Делитель потока аддитивный
ADDITIVE FLOW DIVIDER

Изобретение относится к газодинамическим устройствам разделения потоков газовоздушных смесей и может быть использовано, для разделения газовоздушных смесей на две части с саморегулируемым (аддитивным) заданным соотношением массовых расходов на выходе из делителя.
При разработке концепции конструктивных схем малогабаритных газогенераторов воздушного охлаждения возникает необходимость разделения расхода воздуха на входе в газогенератор на два потока с заданным соотношением массовых расходов в частности 2:1, которое бы сохранялось постоянным не зависимо от изменения давления в нормированных пределах (например: до ± 5%) на входе в газогенератор. Это требование вызвано тем, что одну часть входного расхода воздуха необходимо подавать в зону охлаждения жаровой трубы при организации устойчивого горения в камере сгорания, а другую часть подавать в зону подготовки рабочей смеси для надежного поджога системой плазменных электрических свечей. Для решения указанной конструктивной задачи и предложен газодинамический саморегулирующийся (аддитивный) делитель потока.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, является устройство обеспечивающее разделение потока (делитель потока) газовой смеси на две части перед их сжиганием, включающее корпус с торцевой стенкой с входным и осевым выходным патрубками и расположенную в корпусе с образованием полости подвода газа вихревую камеру, содержащую торцевую стенку с установленным на ней тангенциальным завихрителем и патрубком, образующим центральный осевой канал, направленный соосно с выходным патрубком и образующий между ним и патрубком щелевой канал, сообщенный с полостью подвода газа.
/RU №2333422, МПК F23C 3/00 Опубликовано 10.09.2008 г. /
Известное устройство не позволяет поддерживать постоянство соотношений массовых расходов в разделенных потоках газа на выходе из устройства, независимо от изменения (возмущения) давления на входе в делитель потока из-за нестабильности аэродинамического сопротивления каналов.
Задача изобретения - повышение эффективности работы делителя
Ожидаемый технический результат - снижение аэродинамического сопротивления проточной вихревой части делителя, обеспечение самопроизвольного поддержание постоянным заданного соотношения массовых расходов газа на выходе, при нормированных изменениях давления на входе.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что известный делитель потока, включающий корпус с торцевой стенкой с входным и осевым выходным патрубками и расположенную в корпусе с образованием полости подвода газа вихревую камеру, содержащую торцевую стенку с установленным на ней тангенциальным завихрителем и патрубком, образующим центральный осевой канал, направленный соосно выходному патрубку и образующий между ним и патрубком щелевой канал, сообщенный с полостью подвода газа, по предложению, он снабжен калибровочной шайбой, установленной в щелевом канале и кольцевым уступом с углом обтекания  тангенциальный завихритель выполнен в виде каналов, соединяющих полость подвода газа и полость центрального осевого канала, а щелевой канал в узком сечении выполнен в виде сужающегося сопла, при этом кольцевой уступ выполнен на тангенциальном завихрителе перед узким сечением сужающегося сопла, а калибровочная шайба установлена за кольцевым уступом перед патрубком вихревой камеры. Входной патрубок может быть установлен на корпусе тангенциально, а в торцевой стенке корпуса и/или вихревой камеры выполнено, по меньшей мере, одно окно для установки узла подачи топлива, по направлению оси симметрии делителя потока.
Предложение иллюстрируется графическими материалами.
На Фиг. 1 - изменение коэффициента расхода выходной осевой полости делителя в зависимости от перепада давления;
На Фиг. 2 - изменение коэффициента газодинамического сопротивления в полости подачи осевого потока газа в зависимости от перепада давления;
На Фиг. 3 - зависимость коэффициента расхода газа через осевой канал подвода от газодинамического сопротивления общей газовой полости с уступом;
На Фиг. 4 - схема делителя с окнами для установки узла подачи горючего в торцевых стенках корпуса и вихревой камеры;
На Фиг. 5 - схема делителя с окном для установки узла подачи топлива в торцевой стенке вихревой камеры;
На Фиг. 6 - схема делителя потока для подачи смеси горючего газа.
На Фиг. 7 - изменение отношения  - расхода газа в условно тангенциальном направлении с постоянным газодинамическим сопротивлением к  - расходу газа в условно осевом направлении с переменным газодинамическим сопротивлением в зависимости от угла обтекания уступа.
Предложение основано на использовании в устройстве средств, обеспечивающих самопроизвольное поддержание постоянным заданного соотношения массовых расходов газа на выходе, независимо от изменения (возмущения) давления в нормированных пределах на входе в делитель потока. В качестве этих средств в устройстве использована калибровочная шайба и кольцевой уступ с углом обтекания 45°....75°. Кольцевой уступ в щелевом канале выполнен на тангенциальном завихрителе за местом отвода газа виде каналов, соединяющих полость подвода газа и полость центрального осевого канала, перед установленной в щелевом канале калибровочной шайбой. После подачи газа на кольцевой уступ за счет угла обтекания 45°....75° на участке канала уступ - калибровочная шайба происходит пропорциональное саморегулирование расходов газовых смесей. При этом скорость газа в расходных отверстиях не должна превышать числа Маха М≤0.4 для обеспечения несжимаемости газовой среды. Превышение скорости М≥0.4 требуют проведения дополнительных исследований эффективности газодинамического саморегулирующегося делителя потока.
При определении параметра саморегулирования делителя потока при дозвуковом течении газа М≤0.4, можно принять постоянной плотность газа, т.е. ρ = Const. На основании закона сохранения массы в полости подвода газа, баланс расхода газа определяется соотношением
где:  - подводимый массовый секундный расход газа к полости;  - расход газа в условно осевом направлении с переменным газодинамическим сопротивлением;  - расход газа в условно тангенциальном направлении с постоянным газодинамическим сопротивлением.
Величина распределения расхода газа по направлениям задана и должна поддерживаться постоянной
Для рассматриваемого делителя α=2, с учетом того, что коэффициент расхода для осевого потока газа будет зависеть от переменного газодинамического сопротивления за счет установки уступа с входным переменным углом ϕ=Var, заданной геометрической формы и калибровочной шайбы соотношение (1) с учетом (2) можно преобразовать к виду
ш
oc
ш
oc
c
o
где: D - внутренний диаметр отверстия осевого потока;d - диаметр калибровочной шайбы; μ(ϕ,d) - переменный коэффициент расхода кольцевой площади осевого потока; ΔР=Р -Р - перепад давления на кольцевой площади осевого потока.
Анализ зависимости (3) показывает, что в предлагаемом делителе саморегулирующие газодинамическое управление осуществляется по математической модели
или
co
где:ζ - коэффициент газодинамического сопротивления полости подвода газа.
Соответственно, коэффициент газодинамического сопротивления полости делителя определяется зависимостью вида
Качественное изменение коэффициента расхода выходной осевой полости делителя показано на Фиг. 1.
Изменение коэффициента газодинамического сопротивления в зависимости от перепада давления представлено на Фиг. 2. Анализ графиков Фиг. 1 и Фиг. 2 показывает, что при росте перепада давления, которое определяет массовый секундный расход через осевую полость подачи газа, коэффициент расхода уменьшается, соответственно газодинамическое сопротивление растет Фиг. 2. Таким образом, изменение указанных параметров течения газа (коэффициентов сопротивления или расхода) в зависимости от изменения перепада давления может служить саморегулятором (параметром саморегулирования) делителя которое определяет заданное соотношение массовых секундных расходов по заданным направлениям при колебании входного давления в основную полость подачи газа делителя.
Зависимость коэффициента расхода газа через осевой канал подвода от газодинамического (гидравлического) сопротивления общей газовой полости с уступом делителя показана Фиг. 3. На Фиг. 3. видно, что коэффициент расхода осевого канала уменьшается с увеличением гидравлического сопротивления общей полости подвода газа. При этом предполагается, что гидравлическое сопротивление общей полости подвода газа будет расти из - за обтекания уступа делителя и интенсивного вихреобразования за уступом перед калибровочной шайбой.
с
Анализ зависимостей (2 - 5) показывает, что при изменении по каким либо причинам, например давления на входе в полость подвода газа в делителе на величину |±ΔР| (±5%) должно привести к изменению массового расхода через соответствующий расходный канал подачи газа:
- в осевом направлении
- в тангенциальном направлении
и соответственно изменение общего расхода на входе в устройство составит
Постоянство величины возмущуения по массовому расходу (8) объясняется простой математической моделью вида:
Таким образом зависимости (10) показывают каким образом происходит пропорциональное саморегулирование предлагаемого устройства, что также показано на Фиг. 3. При этом ожидается, что выполняется условие (3) независимо от величины возмущения (9) по математической модели саморегулирования делителя вида
где: при α=1/2
- отношение перепадов давления в тангенциальном и осевом расходном каналах;
- отношение соответствующих коэффициентов расхода.
ос
ш
oc
ш
Газодинамический процесс саморегулирования делителя описывается зависимостью (11), анализ которой показывает, что соотношение перепадов давления в тангенциальном и осевом расходном каналах остается постоянным (постоянны и соответствующие массовые расходы газа). Данное постоянство обеспечивается за счет изменения площади F(d), регулируемой колибровочной шайбой и изменения коэфициента расхода подвода осевого канала μ(ϕ,d) при случайном изменении давления на входе в устройство в интервале (±5%) и угле обтекания на кольцевом уступе 45°....75°. При отклонениях давления на входе не более (±5%), а также при наличии угла обтекания менее 45° или более 75° процесс газодинамического саморегулирования в делителе не будет осуществляться.
Предложенная конструкция делителя потока допускает любое расположение входного патрубка на корпусе, преимущественным является установка входного патрубка на корпусе тангенциально. В торцевой стенке корпуса или вихревой камеры или корпуса и вихревой камеры может быть выполнено, по меньшей мере, одно окно для установки узла подачи топлива, по направлению оси симметрии делителя потока. Конструкции узлов подачи горючего не рассматриваются в рамках данного предложения.
Делитель потока включает корпус 1 с торцевой стенкой, входной патрубок 2, осевой выходной патрубок 3 и вихревую камеру, расположенную в корпусе 1, с образованием полости подвода газа 4. Камера содержит торцевую стенку 5, с установленным на ней тангенциальным завихрителем 6 и патрубком 7, образующим центральный осевой канал 8, направленный соосно с выходным патрубком 3 и образующий между патрубком 3 и патрубком 7 щелевой канал 9, сообщенный с полостью подвода газа 4. Делитель потока снабжен калибровочной шайбой 10, установленной в щелевом канале 9 и кольцевым уступом 11 с углом обтекания 45° - 75°, тангенциальный завихритель выполнен в виде каналов 12, соединяющих полость подвода газа 4 с центральным осевым каналом 8, а щелевой канал 9 в узком сечении выполнен в виде сужающегося сопла 13, при этом кольцевой уступ 11 выполнен на тангенциальном завихрителе 5, перед узким сечением сужающегося сопла 13, а калибровочная шайба 10 установлена за кольцевым уступом 11 перед патрубком 7 вихревой камеры. Входной патрубок 2 может быть установлен на корпусе 1 тангенциально, а в торцевой стенке корпуса и/или вихревой камеры может быть выполнено, по меньшей мере, одно окно 14 для установки узла подачи топлива по направлению оси симметрии делителя потока.
Делитель потока работает следующим образом. Поток газа через патрубок 2, подводится к полости подвода газа 4, с постоянным  - массовым секундным расходом газа. После чего часть газа по тангенциальным каналам 12 завихрителя 6 поступает в осевой канал 8 вихревой камеры, а другая часть поступает в щелевой канал 9. Величина отношения распределения расхода газа  - в условно тангенциальном направлении с постоянным газодинамическим сопротивлением к  - расходу газа в условно осевом направлении с переменным газодинамическим сопротивлением задана и поддерживается постоянной  при колебаниях давления газа на входе не более (±5%). Величина отношения распределения расхода газа поддерживается постоянной, путем регулирования газодинамического сопротивления потока в условно осевом направлении с помощью, выполненного на тангенциальном завихрителе 6, кольцевого уступа 11 с углом обтекания 45°-75° и калибровочной шайбы 10 установленной в щелевом канале.
Результаты испытаний делителя потока, выполненного по схеме Фиг. 6 со сменными кольцевыми уступами с углами обтекания в интервале 45°-75° при использовании воздушно - метановой смеси и при произвольных колебаниях давления газа на входе в делитель в интервале не более (±5%), приведены на графике (Фиг. 7) изменения обратной величины отношения  - расхода газа в условно тангенциальном направлении с постоянным газодинамическим сопротивлением к  - расходу газа в условно осевом направлении с переменным газодинамическим сопротивлением в зависимости от угла обтекания уступа.
Анализ результатов показывает, что оптимальное отношение  достигается при угле обтекания 58°. При колебаниях величины угла обтекания кольцевого уступа в интервале 45°-75°, отклонение отношения  от оптимального не превышает 1,12% процента. Дальнейшее увеличение угла обтекания приводит к значительному увеличению отклонения отношения от оптимального значения. Таким образом в интервале угла обтекания кольцевого уступа 45°-75°, делитель потока при колебаниях давления газа на входе за счет изменения газодинамического сопротивления самопроизвольно поддерживает оптимальным расход газа по каналам.
Изобретение позволяет эффективно разделять газовоздушные смеси различного состава, снизить аэродинамическое сопротивления проточной вихревой части делителя, обеспечить самопроизвольное поддержание постоянным заданного соотношения массовых расходов газа на выходе, при нормированных изменениях давления на входе, получать высокоэнергетические струи газовых смесей и направлять их без разрушения для использования в различных установках.