СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ ЖИДКОСТНОГО ПОТОКА И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР КОЛЕБАНИЙ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO GENERATE OSCILLATIONS OF LIQUID FLOW AND HYDRODYNAMIC GENERATOR OF OSCILLATIONS FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к технике создания пульсирующих жидкостных потоков и может быть использовано в технологических процессах, требующих проведения циклов интенсивного воздействия с помощью колебаний расхода и давления жидкости.
Известен способ создания пульсирующей жидкостной струи, включающий закручивание жидкости и образование двух противоположно направленных вихрей, периферия которых гидравлически связана с упругой полостью и выходным соплом, пульсирующую жидкость из которого смешивают с дополнительной скоростной струей, а также устройство для реализации этого способа, содержащее напорную магистраль, корпус с вихревой камерой и центральным телом, каналы закрутки, выполненные в двух плоскостях вихревой камеры и противоположно ориентированные, выходное сопло из вихревой камеры и гидравлически соединенное с ним дополнительное сопло (RU №2310078, 10.11.2007 г.).
Недостатком известного способа и устройства является узкий диапазон его эффективной эксплуатации, проявляющийся в необходимости наличия на выходе из устройства среды с минимальным волновым сопротивлением, например воздушной. При истечении в затопленную жидкостью среду сопротивление пульсациям будет возрастать, что существенно сужает диапазон применения способа и устройства по расходу. Наличие полости с упругостью приводит к увеличению внешних габаритов устройства, а для сохранения требуемой упругости - к необходимой регулировке давления в полости в соответствии с давлением в напорной магистрали и обрабатываемой среде.
Известен способ генерирования колебаний жидкостного потока, состоящий в том, что жидкость закручивают в двух противоположно направленных вихрях, разделяют их промежуточным соплом центробежной форсунки, один вихрь соединяют с упругой полостью, а другой с выходным соплом, а также генератор колебаний для реализации способа, содержащий напорную магистраль, вихревую камеру с центральным телом и зазором между ними, двумя рядами каналов закрутки, противоположно ориентированными и разделенными промежуточным соплом, при этом один ряд каналов соединен с упругой полостью, а другой с выходным соплом (RU №2296894, 10.04.2007 г.).
Устройство устойчиво работает в воздушную среду в широком диапазоне расхода и давления, при этом к недостаткам можно отнести то, что наличие полости с упругостью приводит к увеличению габаритов конструкции. При истечении в затопленное жидкостью пространство для поддержания устойчивого режима генерации необходимо увеличивать давление нагнетания, что в свою очередь приводит к нерегулируемому росту частоты колебаний и к необходимости компенсировать давление, создаваемое в упругой полости, при этом для расширения рабочего диапазона необходимо устанавливать за выходным соплом дополнительную упругую полость.
Известен способ генерирования колебаний жидкостного потока, состоящий в том, что жидкость под давлением закручивают и формируют не менее двух противоположно направленных вихрей с одинаковым давлением подачи, периферия которых гидравлически связана с полостью с регулируемой упругостью. Известен генератор колебаний для реализации способа, содержащий корпус с вихревой камерой, каналы закрутки, выполненные в двух плоскостях сечения вихревой камеры с взаимно противоположной ориентацией, выходное сопло, напорную магистраль, соединенную с каналами закрутки, и установленное в вихревой камере с зазором относительно боковой стенки центральное тело, при этом корпус снабжен полостью с регулируемой упругостью, сообщенной с вихревой камерой, и через зазор с выходным соплом (RU №2144440, 20.01.2000 г.).
К недостаткам известного способа и устройства можно отнести потери интенсивности закрутки из-за смешения в одной камере противоположно направленных вихрей, что в результате приводит к снижению интенсивности генерации колебаний, а наличие объема для установки полости с упругостью приводит к увеличению габаритов конструкции и к необходимости компенсировать давление в ней при истечении жидкости в пространство с повышенным давлением.
Наиболее близким по способу и техническому решению по реализации является способ генерирования колебаний жидкостного потока, заключающийся в том, что жидкость подают под избыточным давлением и разделяют на основной и дополнительный автономные потоки, осуществляют закручивание основного потока для образования вихря, а в дополнительном частично стравливают давление и подают на периферию вихря с окружной составляющей скорости, меньшей окружной скорости основного потока, и генератор колебаний для осуществления этого способа, который содержит корпус, установленную в нем проточную камеру с каналами закрутки и выходным соплом, напорную магистраль, сообщенную с каналами закрутки, при этом корпус снабжен центральным телом, установленным в проточной камере с зазором относительно ее боковой стенки, дополнительной магистралью с ограничителем расхода, подключенной через зазор между центральным телом и стенкой проточной камеры (RU №2087756, 20.08.1997 г.).
Недостатками известного способа и устройства являются непроизводительные потери энергии дополнительного потока из-за частичного стравливания давления, что приводит к сужению частотного диапазона, а использование ограничителя расхода при формировании дополнительного потока - к увеличению габаритов устройства, необходимых для увеличения колеблющейся массы жидкости и сохранения энергии взаимодействия с периферией закрученного потока. Генератор колебаний устойчиво работает в воздушное пространство. При истечении в затопленное жидкостью пространство для поддержания устойчивого режима генерации в широком диапазоне расхода и давления необходимо устанавливать за выходным соплом дополнительную упругую полость, которая в свою очередь будет потреблять часть энергии колебаний.
Задачей данного изобретения являются расширение функциональных и эксплуатационных возможностей за счет управления амплитудно-частотной характеристикой генерации колебаний, расширения рабочих диапазонов используемых при этом расходов и давлений, уменьшения габаритов и упрощения конструкции с сохранением устойчивого режима генерирования колебаний жидкостного потока в различных средах, снижения энергетических потерь.
Решение поставленной задачи достигается при использовании способа генерирования колебаний жидкостного потока, состоящего в том, что жидкость нагнетают под давлением, разделяют на основной и дополнительный автономные потоки, основной поток закручивают и стравливают через сопло, а дополнительный поток направляют на периферию основного потока, согласно изобретению, осевую часть основного закрученного потока направляют в дополнительный поток и разделяют их с помощью упругой перегородки, а при разделении жидкости на автономные потоки поддерживают расход в дополнительный поток по величине равным или меньшим, чем величина расхода в основной закрученный поток.
Для регулирования частотного диапазона колебаний жидкостного потока целесообразно изменять сжимаемость потока в осевом канале добавлением в него газа.
Для регулирования частоты колебаний в потоке осевого канала используют полость с упругостью.
Поставленная задача решается также тем, что в гидродинамическом генераторе колебаний, содержащем напорную магистраль с жидкостью, корпус с выходным соплом и проточной камерой с центральным телом, установленным с зазором относительно ее боковой стенки, и каналами закрутки, дополнительную магистраль, соединенную с корпусом и сообщенную с напорной магистралью, а также через зазор проточной камеры с выходным соплом, согласно изобретению, в центральном теле проточной камеры выполнен осевой канал, вход которого расположен напротив выходного сопла, а выход расположен в дополнительной магистрали и закрыт упругой перегородкой, дополнительная магистраль сообщена с напорной магистралью через, по крайней мере, один распределительный канал, площадь проходного сечения которого меньше или равна суммарной площади проходных сечений каналов закрутки.
При небольших перепадах давления на гидродинамическом генераторе колебаний целесообразно упругую перегородку выполнить в виде эластичной оболочки или сильфона, а при больших перепадах давления - в виде подпружиненной мембраны или подпружиненного поршня.
Для регулирования частоты генерации колебаний целесообразно осевой канал снабдить полостью с упругостью.
Для регулирования частоты колебаний целесообразно полость с упругостью выполнить в виде емкости, заполненной сжимаемой средой, вход которой закрыт эластичной оболочкой.
С целью управления частотой колебаний в среде с небольшой плотностью, например воздушной, целесообразно снабдить выходное сопло дросселем.
В заявляемом изобретении реализуется механизм возбуждения автоколебаний, позволяющий получить новый технический результат, который заключается в том, что регулирование потока жидкости через гидродинамический генератор колебаний происходит с помощью взаимодействия двух автономных потоков, закрученного и дополнительного, как через периферию закрученного потока, так и через его середину. Взаимодействие потоков через периферию происходит с помощью открытой гидравлической связи смешением жидкостей, а через середину обеспечивают упругое взаимодействие потоков, осуществляя обратную связь для управления интенсивностью вращения закрученного потока. Именно упругое взаимодействие обеспечивает самовозбуждение автоколебаний жидкости в дополнительном потоке, который периодически, через периферию, присоединяясь к закрученному потоку, уменьшает его интенсивность, увеличивая тем самым расход жидкости через сопло. В заявляемом изобретении реализуется новый механизм управления амплитудой и частотой колебаний потока из сопла. Так как расход жидкости в основном закрученном потоке меняется в зависимости от давления нагнетания, а расход жидкости в дополнительном потоке поддерживают меньшим или равным этому расходу, то создаются условия для регулирования давления на периферии основного закрученного потока и управления по времени силой взаимодействия с дополнительным потоком. Такое управление позволяет изменять частоту и амплитуду колебаний потока из сопла в зависимости от нагнетаемого давления жидкости.
Предложенная конструктивная реализация способа позволяет начинать работу гидродинамического генератора уже при низких перепадах давления и небольших расходах независимо от среды, в которой происходят колебания, так как процесс возбуждения автоколебаний начинается благодаря распределению и взаимодействию потоков внутри самого устройства, тем самым расширяется рабочий диапазон расходов и давлений, при которых обеспечивается устойчивая генерация с высокой амплитудой при снижении энергетических затрат. При этом данное конструктивное решение позволяет уменьшить габариты, упростить устройство и обеспечить управление амплитудно-частотными параметрами колебаний.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 дана схема гидродинамического генератора колебаний при выполнении его по основной формуле, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, на фиг.3 - вариант его выполнения с дополнениями по факультативным признакам.
Поскольку заявленный способ реализуется при работе заявляемого гидродинамического генератора колебаний, то описание способа приведено при изложении раздела описания работы устройства.
Гидродинамический генератор колебаний жидкостного потока содержит корпус (1), выполненную в нем проточную камеру (2) с каналами закрутки (3) и выходным соплом (4), напорную магистраль (5), сообщенную с каналами закрутки (3), например, тангенциальными каналами закрутки (фиг.2). В проточной камере (2) с зазором (6) установлено центральное тело (7) с осевым каналом (8), его входом (9) и выходом (10), который снабжен упругой перегородкой (11). Корпус (1) соединен с дополнительной магистралью (12), которая через, по крайней мере, один распределительный канал (13) сообщена с напорной магистралью (5). В осевой канал (8), при необходимости устанавливают полость с упругостью (фиг.3), например, в виде заполненной сжимаемой средой емкости (14), вход которой закрыт эластичной оболочкой (15). Для настройки параметров колебаний в выходном сопле (4) устанавливают дроссель (16).
Гидродинамический генератор колебаний работает следующим образом. Для обеспечения рабочего амплитудно-частотного диапазона колебаний при заданном расходно-напорном режиме нагнетания рабочей жидкости предварительно рассчитывают проходные сечения составных частей гидродинамического генератора и устанавливают необходимый тип упругой перегородки (11).
Часть жидкости из напорной магистрали (5) через каналы закрутки (3) поступает в проточную камеру (2) и закручивается, уменьшая общий расход через выходное сопло (4). Другая часть жидкости из напорной магистрали (5) через распределительный канал (13) поступает в дополнительную магистраль (12), образуя дополнительный поток. При этом периферия закрученного потока с помощью создаваемого им центробежного давления блокирует стравливание дополнительного потока через зазор (6) и выходное сопло (4). Расчетные параметры проходных сечений проточной камеры (2), выходного сопла (4) и при необходимости дросселя (16) обеспечивают регулируемое снижение давления в осевой части закрученного потока относительно его центробежного давления на периферии. Снижение давления через вход (9) осевого канала (8) в центральном теле (7) и через закрытый упругой перегородкой (11) выход (10) воздействует на поток в дополнительной магистрали (12), направляя его в сторону осевого канала (8). Движение дополнительного потока продолжается до прекращения движения перегородки (11) под действием сил упругости. В дальнейшем, поступающая жидкость из напорной магистрали (5) в дополнительную магистраль (12) создает в ней избыточное давление и позволяет дополнительному потоку преодолеть блокирующее влияние центробежного давления, а за счет присоединения своей массы к вращающейся массе закрученного потока уменьшить его интенсивность вращения и увеличить расход через выходное сопло (4). При этом возрастет давление в осевом канале (8) и дополнительный поток получит импульс силы от возврата упругой перегородки (11) в первоначальное положение. Суммарное действие избыточного давления и упругой силы на периферию основного закрученного потока резко уменьшает интенсивность его вращения и величину центробежного давления. В результате давление в дополнительной магистрали (12) уменьшается за счет резкого сброса части дополнительного потока через выходное сопло (4), а затем вновь создаются условия для восстановления первоначальной интенсивности закрученного потока и уменьшения общего расхода через выходное сопло (4). В результате автоколебаний жидкости в осевом канале и в дополнительной магистрали (12) возникают колебания расхода в пульсирующем режиме течения из выходного сопла (4). Для регулирования амплитуды и частоты колебаний потока в осевом канале (8) устанавливается полость с упругостью, например, в виде заполненной сжимаемой средой емкости (14), вход которой закрыт эластичной оболочкой (15). При этом обеспечивается задержка по времени снижения давления в осевом канале (8), в результате уменьшается частота колебаний расхода и увеличивается пульсирующая масса потока из выходного сопла (4).
Использование изобретения позволяет обеспечить надежность и управляемость рабочими параметрами гидродинамического генератора колебаний жидкостного потока уже при небольших перепадах давления в напорной магистрали и независимо от среды, в которую происходит излучение пульсаций. За счет самовозбуждения автоколебаний массы жидкости внутри генератора обеспечивается возможность его применения в широких диапазонах расхода и давления нагнетаемой жидкости. При этом конструктивное решение позволяет уменьшить габариты устройства с сохранением интенсивности излучения, что также расширяет его эксплуатационные возможности.