вверх. Выполнение комлевой части лопасти превышающей по длине периферийную часть обеспечивает компенсацию разряжения, образующегося в результате центробежных сил у оси вращения вихревого потока.
Предлагаемый осевой противоточный завихритель иллюстрируется следующими иллюстративными материалами.
На фиг.1 изображен общий вид осевого противоточного завихрителя с одной лопастью.
На фиг.2 изображен общий вид осевого противоточного завихрителя с четырьмя лопастями.
На фиг.3 изображено схемное изображение трехмерного движения потока («вращающегося вихревого кольца»), создаваемого лопастями завихрителя.
На фиг.4 изображена схема трех осей закручивания вихревого потока.
На фиг.5 изображена траектория движения вихревого потока за один период.
к
Осевой противоточный завихритель, содержит вал 1, на котором жестко закреплена, по меньшей мере, одна радиальная профилированная лопасть 2. Периферийный конец 3 лопасти 2 скручен вокруг своей продольной оси Х на угол β относительно комлевого конца 4. Угол атаки α, представляющий собой угол наклона поперечного сечения лопасти 2 к плоскости, перпендикулярной оси вала 1, по размаху от комлевого конца 4 лопасти к периферийному ее концу 3 плавно меняет свой знак на противоположный - с положительного на отрицательный или наоборот. Вектор тяги Vк в комлевой части и вектор тяги Vп в периферийной части лопасти имеют разное направление. Предпочтительно, чтобы комлевой конец 4 лопасти был прикреплен к валу 1 под углом α, равным 45° Предпочтительно также, чтобы угол β
к
n
скрутки периферийного конца 3 лопасти относительно комлевого конца 4 составлял 90° Предпочтительно, чтобы части лопасти с разнонаправленными векторами тяги имели разную длину, при этом длина комлевой части L была выполнена превышающей по длине периферийную часть L В отдельных случаях выполнения периферийный конец 3 лопасти 2 может быть скручен вокруг продольной оси Х по часовой стрелке. В других случаях периферийный конец 3 лопасти 2 может быть скручен вокруг продольной оси Х против часовой стрелки. Развертка лопасти 2 на плоскость может иметь форму прямоугольника, либо иную, отличную от прямоугольника форму, например, овальную, треугольную и т.д. Лопасть 2 в поперечном сечении может иметь прямоугольную форму, либо иную форму, отличную от прямоугольной.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом.
Завихритель приводится во вращение вокруг оси Y. Лопасти 2 при этом создают в ламинарном потоке различной вязкости трехмерное движение типа «вращающегося вихревого кольца» (квазистационарный поток с осевым противотоком), схематично изображенное на фиг.3. Сначала поток с повышенной угловой скоростью опускается вниз и упирается в комлевую часть завихрителя, затем отбрасывается вниз и от центра. Центробежные силы направляют его к периферии. Попадая в область разряжения под краями лопасти у периферии, засасывается и отбрасывается вверх, затем двигается в зону разряжения вверху в центре. И далее по такому же закольцованному циклу. В результате завихритель приобретает свойства, применимые к генерации тороидального вихря в потоках текучих сред - газо, жидкостей, вязких сред). При отсутствии ограничивающих стенок вихревое кольцо имеет разомкнутую структуру (смерч, вихревая воронка, торнадо). Если есть боковые стенки, то полости камеры в сечении, проходящем через ось вращения, целесообразно выполнять в форме, близкой к форме круга, в этом случае тороидальный вихрь более устойчив. Под действием центробежных сил у оси вращения вихревого тороида образуется разряжение, что снижает эффективность лопасти в комлевой части. Для снижения действия центробежных сил комлевую часть лопасти целесообрано изготавливать длиннее периферийной части. При использовании различного соотношения длин части лопасти с положительным и отрицательным вектром тяги можно получить различные направления вектора равнодействующей тяги для ускорения подвода или вывода потока извне.
Суммарная угловая, и, как следствие, характерная линейная скорость потока возрастают, что при прочих равных условиях приводит к увеличению числа Рейнольдса (Re). Соответственно, уменьшается инерционность, повышается устойчивость турбулентного потока по сравнению с прототипом.
Закручивание лопастями потока по 3-м перпендикулярным осям (скрутки лопасти X, вращения вала У, вращения тороида Z), используя одну ось вращения вместо трех, упрощает конструкцию завихрителя. Кроме того, повышается устойчивость к прецессии и смещениям вихревого ядра из-за стабилизирующей активности завихрителя.
Динамические параметры зависят от геометрических параметров лопасти: формы профиля (поперечного сечения) лопасти, угла установки лопасти, угла и направления скрутки, формы развертки лопасти, числа лопастей, соотношение частей длин с положительной и отрицательной тягой.
Опытные испытания заявленной полезной модели показали следующие Для испытаний был изготовлен образец, выполненный из плотной резины, представляющий собой вал с двумя жестко закрепленными, диаметрально расположенными профилированными лопастями, выполненными с переменными по размаху от комлевого до периферийного конца лопасти углом наклона поперечного сечения лопасти к плоскости, перпендикулярной оси вала. Комлевой конец установлен под углом 45° к плоскости, перпендикулярной оси вращения вала. Периферийный конец лопасти скручен вокруг продольной оси по часовой стрелке на 90° при этом рабочая (нагнетающая) часть лопасти становится тыльной при удалении от комля к периферии, а тыльная, наоборот, становится нагнетающей. От комля угол атаки с +45° градусов постепенно уменьшается до 0° и далее до -45°, направляя поток противоточно по отношению к комлевой части завихрителя при этом рабочая (нагнетающая) часть лопасти становится тыльной при удалении от комля к периферии, а тыльная, наоборот, становится нагнетающей. Испытания проводились при погружении опытного образца завихрителя в воду на глубину, равную 4-х кратному размеру диаметра завихрителя по размаху двух лопастей, и скорости оборотов двигателя 800 об/мин. По результатам испытаний опытного образца были получены следующие результаты:
- уменьшение времени образования вихревой воронки примерно в 2-2,5 раза по сравнению с известным завихрителем;
- увеличение времени «жизни» вихря после отключения работы двигателя, на 50-60%% по сравнению с известным завихрителем;
- создание устойчивого конуса вихревой воронки с увеличенным диаметром.
Испытания опытного образца завихрителя в вязкой среде подтвердили возможность создания в ней вихревой воронки, в отличие от известного завихрителя, не способного в вязкой среде создавать воронку.
Полезная модель может быть изготовлена из пластика или металла с помощью промышленного оборудования, используемого, например, для изготовления вентиляторов или гребных винтов, с применением известных технологий обработки материалов - выплавки в форме, механической обработки, штамповки, крутки и т.д.