АКСИАЛЬНАЯ СИРЕНА
AXIAL ALARM

Изобретение относится к гидроакустике и гидродинамике, а именно к устройствам для создания мощных встречных концентрических вихрей в проточной жидкой или газообразной среде, предназначено для выработки тепла в качестве вихревого теплогенератора или для создания всех видов дисперсных систем в качестве диспергатора-гомогенизатора и может быть использовано в теплоэнергетической, нефтегазовой, медицинской, фармацевтической, пищевой, химической, парфюмерно-косметической, металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности.
Сирены - практически единственные мощные источники акустических колебаний для жидких и газообразных сред, действие которых основано на периодическом прерывании потока жидкости или газа. Наибольшее распространение получили динамические (вращающиеся) сирены, подразделяющиеся на аксиальные (осевые) и радиальные. В первом случае поток совпадает с осью вращения, во втором направлен по радиусу перпендикулярно продольной оси.
В качестве прототипа принята промышленная аксиальная сирена U4 фирмы Ultrasonic Corporation /Кроуфорд А.Э. Ультразвуковая техника, пер. с англ., М., 1958/.
В прототипе, как и в большинстве аксиальных сирен, вращающийся диск с отверстиями (ротор) расположен вплотную к неподвижному диску (статору), снабженному таким же числом отверстий. Ротор вращается приводом - электродвигателем или газовой турбиной. Через отверстия в роторе и статоре под давлением поступает рабочая среда (жидкость или газ), периодически прерываясь /Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем. М., 1957; Карновский М.И. Теория и расчет сирен. ЖТФ, 1945, №6, с.348-364; Гладышев В.Н. Динамическая сирена. Теория, эксперимент, приложения. Новосибирск, 2000/. Таким образом, традиционно статор и ротор имеют одинаковое число отверстий (окон). Это обуславливает генерирование стоячей в окружном направлении гидроакустической волны с частотой
ν=fn,
где n - число окон ротора и статора, f - частота вращения ротора.
Задача настоящего изобретения - эффективное генерирование в окружном направлении не стоячих, а бегущих - вращающихся - волн с целью создания встречных концентрических вихревых зон в пространственной области, располагающейся за статором. Аксиальная сирена, генерирующая встречные концентрические вращающиеся вихри, снимаемые с единого ротора, - практически эффективное и высокопроизводительное устройство для выработки тепловой энергии (вихревой теплогенератор) или для производства всех видов высококачественных дисперсных систем (диспергатор-гомогенизатор).
Поставленная задача достигается тем, что модифицируется взаимная перфорация статора и ротора сирены. Ротор сирены по-прежнему содержит n равномерно расположенных окон. Статор сирены содержит несколько рядов окон, равномерно расположенных на концентрических окружностях. Число окон в соседних рядах на единицу меньше или больше числа окон статора: n-1 или n+1. В первом случае за статором возбуждается прямая (попутная) вращающаяся волна, направление вращения которой совпадает с направлением вращения ротора, во втором - обратная (встречная), противоположная направлению вращения ротора. Частоты вращений прямой и обратной волн строго одинаковы и многократно превосходят частоту вращения самого ротора. За статором установлена вихревая труба, в которой и осуществляется вихревое движение жидкой или газообразной среды.
Сопутствующим эффектом является технологическая простота и надежность устройства. Действительно, посредством одного ротора в вихревой трубе возбуждаются вращающиеся аксиальные волны в жидкой или газообразной среде, поочередно меняющие направления вращения с изменением координаты в радиальном направлении, что создает компактный набор встречных концентрических вихрей и повышает качество тепловыделения или диспергирования без всяких дополнительных технологических и энергетических затрат. Скорость вращения встречных концентрических вихрей в прямом и обратном направлениях строго одинакова и многократно превышает скорость вращения самого ротора, что снимает необходимость в высокооборотных приводах ротора.
Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг.1, 2 изображена схема аксиальной сирены, генерирующей одиночный прямой вихрь, скорость вращения которого многократно превышает скорость вращения ротора, на фиг.3, 4 изображена схема аксиальной сирены, генерирующей два встречных концентрических вращающихся вихря, скорости вращения которых строго одинаковы и также многократно превосходят скорость вращения ротора.
Для наглядности на иллюстрациях принято число окон ротора n=4, тогда как на практике число окон ротора значительно больше и может достигать 100 /Allen C.H., Rudnick I. A Powerful High Frequency Siren, Journ. Acoust. Soc. Amer., 19, 857, 1947/.
На фиг.5 показана схема возбуждения торцевой поверхности вихревой трубы, примыкающей к статору, на фиг.6 - схема воздействия потоков жидкости или газа, истекающих из отверстий ротора, на отверстия статора, на фиг.7, 8 - номограммы конструктивных парамеров сирены: частот вращения генерируемых вихрей жидкой или газообразной среды, частот вращения ротора и числа его окон.
Аксиальная сирена на вращающихся встречных концентрических вихрях (фиг.1-4) содержит установленные соосно и параллельно, с минимальным зазором, дисковые неподвижный статор 1 и ротор 2, равномерно вращающийся приводом 3. В дисках статора и ротора выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия - окна. Ротор 2 в любом варианте исполнения имеет n окон (фиг.2, 4). Статор по радиусу условно состоит из некоторого числа последовательно чередующихся кольцевых участков (секций), содержащих n-1 (фиг.2) и n+1 (фиг.4) окон соответственно. В частном случае число таких кольцевых участков статора может быть единичным, и само это кольцо - занимать всю площадь статора (фиг.1, 2). Тогда сирена генерирует один вращающийся вихрь.
Для получения встречного вращения концентрических вихрей, сопровождаемого значительными градиентами скоростей, число секций должно быть два (фиг.3, 4) или больше. Сирена содержит средство для подачи жидкой или газообразной среды 4 к ротору 2. За статором 1 установлена вихревая труба 5, в которой и осуществляется вихревое проточное движение жидкой или газообразной среды.
Сущность изобретения заключается в возможности одновременного получения на одном роторе вращательных гидроакустических вихрей, как совпадающих по направлению с вращением ротора, так и противоположных ему, причем скорости вращения генерируемых вихрей строго одинаковы и многократно превышают скорость вращения самого ротора. Это наиболее функционально для тепловыделения и перемешивания сред, т.к. создаются мощные встречные концентрические вихри, неоднородность возмущения во всех направлениях, устраняются застойные зоны вибраций и осуществляется проточное движение рабочей среды. Возбуждение бегущей вращающейся неосесимметричной в окружном направлении аксиальной волны находит практическое применение в технических системах с циклическим потоком энергии /Свияженинов Е.Д. Спектральные методы решения задач о колебаниях диссипативных механических и электродинамических систем с распределенными параметрами / дис…докт. техн. наук, СПб., 1994, 432 с./.
Итак, три главных результата получены из такого подхода.
1. В вихревой трубе возбуждается двухузловая в окружном направлении неосесимметричная волна осевых гидроакустических колебаний, дающая вращающийся вихрь.
2. Предложенная сирена дает многократное увеличение частоты вращения гидроакустической волны и, соответственно, вихря относительно частоты вращения ротора.
3. Соответствующим выбором перфорации статора направление вращения волны легко может быть изменено на противоположное при одном и том же вращающемся роторе, что позволяет получать встречные вихри на одном вращающемся валу ротора. Последнее особенно важно для тепловыделения и перемешивания жидких или газообразных сред, т.к. на смежных границах встречных вихревых зон создаются пространственные области с высокой кавитацией.
Для возбуждения неосесимметричной вращающейся осевой волны предлагается нетрадиционная схема сирены, а именно особый вид взаимной перфорации статора и ротора. По-прежнему отверстия на статоре и роторе распределены равномерно в окружном направлении, но число отверстий статора на единицу меньшее (для создания прямой, или попутной бегущей, волны, совпадающей с направлением вращения ротора) или на единицу большее (для получения обратной, или встречной, волны, противоположной направлению вращения ротора), чем на роторе (фиг.5).
Работа устройства
p
При равномерном вращении дискового ротора с угловой скоростью ω, на поверхности которого располагается n равномерно отстоящих друг от друга аксиальных потоков жидкости, каждая из n-1 или n+1 щелей на поверхности статора поочередно испытывает пульсацию давления (фиг.5).
Пусть в начальный момент одна из щелей ротора и статора совпадают (фиг.6). Импульс давления со стороны истекающей из ротора жидкости передается в окно статора и вихревую камеру. При повороте ротора на угол  (при прямой волне) или на  (при обратной) толчок давления произойдет на соседнем окне статора - по ходу вращения ротора или против. При повороте ротора на угол
p
p
(n-1)δ=2π/n или на (n+1)δ=2π/n аксиальный импульс давления ровно один раз обежит окружность в прямом или обратном направлении. Таким образом, угловая скорость вращения импульса давления на торцевую поверхность вихревой камеры составляет ω=nω - в прямом и ω=nω - в обратном направлении. Скорости вращения аксиального импульса давления, а следовательно, и вращающегося вихря в прямом и обратном направлениях строго одинаковы и ровно в n раз превышают скорость вращения ротора.
Окончательно частота вращения  ротора 2 (фиг.1, 2, 3, 4) связана с частотой генерируемых осевых гидроакустических колебаний, или частотой вращения вихрей , и числом окон ротора n следующим образом:
f=ν/n
- для сирены как на прямой, так и на обратной бегущей волне.
Номограммы аксиальной сирены
Для проведения проектного анализа и расчета конструктивных параметров по вышеприведенным расчетным формулам построены номограммы асимметричной аксиальной сирены (фиг.7, 8). По ним наиболее легко подбирать ее основные конструктивные параметры: частоты генерируемых осевых колебаний рабочих сред, т.е. частоты вращения вихрей, частоты вращения ротора и числа его окон. Например, задаемся требуемой частотой вращения вихря ν. Тогда по семейству прямых ν (f) подбираем комбинацию числа окон ротора n и частоту его вращения f. Из номограмм видно, что технические параметры асимметричных аксиальных сирен легко реализуются. Так, в качестве привода вполне возможно использование самых распространенных низкооборотных асинхронных электродвигателей.
Пример расчета параметров аксиальной сирены, генерирующей единым ротором встречные концентрические вихри
Пусть требуется возбудить частоту осевых колебаний рабочей среды в вихревой камере ν=500 Гц.
Тогда по семейству прямых ν (f) или по формуле
f=ν/n
- для аксиальной сирены как на прямой, так и на обратной вращающейся волне, получаем возможные комбинации числа окон ротора n и частоту его вращения f.
n, число окон ротора: 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100;
f, частота вращения ротора, об/с: 50 25 17 13 10 8 7 6 6 5.
Итак, с единого ротора снимаются встречные концентрические вихри, скорости вращений которых строго одинаковы и ровно в n раз превышают скорость вращения самого ротора. Благодаря увеличению частоты вращения гидроакустической волны относительно частоты вращения ротора легко достигаются быстровихревые режимы при самых небольших оборотах ротора, одновременно для прямых и обратных волн. В вихревой камере возникают встречные концентрические интенсивные зоны вращательных движений, обеспечивающие тепловыделение рабочей среды или диспергацию. Возможность чередования направлений вращения вихрей дает весьма простое, надежное и эффективное устройство как для тепловыделения, так и для получения высококачественных дисперсных систем. Таким образом, простая по конструкции аксиальная сирена встречных концентрических вихрей, снимаемых с единого ротора, эффективно выполняет функции как вихревого теплогенератора, так и диспергатора-гомогенизатора.
Источники информации
1. Кроуфорд А.Э. Ультразвуковая техника, пер. с англ., М., 1958 (прототип).
2. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., М., 1957.
3. Карновский М.И. Теория и расчет сирен. ЖТФ, 1945, №6, с.348-364.
4. Гладышев В.Н. Динамическая сирена. Теория, эксперимент, приложения. Новосибирск, 2000.
5. Allen C.H., Rudnick I. A Powerful High Frequency Siren, Journ. Acoust. Soc. Amer., 19, 857, 1947.
6. Свияженинов Е.Д. Спектральные методы решения задач о колебаниях диссипативных механических и электродинамических систем с распределенными параметрами / дис…докт. техн. наук, СПб. 1994, 432 с.