УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫБРАСЫВАНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОТОКА ВЫДУВАЕМОГО ВОЗДУХА
DEVICE TO EJECT FLUID BY BLOWN AIRFLOW

Область техники предлагаемого изобретения
Предлагаемое изобретение относится к устройству, предназначенному для усовершенствования способности к выбрасыванию различных текучих сред, в частности воды, под действием потока выдуваемого воздуха, для применений, главным образом, в области обеспечения общественной безопасности, а также в области защиты окружающей среды и в области сельского хозяйства.
Потребность в выбрасывании различных текучих сред, в частности воды, в более или менее значительных количествах и в виде более или менее мелких капелек на более или менее значительное расстояние с использованием выдувания потока воздуха имеется в различных применениях. В частности, в области борьбы с пожарами при помощи эффекта мелкокапельного разбрызгивания как для тушения пламени, так и для защиты и охлаждения, в области защиты окружающей среды для защитных или обеззараживающих воздействий или же просто в сельскохозяйственной области для орошения или распределения фитосанитарных продуктов.
Предшествующий уровень техники
В любом случае технология основывается прежде всего на идее распыления текучей среды через один или несколько инжекторов, обычно располагающихся в виде венца и размещенных по периферии, и в потоке воздуха, создаваемом при помощи более или менее мощного вентилятора, таким образом, чтобы возникающие вследствие этого капельки были достаточно мелкими, с тем чтобы смешиваться с потоком выдуваемого воздуха, увлекающего за собой эти капельки.
Для обеспечения распыления текучей среды в виде более или менее мелких капелек обычно используемые технологии представляют собой гидромеханические технологии, и для создания потока выдуваемого воздуха обычно используемый принцип представляет собой использование снабженных обтекателями вентиляторов, которые создают более или менее значительный расход воздуха в условиях очень небольшого давления.
Обычно принимаемая технология распыления текучей среды основывается, главным образом, на эффекте механического фракционирования, который создается на уровне жиклера в результате эффекта давления, которое создается на входе этого жиклера в данной текучей среде и которое зависит также от геометрии отверстия прохождения этой текучей среды. Чем более значительным является расход данной текучей среды, тем более значительное усилие необходимо приложить для того, чтобы обеспечить прохождение этой текучей среды. Это обстоятельство выражается в необходимости мощных приводных механизмов насосов и в трудности обеспечения удовлетворительного функционирования при значительных давлениях для реализации соответствующих расходов.
Технологии смешивания воздуха и текучей среды обычно являются более тривиальными и состоят в распределении наилучшим образом инжекторов распыления текучей среды по периферийной части обтекателя в потоке выбрасываемого воздуха таким образом, чтобы гармонизировать расход выбрасываемой текучей среды и, главным образом, дать возможность этому потоку воздуха обеспечить эту функцию смешивания.
Технические задачи предлагаемого изобретения состоят в следующем.
Во-первых, усовершенствовать условия распыления таким образом, чтобы обеспечить фракционирование текучей среды на достаточно мелкие капельки при уменьшенной потребности в гидравлической мощности.
И во-вторых, обеспечить создание предварительной смеси воздуха с текучей средой, которая способствует окончательному и значительно более лучшему смешиванию с потоком воздуха, который транспортирует эту текучую среду.
Изложение предлагаемого изобретения, позволяющее понять суть технического решения поставленной технической проблемы
Устройство в соответствии с предлагаемым изобретением позволяет достичь различных искомых технических целей, которые вносят существенные усовершенствования в существующий уровень техники выбрасывания текучих сред при помощи потока выдуваемого воздуха.
Для решения этой технической задачи предусматривается генератор потока сжатого воздуха с высоким расходом, запитываемый воздухом из окружающей среды и имеющий в своем составе вентилятор, приводимый в движение при помощи мотора или газотурбинного двигателя, встроенного в центральный корпус и запитываемого первичным сжатым воздухом, и обтекатель, создающий аэродинамический канал для движения потока вторичного сжатого воздуха вокруг упомянутого центрального корпуса.
Предусматривается по меньшей мере один патрубок отбора сжатого воздуха, присоединенный к каналу движения потока вторичного воздуха.
При этом рекомендуется, чтобы канал запитывания подлежащей выбрасыванию текучей средой был связан с источником текучей среды, предназначенной для обеспечения общественной безопасности, для защиты или обеззараживания окружающей среды или для сельскохозяйственного применения. Текучая среда, используемая в сельскохозяйственных целях, будет представлять собой текучую среду, полезную в данной области, такую, например, как удобрение, средство для удаление сорняков, фитосанитарное средство и т.п.
Двигатель, содержащий канал движения вторичного воздуха, располагающийся вокруг канала движения первичного воздуха, и снабженный таким устройством выбрасывания текучей среды, также является объектом предлагаемого изобретения.
Также объектом предлагаемого изобретения является двухконтурный реактор, запитываемый воздухом из окружающей среды и содержащий канал движения вторичного сжатого воздуха, располагающийся вокруг центрального корпуса, запитываемого первичным сжатым воздухом, и вентилятор, приводимый в движение мотором или газотурбинным двигателем, встроенным в упомянутый центральный корпус, причем этот реактор оборудован устройством выбрасывания подлежащей выбрасыванию текучей среды под действием потока выдуваемого воздуха, и само это устройство снабжено одной или несколькими камерами предварительного смешивания, содержащими патрубок отбора сжатого воздуха, присоединенный к упомянутому каналу движения потока вторичного воздуха, и запитываемый упомянутой подлежащей выбрасыванию текучей средой таким образом, чтобы распылять и предварительно смешивать эту текучую среду с отобранным сжатым воздухом перед рассеиванием полученной смеси наружу через конусы выбрасывания при помощи создаваемого потока выдуваемого воздуха.
Также объектом предлагаемого изобретения является способ выбрасывания текучей среды, в соответствии с которым
создают поток выдуваемого воздуха при помощи двухконтурного реактора;
отбирают в канале движения потока вторичного воздуха сжатый воздух для того, чтобы запитать одну или несколько камер предварительного смешивания, дополнительно запитываемых упомянутой подлежащей выбрасыванию текучей средой таким образом, чтобы распылять эту текучую среду с отобранным сжатым воздухом перед рассеиванием упомянутой смеси в окружающей среде.
Благоприятным образом, и как это проиллюстрировано на приведенных в приложении фигурах, генератор потока воздуха низкого давления, запитываемый воздухом 6 из окружающей среды, функция которого состоит в создании потока выдуваемого сжатого воздуха с высоким расходом в аэродинамическом канале, будет содержать вентилятор 1, вращающийся на высоком режиме под действием мотора или газотурбинного двигателя 17, встроенного в центральный корпус 2, и связанный со спрямляющими пластинами 3, фиксированными или подвижными, которые предназначены для обеспечения отведения потока воздуха без вращения, и наружный периферийный обтекатель 4, создающий аэродинамический канал 5 по отношению к центральному корпусу 2.
Рекомендуется, чтобы размерные параметры этого генератора потока воздуха были определены таким образом, чтобы в процессе номинального функционирования давление воздуха на выходе из канала 5 движения вторичного воздуха под давлением, создаваемого вращением вентилятора, по меньшей мере на 15% превышало входное давление в зоне 6 (которое представляет собой атмосферное давление воздуха в данных условиях функционирования).
В частности, на таком генераторе потока воздуха в данном изобретении предлагается устанавливать устройство 20 выбрасывания текучей среды под действием создаваемого потока выдуваемой газообразной среды.
Как это проиллюстрировано на фиг.6, канал 9 питания подлежащей выбрасыванию текучей средой связан с источником 21 текучей среды, предназначенной для обеспечения общественной безопасности, для защиты или обеззараживания окружающей среды или для сельскохозяйственного применения. Для выбрасывания этой текучей среды устройство 20 содержит по меньшей мере один патрубок 8 отбора сжатого воздуха, присоединенный к каналу 5 движения вторичного воздуха генератора воздушного потока.
Таким образом, одна или несколько камер 7 предварительного смешивания могут быть расположены в направлении выхода аэродинамического канала и предназначены для выполнения функции обеспечения распыления и предварительного смешивания воздуха с текучей средой. Каждая камера запитывается сжатым воздухом в результате отбора (в зоне 8) воздуха при помощи патрубка, размещенного внутри аэродинамического канала 5 и ближе к выходной его части.
Рекомендуется, чтобы одна, или каждая, камера смешивания находилась под избыточным давлением по отношению к наружному окружающему воздуху на уровне примерно 15% в режиме номинального функционирования.
Каждая камера смешивания, в соответствии с другой характеристикой предлагаемого изобретения, запитывается текучей средой при помощи канала 9, в конце которого закрепляется жиклер, образующий сужение (10), которое открывается в аэродинамический завихритель (Swirler) 11, предназначенный для дополнения распыления текучей среды и для обеспечения смешивания отобранного воздуха с распыляемой при помощи жиклера текучей средой таким образом, чтобы эта смесь выбрасывалась через конус 12, который открывается в атмосферу в поток 13 выдуваемого воздуха.
Известны свойства аэродинамических завихрителей (Swirler) 11, функция которых состоит в дополнении распыления текучей среды, обеспечиваемого, в первую очередь, гидромеханическим образом при помощи жиклера 10 вследствие давления, которое прикладывается к текучей среде в канале 9.
Принцип функционирования основывается на действии сжатого воздуха, содержащегося в камере 7, который отбирается при помощи патрубка 8, размещенного в аэродинамическом канале, и который отводится наружу, проходя через два кольцевых канала с ориентированными соответствующим образом щелями 14 и 15. При этом первый канал заставляет часть воздуха вращаться в одном направлении вокруг распыленной текучей среды и второй канал заставляет оставшуюся часть воздуха вращаться в другом направлении вокруг трубки Вентури 16. Массы воздуха, приводимые в противоположные движения вокруг текучей среды, распыленной при помощи жиклера, имеют два сопрягаемых эффекта: эффект дробления, который в еще большей степени разбивает капельки и делает их мельче, и аэродинамический эффект, который реализует в конусе (12) выбрасывания предварительное смешивание текучей среды с воздухом, которое в еще большей степени благоприятствует окончательному смешиванию.
Поскольку камеры предварительного смешивания запитываются при помощи патрубков, которые осуществляют отбор воздуха из выходной части аэродинамического канала, одной из характеристик в соответствии с предлагаемым изобретением является то, что генератор потока воздуха в аэродинамическом канале обеспечивал необходимое давление, которое предпочтительным образом должно по меньшей мере на 15% превышать внешнее давление окружающего воздуха в процессе номинального функционирования.
Вследствие описанного выше монтажа одной из характеристик предлагаемого изобретения является возможность получения при заданном давлении в аэродинамическом канале капелек текучей среды более мелких, чем капельки, обычно получаемые при традиционном монтаже с обычно прикладываемым давлением текучей среды или наоборот, в тех же условиях давления в аэродинамическом канале, возможность получить обычные размеры капелек при определенно более низком давлении текучей среды, чем обычно приложенное к ней давление, вследствие чего требуется меньшая гидравлическая мощность для достижения этого результата.
Еще одна другая характеристика в соответствии с предлагаемым изобретением состоит в содействии в значительной мере окончательному смешиванию, обеспечивая таким образом возможность под действием выдувания потока воздуха более кучно и на большее расстояние перенести капельки текучей среды.
Краткое описание приведенных в приложении фигур
Приведенные в приложении фигуры схематически иллюстрируют предлагаемое изобретение.
Фиг.1 представляет собой плоский вид в разрезе полного монтажа устройства в соответствии с предлагаемым изобретением. Здесь можно видеть основные элементы, которыми являются: центральный корпус 2, вентилятор (или компрессор низкого давления) 1, спрямляющие пластины 3 для потока, обтекатель 4, аэродинамический канал 5, камера 7 предварительного смешивания со своим патрубком входа отбираемого воздуха и его конус 12 выбрасывания.
Фиг.2 представляет собой пространственный и детальный вид в разрезе устройства аэродинамического инжектора с его жиклером и его завихрителем (Swirler), размещенного в камере 7 предварительного смешивания. Эта фигура детализирует и позволяет проиллюстрировать принцип дробления и смешивания, которое вызывается движением сжатого воздуха, выходящего в атмосферу вокруг потока распыления текучей среды, создаваемого жиклером.
Фиг.3 представляет собой пространственный вид в разрезе способа реализации на основе двухконтурного реактора. Вторичный канал двухконтурного реактора представляет собой идеальный канал при избыточном давлении для установки на выходе камер предварительного смешивания, оборудованных своими конусами, которые обеспечивают отбор части воздуха из потока во вторичном канале и выбрасывание распыленной и предварительно смешанной текучей среды в поток выдуваемого воздуха, формируемый на основе главного потока во вторичном канале.
Подробное изложение по меньшей мере одного способа реализации предлагаемого изобретения
Трудность реализации устройства в соответствии с предлагаемым изобретением заключается, главным образом, в способности обеспечить в аэродинамическом канале достаточное давление и необходимую направленность потока воздуха с большим расходом для удовлетворительного функционирования камер предварительного смешивания, которые запитываются сжатым воздухом при помощи отбора воздуха на выходе из этого канала.
В соответствии со способом реализации, представленным на фиг.3, генератор потока воздуха низкого давления принимает традиционную архитектуру двухконтурного реактора и образован центральным корпусом 2, который удерживает обтекатель 4, создавая, таким образом, аэродинамический канал 5 с тщательным подбором геометрических и размерных параметров при соблюдении аэродинамических правил.
В задней части 17 упомянутого центрального корпуса устанавливается газотурбинный двигатель. Этот газотурбинный двигатель связан при помощи механического передаточного устройства с размещенным в передней части центрального корпуса вентилятором 1, который содержит лопатки адаптированной аэродинамической формы и который вращается с большой скоростью на общей оси данной системы. Поток выдуваемого воздуха, создаваемый вращением этого вентилятора, называют главным воздушным потоком. Вследствие законов термодинамики этот главный поток на выходе из вентилятора обладает давлением более высоким, чем давление на уровне воздухозаборника 6, который находится под обычным атмосферным давлением, и превышает это давление как минимум на 15%, и подвергается повышению температуры на несколько десятков градусов по отношению к температуре воздуха на входе вентилятора.
На выходе вентилятора и на некотором адаптированном расстоянии от него в главном канале 3 располагается решетка, состоящая из неподвижных или подвижных пластин, причем эти пластины обладают тщательно адаптированными аэродинамическими профилями и выполняют функцию спрямления потока. Главный поток воздуха на выходе из вентилятора обладает вращательным движением относительно оси канала, которому следует противодействовать. Упомянутая решетка спрямляющих пластин создает эффект приведения главного потока к оси канала, обеспечивая, таким образом, направленное и ламинарное выдувание потока воздуха, не оказывая при этом слишком сильного негативного влияния ни на давление, ни на общую скорость движения главного потока, создаваемого вентилятором.
На выходе спрямляющих пластин в центральном корпусе располагается кольцевой воздухозаборник, который обеспечивает отбор части главного потока воздуха для того, чтобы обеспечить функционирование газотурбинного двигателя 18, и воздух, который направляется в этот воздухозаборник, называют первичным воздухом. При этом остальной воздух направляется в сторону выбрасывания, и его называют вторичным воздухом, и канал, через который проходит этот воздух, называют вторичным каналом, этот воздух представляет обычно от 40% до 80% главного потока, и этот поток воздуха выбрасывается со скоростью, имеющей величину примерно от 150 м/с до 250 м/с.
Условия, которые устанавливаются во вторичном канале на номинальном режиме в том, что касается полного давления в потоке, его температуры и направленности движения, представляют собой условия, которые необходимы для удовлетворительного функционирования камер предварительного смешивания. В данном способе реализации в соответствии с предлагаемым изобретением располагают патрубками отбора воздуха для камер предварительного смешивания во вторичном потоке перпендикулярно каналу 8 и на выходе из него таким образом, чтобы они не мешали выбрасыванию остаточного вторичного потока, который может представлять до 80% общего вторичного потока и который образует выбрасываемый в атмосферу поток выдуваемого воздуха, в котором растворены и рассеяны капельки текучей среды.
Следовательно, в этом способе реализации в соответствии с предлагаемым изобретением будут стремиться располагать конусами 12 выбрасывания из камер предварительного смешивания в остаточный вторичный поток.
И наконец, выхлопные газы газотурбинного двигателя будут выбрасываться через сопло, располагающееся в задней части центрального корпуса концентрическим образом и в сердцевине остаточного вторичного потока 19. Опыт показывает, что эти газы очень быстро теряют свою скорость и особенно быстро теряют свою температуру, и поскольку они представляют лишь менее 30% от массы выбрасываемого воздуха, они не будут существенно влиять негативным образом на рассеивание капелек, увлекаемых потоком выдуваемого воздуха, но зато будут благоприятствовать общей скорости выдувания потока воздуха и будут повышать дальность выбрасывания.
Устройство в соответствии с предлагаемым изобретением специфическим образом предназначено для применений в области обеспечения общественной безопасности, но также может быть использовано в области защиты окружающей среды и в области сельского хозяйства.
Как это легко понять, значительная часть предлагаемого изобретения основывается
на размещении камер 7/12 смешивания на выходе вторичного канала 5/8 двухконтурного реактора;
и на использовании разности давлений между давлением отбора воздуха (позиция Р1 на фиг.1) и давлением окружающей среды (позиция Р0 на фиг.1, которое представляет собой давление наружного воздуха на выходе наконечника 12), для реализации предварительной смеси текучей среды 20, которую необходимо выбрасывать, с частью вторичного воздуха, отобранного через один или несколько патрубков 8.
Для этого завихрители 11 (или swirlers), размещенные на входе камеры 7/12 смешивания, позволяют раздробить выбрасываемую текучую среду для того, чтобы создать очень мелкие капельки этой подлежащей выбрасыванию текучей среды и реализовать плотное смешивание между этой текучей средой и воздухом перед выбрасыванием этой смеси в главный поток 13 воздуха.
Таким образом, обеспечивают выбрасывание подлежащей выбрасыванию текучей среды (например, воды) в два этапа: первый этап обеспечивает тонкое дробление капелек и их тесное смешивание с отобранным воздухом, вследствие чего на втором этапе осуществляется особенно эффективное распределение этих капелек в тесной смеси с воздухом в главном потоке.
Таким образом, в частности, в случае применения для борьбы с пожарами имеется возможность существенно уменьшить размеры распыляемых капелек. При этом чем меньшими будут эти капельки, тем более высокой будет эффективность тушение очага возгорания (inertage).
На фигурах 3 и 4 можно видеть, что несколько патрубков 8 отбора вторичного воздуха предпочтительным образом распределены в окружном направлении в кольцевом канале 5 движения вторичного потока сжатого воздуха.
Таким образом, можно присоединить к периферийному каналу 5 движения вторичного потока воздуха несколько устройств выбрасывания текучей среды, причем здесь все эти устройства обозначены позицией 20.
Одна единственная ступень, располагающаяся, соответственно, вдоль одного венца, априори будет достаточной (см. фиг.3 и 4).
Кроме того, канал 9 питания одного, или каждого, патрубка 8 отбора воздуха присоединяется к источнику 21 подлежащей выбрасыванию текучей среды.
При этом возможно использование одного общего источника. Понятно, что источник 21 должен содержать соответствующее количество текучей среды, предназначенной для обеспечения общественной безопасности, или для защиты или обеззараживания окружающей среды, или для сельскохозяйственного применения.
От трех до семи устройств 20 выбрасывания предпочтительным образом будут расположены вокруг обтекателя 4 (вариант реализации с использованием пяти таких устройств, равномерным образом распределенных в угловом отношении, представлен на фиг.4 и 5).
Что касается внутреннего пространства центрального корпуса 2, то фиг.6, в частности, позволяет показать, что этот центральный корпус содержит обычно используемые и полезные средства для функционирования мотора или газотурбинного двигателя 18 с вентилятором.
Прежде всего, этот центральный корпус запитывается внутри сжатым воздухом в результате отбора воздуха через устройство 22 для отведения первичного потока воздуха в направлении центральной кольцевой зоны 24 горения.
Несколько таких устройств 22 предусматриваются позади спрямляющих пластин 3, размещенных в канале 5.
В центральном корпусе 2 можно видеть, в частности вокруг вала 26 двигателя, устройства 28 подвода топлива.
Эти устройства обеспечивают подачу топлива к инжекторам, которые вместе с первичным окисляющим воздухом позволяют обеспечить воспламенение созданной таким образом горючей смеси в зоне 24 горения.
Газообразные продукты сгорания отводятся в заднем направлении при помощи центрального сопла 30. Эти газообразные продукты сгорания принимают участие в создании газового потока 13.
Центральный приводной вал 26 связывает вращающийся вентилятор 1, располагающийся на входе, с турбинной частью 32, располагающейся на выходе (в обоих случаях это определение дается по отношению к общему направлению течения потока воздуха между входной частью Е и выходной частью S) и с располагающейся между ними частью 34, представляющей собой воздушный компрессор и размещенной на входе зоны сгорания.
Части 32 и 34 содержат несколько ступеней, соответственно, турбины и компрессора.
Обычно используются, соответственно, ступени высокого давления турбины и компрессора (32а, 34а) и ступени низкого давления 32b, 1.
В частности, на фиг.6 позицией 36 обозначен кольцевой выход потока вторичного воздуха, то есть задний конец обтекателя 4.
Здесь можно констатировать, что вдоль центральной оси 1а этой машины 1 как центральный корпус 2, так и камеры 7 предварительного смешивания и их сопла или конусы 12 проходят в направлении назад вплоть до выхода 36, то есть дальше в направлении назад. Однако эти конусы 12 предпочтительным образом будут располагаться вокруг передней по потоку части 30а сопла 30, то есть вокруг выпуклой задней части 2b периферийной стенки центрального корпуса 2.
На различных приведенных в приложении фигурах также можно отметить, что устройство 20 выбрасывания текучей среды содержит один или несколько сателлитов. Каждый из этих сателлитов заключает в себе одну или несколько камер 7 предварительного смешивания и располагается вокруг обтекателя 4 канала 5 движения вторичного потока воздуха.
Разумеется, каждая камера 7 предварительного смешивания продолжается в направлении назад при помощи диффузора 12.
Принимая во внимание сказанное выше, дополнительно должно быть понятно, что предлагаемое изобретение характеризуется также тем, что оно относится к способу выбрасывания текучей среды, в соответствии с которым эту текучую среду смешивают с потоком сжатого воздуха перед рассеиванием упомянутой смеси при помощи создаваемого потока выдуваемого воздуха, причем особенности этого способа состоят в том, что
создают поток выдуваемого воздуха при помощи двуконтурного реактора, запитываемого воздухом 6 из окружающей атмосферы и содержащего канал 5 движения вторичного сжатого воздуха;
обеспечивают отбор из упомянутого канала 5 движения вторичного воздуха сжатого воздуха, предназначенного для питания одной или нескольких камер 7 предварительного смешивания, в дополнение к упомянутой предназначенной для выбрасывания текучей среде 9, таким образом, чтобы обеспечить распыление этой текучей среды вместе с отобранным сжатым воздухом перед рассеиванием упомянутой смеси во внешнюю атмосферу.
Говоря более точно, предпочтительным образом будет отбираться сжатый воздух из упомянутого канала 5 движения вторичного воздуха, и данное устройство будет запитываться подлежащей выбрасыванию текучей средой 9, используя, таким образом, одну или несколько камер 7 предварительного смешивания в сателлитах, располагающихся вокруг обтекателя 4.
Здесь следует напомнить, что устройство в соответствии с предлагаемым изобретением находит свое применение, в частности, в области борьбы с пожарами одновременно как для тушения пламени, так и для защиты и охлаждения, в области защиты окружающей среды для осуществления защитных или обеззараживающих воздействий или же просто в области сельского хозяйства для орошения или распыления фитосанитарных продуктов.