СИРЕНА ВСТРЕЧНЫХ РЕЗОНАНСНЫХ ВОЛН, СНИМАЕМЫХ С ЕДИНОГО ОДНОРОДНОГО ПО ДЛИНЕ РОТОРА
SIREN OF OPPOSITE RESONANT WAVES PICKED UP FROM SINGLE ROTOR, WHICH IS HOMOGENEOUS IN LENGTH

Изобретение относится к гидродинамике и гидроакустике, а именно к устройствам для создания мощных вихревых резонансных гидроакустических колебаний 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 энергетической, 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, содержащие полые статор и ротор с рядом равномерно расположенных одинаковых отверстий на смежных поверхностях /Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Изд-во иностр. л-ры, 1957. 726 с.; Карновский М.И. Теория и расчет сирен. ЖТФ, 1945, №6, с.348-364; Гладышев В.Н. Динамическая сирена. Теория, эксперимент, приложения. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. 126 с./.
Идея объединения сирены как наиболее мощного источника акустических колебаний и явления резонанса как способа аккумуляции колебательной энергии реализована в диспергаторе, устройстве для производства высококачественных дисперсных систем, на вращающихся резонансных гидроакустических волнах /Свияженинов Е.Д. Гидроакустическая сирена. Патент на изобретение №2284229. Приоритет 28.04.04/.
В этом устройстве, принятом за прототип, для согласования частот возмущения и собственных частот колебаний резонатора возбуждается не стоячая, а бегущая - вращающаяся волна, что достигается модификацией взаимной перфорации статора и ротора сирены. Резонансный режим работы обеспечивает оптимальные условия подкачки механической энергии в колебательную систему для совершения работы, например, размельчения и перемешивания сред. Наиболее актуально это для жидких и газообразных сред, не "боящихся" повышенных вибраций, давлений и усталостных разрушений в отличие от твердых тел. Вращающаяся резонансная волна идеально вписывается в техническое назначение устройства, т.к. устраняются застойные области и осуществляется проточное движение среды. В прототипе введена сирена с новым типом перфорации, позволяющая создавать вращающуюся гидроакустическую волну как совпадающую, так и противоположную направлению вращения ротора, скорость вращения которой многократно превышает скорость вращения самого ротора, способную возбуждать низкочастотные двухузловые (по окружной координате) формы собственных колебаний в кольцевой области. Сирена окружена кольцевой резонансной камерой озвучивания, настроенной на частоту основного тона именно таких собственных форм гидроакустических колебаний.
Задача настоящего изобретения - создание вихревых зон в резонаторе путем реализации встречных резонансных вращающихся волн, снимаемых с весьма простого по конструкции единого однородного по длине ротора, что служит увеличению эффективности и производительности вихревого теплогенератора и диспергатора-гомогенизатора.
Поставленная задача решается за счет введения статора сирены, состоящего из произвольного числа последовательно чередующихся двух типов продольных участков - секций, отличающихся числом отверстий и приводящих к генерации на одном вращающемся валу ротора такого же числа встречных резонансных вращающихся волн, скорости вращения которых строго одинаковы и многократно превышают скорость вращения самого ротора. Сопутствующим эффектом является технологическая простота, экономичность и надежность устройства.
При этом на одном вращающемся валу возбуждаются бегущие вращающиеся резонансные волны в жидкой или газообразной среде, поочередно меняющие направления вращения с изменением координаты в аксиальном направлении, что создает встречное движение вращающихся слоев и повышает качество тепловыделения или диспергирования без всяких дополнительных технологических и энергетических затрат. Скорость вращения гидроакустических волн в прямом и встречном направлениях строго одинакова и многократно превышает скорость вращения ротора, что легко позволяет реализовать резонансные колебания в статоре на частоте его основного (низшего) тона, а следовательно, и на высших собственных частотах, в силу спектральных свойств кольцевого резонатора.
Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг.1-3, 4 изображена схема сирены, генерирующей встречные вращающиеся резонансные волны, снимаемые с единого однородного по длине ротора (фиг.1-3 - вариант сирены с центральным валом ротора, фиг.4 - без центрального вала ротора), на фиг.5 - собственные формы возбуждаемых резонансных колебаний, на фиг.6 - соответствующие им собственные частоты, на фиг.7, 8 - амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики вынужденных колебаний, на фиг.9 - схема возбуждения кольцевого резонатора, на фиг.10 - схема воздействия потоков жидкости или газа, истекающих из отверстий ротора, на отверстия статора, на фиг.11-18 - номограммы конструктивных парамеров сирены: резонансных частот колебаний жидкой или газообразной среды, частот вращения ротора, наружного и внутреннего радиусов статора и числа отверстий ротора, для различных видов рабочих сред: воды, масла, нефти и воздуха.
Резонансная сирена на вращающихся встречных волнах (фиг.1-3, 4) содержит коаксиально установленные цилиндрические статор 1 в виде кругового концентрического (кольцевого) гидроакустического резонатора и вращающийся внутри него ротор 2. В смежных поверхностях статора и ротора выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия - окна или порты. Ротор на всем продольном измерении однороден и имеет и окон. Статор по длине состоит из произвольного числа чередующихся секций, содержащих n-1 (фиг.1, 2) и n+1 (фиг.1, 3) окон соответственно. Ротор равномерно вращается приводом 3 и содержит средство для подачи жидкой среды внутрь него 4 - крыльчатку и (или) внешний нагнетатель. Сам ротор может быть как снабженным центральным валом (фиг.1-3), так и не имеющим его (фиг.4). Выходные патрубки 5 расположены на торцевой поверхности статора.
Главный смысл изобретения заключается в объединении радиальной сирены, как наиболее мощного источника акустических колебаний, и явления резонанса, как способа аккумуляции колебательной энергии. Композиционно рационально окружить сирену кольцевым цилиндрическим резонатором. Однако традиционная сирена генерирует стоячие в окружном направлении волны - осесимметричные и многоузловые колебания, и толщина резонатора, имеющего соответствующую собственную частоту, оказывается нереально большой. Для согласования частоты возмущения сирены и собственных частот колебаний резонатора следует возбуждать не стоячую, а бегущую двухузловую в окружном направлении волну. Это наиболее функционально для тепловыделения и перемешивания жидких сред, т.к. создается неоднородность возмущения в тангенциальном направлении, устраняются застойные зоны вибраций и осуществляется проточное движение продукта. Для возбуждения бегущей вращающейся волны предложен особый вид взаимной перфорации статора и ротора. В результате в резонаторе легко возбуждается двухузловая в окружном направлении неосимметричная волна собственных колебаний, имеющая наинизшие собственные частоты. Эта волна - бегущая, в отличие от вырабатываемой традиционной сиреной стоячей волны, и скорость ее вращения многократно превышает скорость вращения ротора. Более того, соответствующим выбором перфорации статора направление ее вращения легко может быть изменено на противоположное при одном и том же вращающемся роторе. Три главных результата получены из такого подхода. Первый: предложенная сирена даже без резонатора, сама по себе, дает многократное увеличение частоты вращения гидроакустической волны относительно частоты вращения ротора и может использоваться как индикатор кругового обзора на слабозатухающих низкочастотных волнах в акустике. Второй: новый тип перфорации открывает возможности использования резонанса с сиреной в качестве возбудителя. Третий: позволяет получать встречные резонансные бегущие волны на одном вращающемся валу ротора. Последнее особенно важно для тепловыделения и перемешивания жидких или газообразных сред, т.к. на границах секций статора создаются вихревые зоны с высокой кавитацией.
Итак, колебания жидкой или газообразной среды осуществляются в кольцевой цилиндрической полости - статоре. Осесимметричные собственные колебания жидкости (газа) в кольцевой области (фиг.5, штриховая линия), возбуждаемые традиционными сиренами с одинаковой перфорацией ротора и статора, имеют неограниченно возрастающие с уменьшением толщины собственные частоты основного тона (фиг.6, штриховая линия, где ρ - отношение внутреннего радиуса концентрического гидроакустического резонатора к наружному, 0<ρ<1, α=α(ρ) - корень соответствующего уравнения частот), что потребовало бы чрезмерно увеличивать обороты ротора и уменьшать шаг перфорации (т.е. увеличивать равное число окон в смежных поверхностях статора и ротора) для достижения резонансной частоты возбуждения и увеличивать толщину резонатора для снижения частоты основного тона осесимметричных колебаний. В связи с этим целесообразно создавать резонансную бегущую двухузловую волну в статоре /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./. Двухузловая в тангенциальном направлении собственная форма колебаний в кольцевой области (фиг.5, сплошная линия) имеет наинизшие собственные частоты колебаний из всех существующих (фиг.6, сплошная линия), что открывает путь к использованию резонанса в кольцевом статоре небольшой толщины при доступных невысоких оборотах ротора и не слишком малом шаге перфорации. При осуществлении резонанса не требуется нагнетать обрабатываемую среду в резонатор под большим давлением для создания достаточного мощных импульсов возбуждения. Даже при слабом входном давлении на резонатор в нем будут происходить интенсивные акустические вибрации вследствие синфазной подкачки и аккумуляции колебательной механической энергии в среде. Выбран основной (низший) резонанс двухузловой формы колебаний, имеющий наименьшую частоту и обеспечивающий наибольшее усиление колебаний, что следует из амплитудно-частотной характеристики для однопериодных по окружности колебаний (фиг.7). На фазочастотной характеристике (фиг.8) видно, как на резонансе выполняются фазные условия оптимальной подкачки энергии в колебательную систему: периодические воздействия на систему и ее отклики совпадают по фазе.
Для возбуждения неосесимметричной бегущей резонансной волны предлагается нетрадиционная схема сирены, а именно, новый тип ее перфорации. 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.9).
Работа устройства
p
При равномерном вращении ротора с угловой скоростью ω, на поверхности которого располагается n равномерно отстоящих друг от друга радиальных потоков жидкости, каждая из n-1 или n+1 щелей на поверхности статора поочередно испытывает пульсацию давления (фиг.9).
p
p
Пусть в начальный момент одна из щелей ротора и статора совпадают (фиг.10). Импульс давления со стороны истекающей из ротора жидкости передается в резонатор статора. При повороте ротора на угол  (при прямой волне) или на  (при обратной) толчок давления произойдет на соседнем отверстии резонатора - по ходу вращения ротора или против. При повороте ротора на угол (n-1)δ=2π/n или на (n+1)δ=2π/n импульс давления ровно один раз обежит окружность в прямом или обратном направлении. Таким образом, угловая скорость вращения импульса давления на внутреннюю поверхность резонатора составляет ω=nω - в прямом и ω=nω - в обратном направлении. Скорости вращения импульса давления 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) находится из условия достижения резонанса: f=ν/n
- для сирены как на прямой, так и на обратной бегущей волне, где ν - собственная частота гидроакустических колебаний кольцевого резонатора 1, , n - число отверстии ротора.
Со стороны ротора на поверхность статора-резонатора действует быстровращающийся импульс избыточного давления. Гармонический состав одиночного импульса представляет собой ряд окружных гармоник, из которых наибольшую амплитуду имеет двухузловая (однопериодная) в тангенциальном направлении. Именно эта основная гармоника и служит для возбуждения резонансной бегущей волны колебаний - однопериодной (двухузловой) в тангенциальном направлении синусоиды. Амплитудно-частотная характеристика двухузловых колебаний вязкой теплопроводной сжимаемой жидкой среды в резонаторе (фиг.7) показывает, что наибольшее усиление колебаний обеспечивает первый (основной) резонанс. Для кольцевого резонатора 1 (фиг.1, 2, 3, 4) внешнего радиуса R и отношением внутреннего радиуса к наружному ρ частота основного тона равна:
где с - скорость звука в жидкости (газе), заполняющем ротор, α=α ((ρ) - первый (низший) корень трансцендентного уравнения частот:
1
1
где J (α), N (α) - соответственно функции Бесселя и Неймана первого порядка.
ik
Функция α=α(ρ) из формулы (1) представлена графиком (фиг.6, сплошная линия) для всех реальных конкретных отношений внутреннего радиуса кольцевого резонатора к наружному 0<ρ<1. На фиг.6 первый нижний индекс i у функции α(ρ) обозначает, что это - i-й по порядку возрастания корень уравнения (2), а второй нижний индекс k показывает число пар узлов возбуждаемой формы колебаний в тангенциальном направлении. Так, i=1 соответствует первому (низшему) корню уравнения, k=1 отвечает реализуемой в устройстве двухузловой (с одним узловым диаметром) собственной форме колебаний, тогда как k=0 - осесимметричной, т.е. не зависящей от угловой координаты. Обе эти формы изображены на фиг.5. Из фиг.6 видно, что при ρ=0 имеем частный случай сплошного резонатора, что отмечено верхними индексами (с) у соответствующих значений величин . Фиг.6 показывает также, что собственные частоты осесимметричных колебаний неограниченно увеличиваются с ростом ρ (штриховая линия), тогда как частоты двухузловых - монотонно убывают с ростом ρ и асимптотически приближаются к α=1, что и требуется для согласования частотных спектров сирены - возбудителя, с гидроакустической камерой - резонатором.
Для проведения проектного анализа и расчета конструктивных параметров по вышеприведенным расчетным формулам построены номограммы резонансной сирены (фиг.11-18). По ним наиболее легко подбирать ее основные конструктивные параметры: резонансные частоты колебаний различных рабочих сред, частоты вращения ротора, наружный и внутренний радиусы статора - резонансной камеры озвучивания и числа отверстий ротора. Например, задаемся резонансной частотой колебаний ν и отношением внутреннего и внешнего радиусов резонатора ρ. Тогда по кривой ν (R) определяем соответствующий наружный радиус R, а по семейству прямых ν (f) подбираем комбинацию числа окон ротора n и частоту его вращения f. Из номограмм видно, что для реально встречающихся практических жидких или газообразных сред параметры сирены легко реализуются. Так, в качестве привода вполне возможно использование самых распространенных низкооборотных асинхронных электродвигателей.
Пример расчета параметров сирены, генерирующей встречные вращающиеся резонансные волны, снимаемые с единого однородного по длине ротора.
Пусть рабочей средой является вода и требуется возбудить частоту ее колебаний ν=500 Гц в резонаторе с отношением внутреннего радиуса к наружному ρ=0.5.
Тогда по кривой ν(R) фиг.11, 12 находим необходимый наружный радиус рсзонаторной камеры: R=64.5 см. По семейству прямых ν (f) или по формуле:
f=ν/n
- для сирены как на прямой, так и на обратной вращающейся волне получаем возможные комбинации числа окон ротора n и частоту его вращения f.
Итак, с единого однородного по длине ротора снимаются встречные вращающиеся резонансные волны, скорости 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 резонансные режимы в статоре при самых небольших оборотах ротора, одновременно для прямых и обратных волн. Между секциями статора возникают интенсивные вихревые зоны, увеличивающие тепловыделение или диспергацию. Произвольное, теоретически неограниченно большое число чередующихся встречных резонансных вращающихся волн дает весьма простое, надежное и эффективное устройство как для тепловыделения, так и для получения высококачественных дисперсных систем. Таким образом, простая по конструкции сирена встречных резонансных волн, снимаемых с единого однородного по длине ротора, эффективно выполняет функции как вихревого теплогенератора, так и диспергатора-гомогенизатора.
Источники информации
1. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Изд-во иностр. л-ры, 1957. 726 с.
2. Карновский М.И. Теория и расчет сирен. ЖТФ, 1945, №6, с.348-364.
3. Гладышев В.Н. Динамическая сирена. Теория, эксперимент, приложения. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. 126 с.
4. Свияженинов Е.Д. Гидроакустическая сирена. Патент на изобретение №2284229. Приоритет 28.04.04. (прототип).
5. 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.