НАСАДОК ШЕСТЕРЕНКО (ВАРИАНТЫ)
SHESTERENKO'S HEAD PIECE (VERSIONS)

Предлагаемое изобретение относится к области газоразгонных и газотранспортирующих устройств, а также может быть использовано в качестве устройств для транспорта жидкостей (газожидкостей) во многих других отраслях техники, где необходимо разогнать газ. Также это устройство может служить для дробления частиц аэрозоля в лакокрасочном оборудовании и для нанесения частиц аэрозоля на изделия и для нагрева или аэрозоля, или газожидкостной смеси и превращения ее в пар.
ПРОТОТИП.
Насадок Шестеренко, состоящий из герметично соединенных между собой сопел, критическое сечение каждого из которых не меньше критического сечения расходоопределяющего сопла, при этом не менее чем однократно последнее сопло герметично соединенных между собой сопел с зазором сообщено эжекторно с первым соплом следующих герметично соединенных между собой сопел, критическое сечение каждого из которых не меньше критического сечения расходоопределяющего сопла этих сопел, при этом каждое последующее критическое сечение расходоопределяющего сопла больше, чем каждого предыдущего критического сечения расходоопределяющего сопла. (Страница 58, рисунок 3. Н.А.Шестеренко. Применение законов сверхзвуковой газовой динамики в решении прикладных задач. Вечный двигатель второго рода. Гончар Великий. Стихи. - М.:ЦП «Васиздаст», 2006.-268 с.)
Недостатком прототипа является неиспользование сил сталкивающихся потоков, а также и то, что резонансно-пульсирующая активная струя, выходящая из насадка, не используется для гашения пульсаций, которые для следующих за насадком конструкций являются разрушающими.
АНАЛОГ 1.
Насадок Шестеренко, состоящий из герметично соединенных между собой сопел, критическое сечение каждого из которых не меньше критического сечения расходоопределяющего сопла, при этом не менее чем однократно последнее сопло герметично соединенных между собой сопел с зазором сообщено эжекторно с первым соплом следующих герметично соединенных между собой сопел, критическое сечение каждого из которых не меньше критического сечения расходоопределяющего сопла этих сопел, при этом каждое последующее критическое сечение расходоопределяющего сопла больше, чем каждого предыдущего критического сечения расходоопределяющего сопла (Фиг.4 и 5. Насадок Шестеренко. Патент RU 2277441 С2).
Недостатком аналога 1 является неиспользование сил сталкивающихся потоков, а также и то, что резонансно-пульсирующая активная струя, выходящая из насадка, не используется для гашения пульсаций, которые для следующих за насадком конструкций являются разрушающими.
АНАЛОГ 2.
Известен насадок Шестеренко, состоящий из герметично соединенных между собой сверхзвуковых сопел Лаваля, критическое сечение каждого из которых не меньше критического сечения первого по ходу движения сверхзвукового сопла Лаваля, отличающийся тем, что первое сопло коаксиально введено в последующее с образованием между ними эжектируемой полости и выполнено сужающимся. (Н.А.Шестеренко. Насадок Шестеренко. Патент RU 2206409 С2).
Недостатком аналога 2 является неиспользование сил сталкивающихся потоков, а также и то, что резонансно-пульсирующая активная струя, выходящая из насадка, не используется для гашения пульсаций, которые для следующих за насадком конструкций являются разрушающими.
Задачей изобретения является расширение области применения системы насадков Шестеренко и повышение эффективности.
Для решения указанной задачи насадок по первому варианту состоит из герметично соединенных между собой сопел, критическое сечение каждого из которых не меньше критического сечения расходоопределяющего сопла, при этом не менее чем однократно последнее сопло герметично соединенных между собой сопел с зазором сообщено эжекторно с первым соплом следующих герметично соединенных между собой сопел, критические сечения которых не меньше критического сечения расходоопределяющего сопла этих сопел.
Каждое последующее критическое сечение расходоопределяющего сопла больше каждого предыдущего критического сечения расходоопределяющего сопла.
Согласно изобретению по первому варианту не менее чем одна герметичная связка сопел между соплами имеет не менее чем одну резонансную камеру, в которую введено не менее чем одно сопло с направленностью выходящих из него газодинамических потоков в одну область этой резонансной камеры.
Насадок по второму варианту состоит из герметично соединенных между собой сопел, критическое сечение каждого из которых не меньше критического сечения расходоопределяющего сопла.
Не менее чем однократно последнее сопло герметично соединенных между собой сопел с зазором сообщено эжекторно с первым соплом следующих герметично соединенных между собой сопел, критические сечения которых не меньше критического сечения расходоопределяющего сопла этих сопел.
Каждое последующее критическое сечение расходоопределяющего сопла больше каждого предыдущего критического сечения расходоопределяющего сопла.
Согласно изобретению по второму варианту насадок снабжен плечом, которое соединено с осью вращения, и по меньшей мере одной связкой герметично соединенных между собой сопел, которая установлена на плече с возможностью вращения плеча.
Не менее чем одна герметичная связка сопел, установленная на плече, между соплами может иметь или не иметь не менее чем одну резонансную камеру, в которую введено не менее чем одно сопло с направленностью выходящих из него газодинамических потоков в одну область этой резонансной камеры.
Также в насадке плечо может быть выполнено в виде не менее чем одного тела вращения.
Кроме того, насадок по третьему варианту состоит из герметично соединенных между собой сопел, критическое сечение каждого из которых не меньше критического сечения расходоопределяющего сопла.
Не менее чем однократно последнее сопло герметично соединенных между собой сопел с зазором сообщено эжекторно с первым соплом следующих герметично соединенных между собой сопел, критические сечения которых не меньше критического сечения расходоопределяющего сопла этих сопел.
Каждое последующее критическое сечение расходоопределяющего сопла больше каждого предыдущего критического сечения расходоопределяющего сопла.
Согласно изобретению по третьему варианту не менее чем однократно за последним соплом не менее у одних герметично соединенных между собой сопел или жестко, или с возможностью передвижения установлено с зазором эжекторно не менее чем однократно эжектирующее сопло с критическим сечением, большим по сравнению с критическим сечением расходоопределяющего сопла.
Насадок по трем вариантам может быть снабжен камерой сгорания.
Предлагаемое изобретение изображено на фиг.1-8.
На фиг.1 герметично соединены между собой сопла 1, 2 и 3. Критические сечения 4 и 5 не меньше критического сечения 6 расходоопределяющего сопла 1. На сопле 3 при помощи кронштейнов 7, 8 и регулирующего винта 9 установлено с зазором 10 эжекторное сопло 11, на котором при помощи кронштейнов 12, 13 и регулирующего винта 14 установлено с зазором 15 эжекторное сопло 16. Эжекторные сопла 15 и 16 имеют критические сечения 17 и 18, которые больше критических сечений 4, 5 и 6.
На эжекторном сопле 16 при помощи кронштейнов 19, 20 и регулирующего винта 21 установлено с зазором 22 сопло 23, которое герметично соединено с соплом 24, а то в свою очередь герметично соединено с соплом 25. Сопла 24 и 25 имеют критические сечения 26 и 27, которые не меньше критического сечения 28 расходоопределяющего сопла 23, которое больше критических сечений 17 и 18.
На сопле 25 при помощи кронштейнов 29, 30 и регулирующего винта 31 установлено с зазором 32 эжекторное сопло 33 с критическим сечением 34. Сопло 1 имеет входное сечение 35.
Сопло 3 имеет выходное сечение 36. Эжектирующие сопла 11, 16 и 33 имеют выходные сечения 37, 38 и 39. К входному сечению 35 подсоединена магистраль с высоким давлением 40.
На фиг.2 сопло 41, выполненное в виде тела вращения, введено в резонансную полость 42 так, чтобы газодинамический поток, выходящий из сопла 41, сталкивался с газодинамическим потоком, выходящем из сопла 41 в центральной области резонансной полости 42, которая снабжена выходным соплом 43, к которому герметично подсоединено сопло 44. Сопла 41 и 44 имеют критические сечения 45 и 46, которые не меньше (а лучше больше) критического сечения 47 расходоопределяющего сопла 43. На сопле 44 при помощи кронштейнов 48, 49 и регулирующего винта 50 установлено с зазором 51 эжекторное сопло 52, на котором при помощи кронштейнов 53, 54 и регулирующего винта 55 установлено с зазором 56 сопло 57.
На сопло 57 герметично установлено сопло 58, на которое в свою очередь герметично установлено сопло 59.
На сопле 59 при помощи кронштейнов 60, 61 и регулирующего винта 62 установлено с зазором 63 эжекторное сопло 64. Эжекторные сопла 52 и 64 имеют критические сечения (одновременно они и выходные) 65 и 66.
Сопла 44 и 59 имеют выходные сечения 67 и 68. Кольцевое сопло 41 имеет кольцевое входное сечение 69. Сопла 58 и 59 имеют критические сечения 70 и 71, которые не меньше критического сечения 72 расходоопределяющего сопла 57. Критическое сечение 65 больше критических сечений 45, 46 и 47. Критические сечения 70 и 72 не меньше (а лучше больше) критического сечения 72 расходоопределяющего сопла 57. Критическое сечение 72 не меньше (а лучше больше) критического сечения 65. Критическое сечение 66 больше критических сечений 70, 71 и 72. К кольцевому входному сечению подсоединен коллектор 73 с высоким давлением.
На фиг.1 и 2 в соплах 11, 23 и 52 установлены винтообразные направляющие 74, 75 и 76. Между соплами 1 и 2, 23 и 24, 43 и 44, 57 и 58 соответственно имеются вакуумируемые полости 77, 78, 79 и 80.
На фиг.3 изображен вариант, когда герметично соединенные между собой сопла 1, 2 и 3 и следующие за ними эжектирующие сопла 11 и 16 установлены на плече 81, которое связано с общей осью вращения 82. Сопло 3 имеет козырек 83. На оси 82 установлены лопатки 84. Ось 82 находится в подшипниках 85 и 86, связанных с остовом (на фиг. не показано). Ось 82 снабжена передачей 87 с мотором 88.
На фиг.4 сопла 1 и 2 выполнены в виде тел вращения. К соплу 1 подсоединен кольцевой коллектор 89 с высоким давлением. На плече 90 установлены подшипники 91, в которых установлена ось 92, к которой прикреплено плечо вращения 93, к которому в свою очередь прикреплено эжекторное сопло 16. На оси 92 установлены лопатки 94. На фиг.4 сопло 16 по отношению к оси 92 имеет выходное сечение, которое обеспечивает движение реактивной струи по касательной (на фиг.4 нет специального сечения, поясняющего это, поэтому см. фиг.3).
На фиг.5 кольцевой коллектор 89 с высоким давлением снабжен кольцевым соплом 95, на котором герметично установлено кольцевое сопло 96 с выходным сечением 97, введенном в герметичную резонансную камеру 98, которая снабжена выходным соплом 99 с выходным сечением 100. На сопле 100 с зазором 51 установлено сопло 52 с критическим сечением 65.
На фиг.6 насадок состоит из герметично соединенных между собой сопел 101,10 2 и 103, критические сечения 104 и 105 которых меньше критического сечения 106 расходоопределяющего сопла 101. Не менее чем однократно герметичное соединение между соплами 101,102 и 103 образует полости 107 и 108. Сопло 101 с входным сечением размещено ближе остальных сопел 102 и 103 насадка к оси вращения 110.
1
2
На фиг.6 изображены оси симметрии O и О.
Следует заметить, что образующие сопел 101, 102 и 103 приварены к цилиндрам 111 и 112, которые приварены к плечам 113 и 114. Исполнение сопел 101, 102 и 103 может быть и в виде дисков (роторов).
3
2
2
На фиг.6 сопло 1 дозвуковое, а сопла 102 и 103 сверхзвуковые (сопла Лаваля). От входного сечения 109 до критического сечения 105 образующие сопел 101, 102 и 103 симметричны оси симметрии О. За критическим сечением 105 сопло 103 (сопло Лаваля 103) имеет сверхзвуковую часть 115, которая поворачивается и у которой выходное сечение 116 обращено в сторону оси симметрии O, относительно которой насадок до критического сечения 117 общего сопла 118 практически симметричен. За критическим сечением 117 общее сопло 118 имеет поворотную часть 119, у которой имеется выходное сечение 120. Образующая 121, образующая 122 сопла 103, выходное сечение 15 и общее сопло 18 до критического сечения 17 ограничивают область резонансной полости 123. Пунктиром 124 условно обозначена область, по которой идут потоки из выходных сечений 115 до столкновения в области оси симметрии О.
4
На фиг.6 только с одной стороны плечо 113 имеет входное отверстие 125 и с той же стороны на оси вращения 110 могут быть лопатки 126, или мешалки, или компрессоры, или вентиляторы, или и то, и другое одновременно. Ось вращения имеет привод для вращения (на фиг.6 не показано). Патрубок подвода 127 имеет с насадком или лабиринтное уплотнение 128, или сальник (на фиг.6 не показан). Плечо 114 имеет отверстие 129. Стрелками на фиг.6 показаны пути движения газодинамических потоков. Выходное сечение 120 совмещено с входным сечением сопла 131 насадка 132, установленного на общем сопле 118 при помощи плеча 133. Насадок 132 имеет ось симметрии О.
На фиг.7 плечо 113 имеет входное отверстие 125 с двух сторон. Вместо плеч 114 имеется плечо 134, которое не имеет отверстий. Плечо 134 приварено к установочному цилиндру 135. Плечо 113 приварено к установочному цилиндру 136. Между установочным цилиндром 135 и плечами 113 установлены промежуточные цилиндры 137. Ось вращения 110 имеет резьбу 138, при помощи которых гайками 139 стягиваются на оси вращения 110 цилиндры 135, 136 и 137. Патрубок подвода 127 к насадку подходит с двух сторон. Стопоры цилиндров на оси 110 на фиг. не показаны.
На фиг.7 сопло 101 выполнено в виде сопла Лаваля. Следует заметить, что расходоопределяющим соплом может быть любое сопло из сопел 101, 102 и 103. Однако для простоты описания работы принимаем сопло 1 расходоопределяющим.
На фиг.8 показано, как не менее чем однократно тракты движения не менее чем двух первых и последующих за ним сопел смыкаются в резонансной полости, снабженной не менее чем одним выходным соплом.
4
5
На фиг.8 на оси 110 установлено не менее чем два насадка, которые изображены на фиг.6 и 7, причем ось симметрии О двух насадков 132 пересекается в области оси симметрии O резонансной полости 140, которая образована или сферой (или тором) 141 и общим соплом 142. Подводимый в патрубок подвода 127 газодинамический поток распределяется между первыми соплами при помощи полого цилиндра 143. Ось вращения 110 во всех вариантах имеет привод вращения (на фигурах не показано). На сопле 142 при помощи кронштейна 144 установлено с зазором эжекторное сопло 145.
На фиг.2 показан вариант, когда эжекторно вакуумируемая камера 80 может быть сообщена через трубопровод 146 и перекрывающее устройство 147 с какой-то емкостью.
Все сопла или часть сопел на всех фигурах могут быть выполнены в виде тел вращения. Резонансные параметры зависят от геометрии резонанскых камер 42, 98, 123 и 140 и геометрии вакуумируемых полостей. На всех фигурах подвод дополнительных масс различных газодинамических потоков может осуществляться автономно (на фиг. не показано). Тангенциальная направленность сопел по отношению к плоскостям вращения на фиг.3, 4, 6, 7 и 9 не показана, но она может иметь место.
Камеры сгорания на фиг. не показаны, но они тоже могут иметь место.
На всех фигурах стрелками показаны направления движения газодинамических масс или вращение осей.
Предлагаемое изобретение работает следующим образом.
На фиг.1 к входному сечению 35 через магистраль с высоким давлением 40 подводится газодинамический поток (или газ, или аэрозоль, или газожидкостная смесь, или жидкость, которая в соплах на больших скоростях превращается в газожидкостную смесь). Через сверхзвуковое сопло 1 поток попадает в сверхзвуковое сопло 2, а затем в сверхзвуковое сопло 3. Или в эжекторно вакуумируемой полости 77, или в полости между критическими сечениями 4 и 5 за счет отрыва потока от сопла 2 и за счет эжекции вакуумирования этого пространства, или там и там создаются условия для возникновения и удержания на рабочем режиме резонансно-пульсирующего течения газодинамического потока от входного сечения 35 до выходного сечения 36. Следовательно, из выходного сечения 36 в эжекторное сверхзвуковое сопло 11 поступает активный резонансно-пульсирующий газодинамический поток, который как бы вибрирующими волнами захватывает дополнительные порции другого газодинамического потока, который может быть подведен к зазору 10 по дополнительной магистрали или из окружающей среды. В дальнейшем для простоты газодинамический поток будет именоваться газовым потоком. В сопле 11 частота и величина амплитуды активного газового потока частично гасятся и изменяются. Если для технологических соображений необходимо усилить гашение пульсаций, то на пути уже суммарного потока стоит дополнительное эжекторное сопло 16. Частично успокоенный суммарный поток газа через выходное сечение или 37, или 38 поступает в сопло 23. Через зазор 22 аналогичным образом за счет сил эжекции поступает дополнительная порция газа. Весь газ проходит критические сечения 28, 26 и 27, а затем входит в эжекторное сопло 33. При этом все повторяется.
На фиг.2 газовый поток подается через коллектор 73 с высоким давлением в кольцевое сопло 41, где разгоняется, а затем выходит через кольцевое критическое сечение 45 в резонансную полость 42, где поток газа сталкивается в центральной части резонансной полости 42, достигая в ней максимального давления и температуры торможения. Затем поток газа отбрасывается на стенки резонансной полости 42 и потом выходит через выходное сверхзвуковое сопло 43 в сверхзвуковое сопло 44. Или в резонансной полости 42 за счет резкой смены высокого давления и низкого или за счет эжекторно вакуумируемой полости 79 создаются условия для возникновения и удержания на рабочем режиме резонансно-пульсирующего течения газового потока от кольцевого критического сечения 45 до выходного сечения 67, из которого активная резонансно-пульсирующая струя входит в эжекторное сопло 52, а оттуда суммарная активная струя идет эжекторно в сопло 57. Далее все повторяется, как на фиг.1.
На фиг.3 ось 82 приводится во вращение передачей 87 и мотором 88. При заданном числе оборотов за счет центробежных сил через герметично соединенные между собой сопла 1, 2 и 3 проходит воздух со сверхзвуковой скоростью, причем или в эжекторно вакуумируемой полости 77, или в полости между критическими сечениями 4 и 5 за счет отрыва потока от сопла 2 и за счет эжекции вакуумирования этого пространства, или там и там создаются условия для возникновения и удержания на рабочем режиме резонансно-пульсирующего течения газодинамического потока от входного сечения 35 до выходного сечения 36. Сопло 3 имеет козырек 83, при помощи которого поток газа поворачивается. Далее происходит так же, как и на фиг.1.
На фиг.4 через кольцевой коллектор 89 с высоким давлением подается поток газа в кольцевое сверхзвуковое сопло 1, через которое затем попадает в кольцевое сверхзвуковое сопло 2. В эжекторно вакуумируемой полости 77 создаются условия для возникновения и удержания на рабочем режиме резонансно-пульсирующего течения газодинамического потока от входного кольцевого сечения 35 до выходного кольцевого сечения 36. Активная газовая струя в пульсирующем режиме поступает в эжекторные сопла 16, которые установлены по кольцу и направлены выходным сечением аналогично фиг.3 по отношению к оси 92 (т.е. создается крутящий момент). В результате лопасти 94 мешалки реактора вращаются.
На фиг.5 через кольцевой коллектор 89 с высоким давлением подается поток газа в сверхзвуковое сопло 95, через которое затем попадает в сопло 96 с критическим (и выходным одновременно) сечением 97. Герметично соединенных между собой сопел 95 и 96 на коллекторе установлено не меньше, чем две пары. Оси этих сопел сходятся в точке «С» (схождения потоков) в центральной области резонансной полости 98. Аналогично фиг.2 из сечения 100 выходит активная струя газа в резонансно-пульсирующем режиме. Далее все повторяется.
В варианте, изображенном на фиг.6, ось вращения 110 приводится во вращение приводом. Через патрубок 127 и через отверстие 125 в насадок поступает газодинамический поток (или газ, или аэрозоль, или газожидкостная смесь, или жидкость, которая при кавитации частично или полностью переходит в газообразное состояние) или за счет подсоса или под давлением дополнительного источника давления (на фиг. не показано). Существует «критическое число» оборотов, после которого в критических сечениях 106 устанавливается критический расход.
2
2
При этом отверстие 125 имеет проходное сечение больше чем сумма площадей критических сечений 106. При увеличении числа оборотов выше «критического числа» за критическим сечением 106 возникает поток, идущий со сверхзвуковой скоростью, который тормозится на стенках сопла Лаваля 102, не переходя на дозвуковую скорость, а за критическим сечением 4 опять ускоряется. То же самое происходит и в сопле Лаваля 103, только поток при ускорении еще поворачивается в сторону оси симметрии O. В резонансной полости 123 поток сталкивается в области оси симметрии O. При таком столкновении крупные частицы и молекулы распадаются на более мелкие частицы и молекулы. За счет центробежных сил в резонансной полости 123 около образующей 121 возникает разрежение, а получившийся в результате столкновения поток выносится центробежными силами через общее сопло 118 и выходное сечение 120 в сопло 131 или просто в другой газовый тракт для дальнейшей обработки (не показано). Лопатки 126 способствуют подаче газодинамического потока в насадок. Разрежение, возникающее в результате эжекции в полостях 107 и 108, способствует крекинговым процессам в потоке, которые способствуют ускорению продуктов крекинга и всего потока. Разрежение в резонансной полости 123 около образующей 121 усиливает эффект крекинга и создает резонансные волновибрации, которые также способствуют усилению скорости потока в выходном сечении 120. Если этот поток идет в сечение 130, то за счет эжекции (или дополнительного давления извне) в сопло 131 поступает дополнительный газодинамический поток.
На фиг.7 показан вариант, когда в насадок поступают с разными компонентами газодинамические потоки через входные патрубки 127. И соединение этих разных компонентов происходит в резонансной полости 123. Это могут быть и водород и кислород. Тогда резонансная камера является камерой сгорания. Однако наибольшее применение этого насадка относится к размельчению аэрозолей и получению наивысшего эффекта вакуумного крекинга нефтепродуктов.
На фиг.8 показан вариант, когда дополнительный газодинамический поток с основным потоком продукта крекинга, вошедшие в сечение 130, в резонансной полости 140 сталкиваются и выносятся центробежными силами через общее сопло 142. Это может быть применено при получении сложных полимеров. В резонансных полостях 123 и 140 за счет инерционных сил вращения и скорости сталкивающихся потоков газа неизбежно создаются резонансно-волновые пульсации, которые будут наблюдаться в выходных сечениях сопел 118 и 142.
Пульсирующая активная струя, идущая из выходного сечения 120, двигается как волнообразная гребенка, затаскивая в следующий за ним насадок Шестеренко 123 в сечение 130 дополнительную массу газа.
Следовательно, предлагаемый насадок является самым высокоэффективным устройством по использованию энергии давления, возникающей за счет сил вращения или других сил.
Технический эффект заключается в том, что:
1) при столкновении в резонансной камере аэрозолей последние разрушаются до супермельчайших частиц, что очень важно при изготовлении красок, цемента и других порошкообразных композиций;
2) при столкновении в резонансной камере молекул нефтепродуктов последние за счет высокой температуры торможения разрушатся до самых легких фракций;
3) при пульсирующей подаче газодинамических компонентов в сопло 1 (фиг.1) или 101 (фиг.7 и 8) или при создании волн разрежения за счет эжекции в вакуумируемых полостях (на всех чертежах) весь насадок становится устройством разгона газодинамического потока с «аномально высоким приростом тяги» согласно Открытию СССР №413 «Явления аномально высокого прироста тяги в газовом эжекторном процессе с пульсирующей активной струей» 1951 г. и книги О.К.Кудрина «Пульсирующее реактивное сопло с присоединением дополнительной массы» (труды МАИ, 1958 г.);
4) при многократном повторении (фиг.8) явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекторном процессе с пульсирующей активной струей постепенно увеличивает суммарный прирост тяги, т.е. увеличивает отбор энергии атмосферного давления, переводя ее в кинетическую энергию газового потока, которую в свою очередь можно использовать в устройствах транспортировки газа и нефти по трубопроводу и для создания новых технологических производств химической технологии и для других назначений и технологий, где необходимо транспортировать и разгонять большие газодинамические массы, а также можно превратить в энергию температуры и давления, или в газотурбинном устройстве трансформировать во вращательное движение любого привода или ротора электрогенератора.