ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР КОЛЕБАНИЙ РАСХОДА ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к гидравлическим системам, использующим протекание жидкостей для создания колебаний расхода, и может быть использовано в машиностроении, горнодобывающей, нефтедобывающей промышленности, в медицине и других областях народного хозяйства.
Известен генератор колебаний (Патент РФ N 2087756), который содержит корпус, установленную в нем проточную камеру с каналами закрутки и соплом, напорную магистраль, сообщенную с каналами закрутки, центральное тело, установленное в проточной камере с зазором относительно ее боковой стенки, дополнительную магистраль с ограничителем расхода, подключенной через ограничитель расхода к напорной магистрали и соединенной с выходным соплом через зазор между центральным телом и стенкой проточной камеры.
Недостатками известного устройства являются низкая энергетика жидкостного потока в дополнительном потоке, а также низкий диапазон эксплуатации по давлению и расходу жидкости из-за неоптимальных размеров проходных сечений каналов, что ограничивает область его применения.
Задачей данной полезной модели является повышение эффективности генерирования колебаний расхода жидкости за счет расширения диапазона частот, увеличения амплитуды колебаний давления и расхода.
c
с
с
вx1
c
вх2
c
c
c
кр
кр
с
Решением поставленной задачи достигается тем, что в генераторе колебаний расхода жидкости, содержащем корпус с вихревой камерой, выходное сопло, каналы закрутки, выполненные в двух плоскостях сечения вихревой камеры с взаимно противоположной ориентацией закрутки, магистраль для подачи жидкости и центральное тело, установленное внутри вихревой камеры, согласно полезной модели каналы закрутки первой ступени расположены на входе в сопло, а каналы закрутки второй ступени расположены от каналов первой ступени на расстоянии L=(4÷10)r, где r - минимальный радиус условного эквивалентного круглого сопла Лаваля. Количество каналов в плоскости каждого сечения вихревой камеры составляет n≥3, и они расположены по периметру на одинаковом расстоянии друг от друга, а от оси вихревой камеры на расстоянии R=(1,5÷2,5)r,. При этом суммарная площадь проходных сечений каналов первой ступени равна F=(0,07÷0,15)F, а каналов второй ступени равна F=(0,8÷2,0)F. F - минимальная площадь условного эквивалентного круглого сопла Лаваля (здесь F=F; F - минимальная площадь кольцевого сопла). Зазор между центральным телом и боковой стенкой вихревой камеры лежит в диапазоне (0,3÷0,7)r,
Поставленная задача решается также за счет того, что выходное сопло гидродинамического генератора колебаний расхода жидкости выполнено в виде сверхзвукового кольцевого сопла.
На фиг.1 изображено продольное сечение генератора колебаний расхода и разрезы в сечениях А-А и В-В.
На фиг.2 приведена схема сверхзвукового кольцевого сопла.
с
с
вx1
c
вx2
c
с
с
c
c
кp
кр
Гидродинамический генератор колебаний расхода жидкости содержит корпус 1, установленную в нем вихревую камеру 2 с каналами закрутки 3-1, 3-2 и выходным соплом 4, выполненным в виде сверхзвукового кольцевого сопла 5, и магистраль 6 для подачи жидкости с ограничителем расхода 7, соединенную с каналами закрутки 3-1, 3-2 и емкостью 8. В гидродинамическом генераторе колебаний каналы закрутки первой ступени 3-1 расположены на входе в сопло 4, каналы второй ступени 3-2 расположены от каналов первой ступени на расстоянии L=(4÷10)r. Количество каналов 3 в плоскости каждого сечения вихревой камеры 2 составляет n≥3, которые расположены по периметру на одинаковом расстоянии друг от друга, а от оси вихревой камеры 2 на расстоянии R=(1,5÷2,5)r. При этом суммарная площадь проходных сечений каналов первой ступени 3-1 равна F=(0,07÷0,15)F, суммарная площадь проходных сечений каналов второй ступени 3-2 равна F=(0,8÷2,0)F. В вихревой камере 2 установлено центральное тело 5 с зазором относительно ее боковой стенки, равным h=(0,3÷0,7)r, где r - минимальный радиус, а F - минимальная площадь условного эквивалентного круглого сопла Лаваля (здесь F=F; F - минимальная площадь кольцевого сопла).
Заявляемый гидродинамический генератор колебаний расхода жидкости работает следующим образом.
вx2
вx1
вх2
вx1
Жидкость подают под избыточным давлением по напорным магистралям 6. Причем в магистрали, предназначенной для подачи жидкости в каналы закручивания второй ступени 3-2, установлен ограничитель расхода 7, благодаря которому 80% жидкости поступает в каналы первой ступени, а 20% - в каналы второй ступени. С помощью каналов 3-1 и 3-2 закручивают поток, создавая два противоположно направленных вихря в сечениях А-А и В-В (фиг.1). При этом давление на каналах закручивания обеих ступеней будет одинаковым. В силу того, что эти два вихря направлены друг против друга, при смешении этих двух вихрей в вихревой камере 2 происходит торможение жидкостного вихря, что приводит к уменьшению суммарной скорости вращения жидкости в вихревой камере 2. Так как давление жидкости на стенке вихревой камеры 2 определяется центробежными силами, возникающими при вращении жидкости, то давление в вихревой камере 2 зависит от скорости вращения жидкости в ней. Вследствие этого при подаче в вихревую камеру 2 дополнительной жидкости через тангенциальные каналы второй ступени 3-2 давление в вихревой камере 2 снижается. В результате увеличивается перепад давления на каналах первой ступени 3-1. Это вызывает увеличение расхода жидкости через каналы первой ступени 3-1 и повышение давления в вихревой камере 2. Так как суммарная площадь F проходного сечения каналов второй ступени больше, чем суммарная площадь F проходного сечения каналов первой ступени (F>F), то скорость жидкости, протекающей через каналы второй ступени, мала и, можно считать, что давление в каналах второй ступени 3-2 равно давлению в вихревой камере 2. Тогда, в связи с повышением давления жидкости в вихревой камере 2 поток начинает течь обратно по каналам второй ступени 3-2. При этом ограничитель расхода 7 не пропускает жидкость в основную магистраль 6 и жидкость начинает заполнять емкость 8. Наконец, наступает момент, когда емкость 8 заполняется и давление в каналах второй ступени 3-2 становится больше давления в вихревой камере 2, что приводит к течению жидкости в обратную сторону - в сторону вихревой камеры 2: от емкости 8 - к вихревой камере 2, в результате чего происходит увеличение (колебание) расхода жидкости через сопло 4.
Известно, что чем выше скоростной напор потока жидкости, истекающей из сопла 4, тем дальше (сильнее) бьет струя, а скоростной напор обеспечивается увеличением перепада давления на сопле 4.
Несмотря на простоту конструкции, круглое сопло Лаваля хорошо работает только для фиксированного давления подачи струи в него, а в вихревой камере 2 давление переменное из-за наличия каналов второй ступени 3-2 и емкости 8. На нерасчетных режимах работы сопла Лаваля скорость истечения струи не будет высокой. Например, при понижении давления подачи сопло будет работать на режиме перерасширения и внутрь сопла может заползти скачок уплотнения. В этом случае поток оторвется от стенки сопла, в результате чего резко затормозится истечение струи жидкости из сопла Лаваля.
Этого недостатка лишено сверхзвуковое кольцевое сопло 5. Особенностью конструкции кольцевого сопла является кольцевая (щелевая) форма минимального сечения (рис.2). В кольцевом сопле сверхзвуковая струя с одной стороны ограничивается твердой стенкой центрального тела, а с другой - внешней граничной линией тока (атмосферным давлением). Благодаря наличью свободной поверхности струи, кольцевое сопло обладает способностью автоматического регулирования давления (скорости истечения) на выходе из сопла.
Когда расширение потока происходит на угловой точке, это расширение ограничивается наружным (атмосферным) давлением. Этим самым «отключается» та часть центрального тела кольцевого сопла, где происходит перерасширение потока. На расчетом режиме работы кольцевого сопла внешняя граница струи жидкости направлена параллельно оси сопла. При изменении давления жидкости в вихревой камере 2 (например, при снижении давления жидкости в емкости 8) характер течения струи в кольцевом сопле меняется. В этом случае поток расширяется в волнах разрежения и разворачивается до линии тока OВ′ (поток прижимается к твердой стенке) (рис.2). На крайней волне разрежения (O-m), выходящей из угловой точки О, давление струи становится равным атмосферному давлению. Далее в волне сжатия (m-В′) поток тормозится, и давление струи возрастает. Затем после ряда сжатий и расширений давление струи восстанавливается до давления окружающей среды. Таким образом, давление газа в кольцевом сопле не становится ниже давления окружающей среды, то есть кольцевое сопло при любом давлении подачи всегда работает на расчетном режиме. Далее цикл повторяется.
Предлагаемый генератор колебаний расхода жидкости позволяет расширить диапазон частот, увеличить амплитуду колебаний давления и расхода, повысить эксплуатационные характеристики и область его применения.
с
с
Выбранный диапазон значения радиуса корпуса пульсатора, на котором расположены каналы закрутки, объясняется тем, что при радиусе R/r<1,5 уменьшается давление на жидкостном вихре в камере закручивания (амплитуда колебаний), а при радиусе R/r>2,5 возрастут потери из-за вязкости.
вx1
c
вх2
с
В диапазоне суммарных площадей проходных сечений каналов первой ступени F/F=0,07÷0,15 и второй ступени F/F=0,8÷2,0 обеспечивается максимальная амплитуда колебаний потока жидкости.
При количестве каналов, расположенных по периметру корпуса, n<3 не обеспечивается равномерность жидкостного вихря в камере закручивания.
с
c
При величине зазора между центральным телом и корпусом h/r<0,3 увеличивается сопротивление течению потока жидкости, а при зазоре h /r>0,7 уменьшается скорость потока и произойдет увеличение потерь из-за вязкости.
с
c
При расстоянии, на котором расположены каналы второй ступени, L/r<4 работа каналов будет оказывать влияние на жидкостной вихрь в камере закручивания, а при L/r>10 произойдет увеличение потерь из-за вязкости.
Использование сверхзвукового кольцевого сопла позволяет получить сильную дальнобойную струю на выходе из него при любом перепаде давления на кольцевом сопле.
Использование полезной модели позволит повысить амплитуду колебаний давления и увеличить радиус зоны обработки, расширить диапазон частот, повысить эксплуатационные характеристики оборудования, обеспечить надежность и стабильность его работы при изменении режимов работы генератора, расширить область применения.