Способ для генерирования вихревых колец и устройство для его осуществления

 

Сущность изобретения: обеспечивают истечение газа в пульсирующем режиме с прямоугольными импульсами расхода путем периодического прерывания газового потока. Поток истекающего газа разделяют на отдельные потоки, каждый из которых модулируют по гармоническому закону с амплитудой и частотой колебаний расхода, соответствующими разложению Фурье для прямоугольного импульса, после чего осуществляют их смешение. Для реализации способа прерыватель газового потока выполнен в виде коаксиально расположенных перфорированных статора и ротора, насадок - в виде диафрагмы с отверстием. Перфорация статора и ротора выполнена в виде фасонных отверстий, расположенных в несколько концентричных рядов. Форма и количество отверстий в каждом ряду выбраны из условия обеспечения синусоидального изменения расхода, соответствующего разложению Фурье для прямоугольного импульса . За прерывателем установлена камера смешения; раз мерьГк бтброй вь1браны из условия обеспечения соответствующего сложения синусоидальных импульсов расхода. 2 с.р. ф-лы, 3 ил. И

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з F f5 0 1/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

- ®едй@

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ -юнщ„.

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4915511/29 (22) 01.03.91 (46) 23.01.93. Бюл. N. 3 (71) Институт технической механики АН

УССР (72) Е,В.Козлов, А.В.Куковинец и Н.Ф.Свириденко (56) Авторское свидетельство СССР № 1015192, кл, F 23 1 17/02, 1987, (54) СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ВИХРЕВЫХ КОЛЕЦ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛ Е Н ИЯ (57) Сущность изобретения: обеспечивают истечение газа в пульсирующем режиме с прямоугольными импульсами расхода путем периодического прерывания газового потока. Поток истекающего газа разделяют на отдельные потоки, каждый из которых модулируют по гармоническому закону с амплитудой и частотой колебаний расхода, соИзобретение относится к технике генерирования вихревых колец и может быть использовано, например, для удаления газовых отходов с промышленных предприятий.

Известны способы генерирования вихревых колец, заключающиеся в выталкивании некоторой порции газа через специальные насадки, например по а.с. N.

314976, 556277, 883604, 922434, 10,48249.

Устройства для реализации известных способов содержат либо поршень, выталкивающий газ из камеры по а.с, ¹ 556277, либо диафрагмы — гибкие диафрагмы, соединенные с маховичным приводом по а.с, ¹

922434, плоские гофрированныедиафрагмы с электроприводом для осуществления возвратно-поступательного движения по а.с, ¹

„„5U„„1789795 А1 ответствующими разложению Фурье для прямоугольного импульса, после чего осуществляют их смешение. Для реализации способа прерыватель газового потока выполнен в виде коаксиально расположенных перфорированных статора и ротора, насадок — в виде диафрагмы с отверстием, Перфорация статора и ротора выполнена в виде фасонных отверстий, расположенных в несколько концентричных рядов. Форма и количество отверстий в каждом ряду выбраны из условия обеспечения синусоидального изменения расхода, соответствующего разложению Фурье для прямоугольного импульса. За прерывателем установлена камера смешения, размеры котброй выбраны из условия обеспечения соответствующего сложения синусоидальных импульсов расхода. 2 с,р. ф-лы, 3 ил.

1048249. В устройстве по а.с. № 883604 основным элементом является волновод в ви- де пружинной стальной ленты, приводимыР;,Ю в возвратно-колебательное движение с по. О мощью кривошипно-шатунного механизма, связанного с нижним концом волновода. В О техническом решении по а.с. ¹ 314976 вы- Щ талкивание порции газа осуществляется вследствие микровзрыва при поджиге топ-,Ф ливной смеси, вспрыскиваемой в камеру.

Однако эти способы и устройства являются достаточно сложными в "койструктивном исполнении, имеют большие габариты и массу, требуют больших затрат энергии для их приводов, Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ генерирования вихревых

1789795

55 колец по а.с, N 1015192, в котором формирование вихрей осуществляется посредством прерывания газового потока и обеспечения его истечения некоторыми порциями.

Известное устройство для генерирования вихревых колец по а,с. hL 1015192, выбранное в качестве прототипа; содержит два вертикально расположенных ротора с гибкими лопастями. Вращаясь навстречу друг другу, лопасти соприкасаются, прерывая истечение газового потока, При этом некоторый объем газа, заключенный между лопастями, выбрасывается вверх при вращении роторов с последующей трансформацией выталкиваемого газа в вихревое кольцо.

Известные способ и устройство имеют следующие недостатки. При необходимости удаления газовых отходов с относительно большим секундным расходом размеры роторов приобретают большие габаритные размеры и массу. Это влечет за собой потребность в повышении энергозатрат для привода роторов, Кроме того, применение роторов с лопастями, вращающихся навстречу друг другу, не обеспечивает изменение расхода газа во времени в виде прямоугольных импульсов, что приводит к большим потерям газа при формировании вихрей непосредственно у выходного насадка устройства, а, следовательно, к снижению эффективности формирования вихревых колец.

Целью настоящего изобретения является снижение энергозатрат и повышение эффективности генерирования вихревых колец за счет формирования импульсов расхода, максимально приближающихся к прямоугольным, Поставленная цель достигается тем, что в способе, заключающемся в истечении газа в пульсирующем режиме с прямоугольными импульсами расхода газа за счет периодического прерывания газового потока, последний разделяют на отдельные потоки, каждый из которых модулируют по гармоническому закону с амплитудой и частотой колебаний расхода, соответствующими разложению Фурье для прямоугольного импульса, после чего осуществляют их смешение, Указанная цель достигается также устройством, содержащим прерыватель газового потока, выполненный в виде коаксиально расположенных перфорированных статора и ротора, насадок в виде диафрагмы с отверстием, причем перфорация статора и ротора выполнена в виде фасонных отверстий, расположенных в

50 несколько концентричных рядов, в каждом из которых форма и количество отверстий выбраны из условия обеспечения синусоидального изменения расхода, соответствующего разложению Фурье для прямоугольного импульса, а за прерывателем установлена камера смешения, размеры которой выбраны из условия обеспечения соответствующего сложения синусоидальных импульсов расхода.

На фиг.1 и 2 изображено размещение отверстий на статоре (роторе); на фиг.3— одна из возможных конструктивных схем генератора вихревых колец.

Устройство содержит корпус 1 с входным патрубком 2 и насадком 3 диафрагменного типа с отверстием 4, установленным в выходной части корпуса. В средней части корпуса коаксиально установлены статор 6 и ротор 7, причем пространство, заключенное между статором 6 и выходным насадком

3, представляет собой камеру смешения 5.

Статор 6 и ротор 7 выполнены в виде перфорированных дисков, перфорацию которых составляют отверстия, размещенные в несколько концентрично расположенных рядов. Ротор 7 связан с приводом 8, Предложенный способ реализуется следующим образом.

При подводе газа по входному патрубку

2 и осуществлении вращения ротора 7 относительно статора 6 либо от потока набегающего газа, либо от внешнего привода 8, происходит прерывание натекания газового потока. При периодическом совмещении отверстий статора и ротора осуществляется разделение основного потока на отдельные

его составляющие, которые при этом модулируются по синусоидальному закону. После прохождения статора промодулированные отдельные составляющие потока газа смешиваются в камере смешения 5 с образованием суммарного потока со ступенчатым изменением расхода газа, максимально приближающегося по форме к прямоугольному в силу выбора параметров отверстий статора и ротора, соответствующих разложению Фурье для прямоугольного импульса, Далее газ направляют через выходной насадок, на кромках отверстия которого в результате вязкого трения происходит сворачивание пограничного слоя в вихревое ядро, Остальная часть потока образует так называемую атмосферу вихревого кольца, движущуюся совместно с тороидальным ядром, Таким образом, периодическое совмещение отверстий статора и ротора обеспечивает. периодическое генерирование вихревых колец, частота образования которых определяется числом

1789795 а1

r> = R1.sin—

2 (3) 15 аг гг = R2.sin—

2 (4) гз = Вз,sin—

2

20 а

rm = Rm.sin —, m = 2,3„. (5) (6) =Я где а1= ч, 25 а1 аг = —, 3 (8) 30

5 (9) f(x) = Co(sin x + sin — + sin + ), Зх . 5х

3 5 (10) а

am = m=23...

2m — !

r1 3

40 г2 г2 V5 гз 3 (12) 4g rm-1 Ъ 2, m=2,3... г п 2m — 3 (13) Следовательно, 50

R Чгт:зslm

Rm — 1

2п — 1 sin (14) N = f/fo. (2) 55 Расчет по соотношению (14) показываДля приближения формы колебаний ет, что при любых значениях m u N отношерасхода к прямоугольной форме, согласно ние Rm/Rm-)>1. Это означает, что ряды (1), таких рядов должно быть несколько. При отверстий должны располагаться от центра этом число отверстий в каждом ряду и их статора (ротора) в порядке убывания их раплощади должны выбираться в соответст- диусов, отверстий внутреннего ряда на статоре и роторе, а также частотой вращения ротора.

Максимальная эффективность генерирования вихревых колец достигается при их формировании из импульсов расхода газа прямоугольной (ступенчатой) формы.

При этом обеспечивается максимальное значение массы газа, входящего в формируемое вихревое кольцо, т,е. повышается

КПД генератора и уменьшаются непроизводительные потери газа при генерировании вихревых колец.

Известно, что колебания любой формы могут быть представлены суммой их гармонических составляющих синусоидальной формы (см. например в кн.: P.Áèøoí Колебания. — M. Наука, 1979. — 160 с). Так, например, для колебаний прямоугольнои формы, сложение уже трех первых гармонических составляющих обеспечивает достаточно хорошее приближение к прямоугольной форме колебаний. Любая периодическая функция f, аналогом которой является последовательность прямоугольных импульсов, может быть представлена рядом Фурье (см. например, в кн,: Г.П.Толстов, Ряды Фурье, — М.: Наука, 1980, — 384 с,), Для рассматриваемого случая можно записать где Со — некоторая постоянная.

Таким образом, последовательность прямоугольных импульсов может быть представлена в виде суммы бесконечного ряда синусоид — гармонических импульсов с основной и кратными (n = 3,5,...) частотами, амплитуды которых последовательно уменьшаются в К = 3, 5„„, раз.

Синусоидальные колебаний основной частоты в соответствии с (1) достаточно просто получить, сделав каналы на статоре и роторе в виде отверстий одного радиуса и разместив их в ряд по окружности с промежутками, равными их диаметру. При этом количество отверстий N, частота вращения ротора fo и частота генерирования расхода газа связаны между собой соотношением: вии с указанными выше значениями числе п и К. Очевидно, чем больше число рядов, тем ближе результирующий импульс к прямоугольному, а размещение отверстий в рядах, 5 кроме того, должно осуществляться строго определенным образом.

На фиг.1 приведена схема размещения отверстий в статоре (роторе), а на фиг.2 выделена некоторая область. Поскольку

10 n = 3,5... из фиг.2 имеем:

С другой стороны, учитывая, что К =

= 3,5,..., имеем

1789795 — V3, гг (18) г1 4 гз (19), (г.

15 откуда следует

8+Ro (22) rm—

1 г 1

sln2 N

30 г =й ъ 2 то — 1 (15) Я1 = 4+ e+ r>, sin (23) (16) е+Р, rl—

1 з1п—

2 (17) mo =лнк, m =1

2 (24) 45

Анализ соотношения (1) показывает также, что все синусоиды имеют одну и ту же начальную фазу, откуда следует, что каждое из отверстий внутреннего ряда должно иметь общую касательную с соответствующими отверстиями каждого из последующих рядов.

С целью уменьшения размеров ротора (статора) наиболее рациональным способом расположения рядов следует считать их взаимное касания отверстиями (или, хотя бы, максимально тесное их размещение). При этом отверстия внутреннего ряда следует стремиться выбирать максимально возможного радиуса (при заданном числе рядов отверстий), что обеспечит максимум расхода газа через прерыватель. Число заданных рядов определяется также из условия достижения максимума суммарной проходной площади отверстий, расположенных в секторах больших отверстий внутреннего ряда, Необходимым условием является также нахождение каждого из отверстий внутреннего ряда в пределах своего сектора (сектор

ВОС на фиг.2), Определим это условие следующим образом. Будем считать, что отверстия первого ряда не касаются технологической зоны с радиусом R<. а отстоят от нее на некотором расстоянии я, При этом

С другой стороны а

r1 . а1

sin—

Из выражений (15) и (16) имеем связь параметрове и r> в виде

Соотношение (17) представляет собой ограничение на радиус отверстий внутреннего ряда, как условие внутрисекторного их расположения.

Определим общий вид зависимости

Rm(e) в соотношениях (4) — (6), определяющей значения радиусов отверстий кратных рядов по радиусу отверстий внутреннего ряда, Следствием условий кратности (К = 3,5„„) рядов, вытекающим из (1), является связь параметров — 2,„1, m = 2,3,... (20)

r>

На основании соотношений (3) — (6) и, используя выражения (7) — (10), (17) — (20), можно получить

25 При этом связь параметра я с числом

m< рядов отверстий задается следующим соотношением:

Суммарная площадь отверстий статора (ротора) для заданного числа рядов m<, частоты генерирования вихревых колец и враще40 ния ротора может быть определена в виде где д В = Ро — площадь статора (ротора)

2 прерывателя газового потока. Задаваясь произвольным значением числа mo рядов отверстий, можно в каждом конкретном случае путем варьирования определить максимально возможное значение Sg u соответствующее ему число mo, обеспечив

55 тем самым минимальные геометрические размеры статора (ротора).

Таким образом, выполнение перфорации статора (ротора) в виде отверстий, расположенных в несколько рядов, а также выбор радиуса отверстий, радиуса окружно10

1789795

50 стей расположения центров отверстий и угловых координат отверстий в каждом ряду при заданной частоте генерирования вихревых колец в соответствии с приведенными выше соотношениями изложенной выше методикой позволяет формировать импульсы расхода, максимально приближающиеся по форме к прямоугольным. Это, в свою очередь, обеспечивает повышение эффективности генерирования вихревых колец за счет обеспечения более полного вхождения газа в формируемое вихревое кольцо. . В качестве примера осуществления изобретения рассмотрим процесс формирования вихревых колец с помощью генератора вихревых колец, установленного на выхлопном патрубке агрегата HK — 12, применяемого на газоперекачивающих станциях, Выхлопной патрубок агрегата имеет диаметр 2 м, истечение газа осуществляется с расходом G = 44 кг/с. Выберем частоту генерирования вихревых колец f = 10 Гц, а частоту вращения ротора fo = 1 об/с, При этом количество отверстий внутреннего ряда составит N = 10. Примем радиус ротора, равный R = 1,5 м, радиус технологической зоны статора (ротора) Ro = 0,25 м; а количество рядов отверстий п о = 3, Тогда в соответствии с приведенными соотношениями имеем; радиусы окружностей центров отверстий рядов R) = 0,653 м, Rz = 1,127 м, В3 =- =

1,454 м; радиусы отверстий рядов г = 0,1 м, r2 = 0,059 м, гз = 0,046 м; азимутальные углы отверстий рядов и = 0,314 ряд., а = 0,105

Формула изобретения

1. Способ генерирования вихревых колец, заключающийся в том, что обеспечивают истечение газа в пульсирующем режиме с прямоугольными импульсами расхода путем периодического прерывания газового потока, отличающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат и повышения эффективности генерирования вихревых колец, поток истекающего газа разделяют на отдельные потоки, каждый из которых модулируют по гармоническому закону с амплитудой и частотой колебаний расхода, соответствующими разложению Фурье для прямоугольного импульса, после чего осуществляют их смешение, 2, Устройство для генерирования вихревых колец, содержащее прерыватель газо5

35 рад., аз = 0,063 рад. При этом суммарная площадь отверстий составит S ã = 0,74 м, г а соответствующий ей радиус выходного отверстий насадка должен составлять не менеее R * =0,49 м.

Примем радиус выходного отверстия насадка R* = 0,7 м. При этом скорость истечения газа на выходе из насадка составит U*

= 40,8 м!с. Применение предлагаемого изобретения при приведенных параметрах устройства обеспечивает генерирование вихревых колец с начальной скоростью движения 14 = 21 м/с, которой соответствует дальнобойность вихревых колец = 1300 м.

Использование предлагаемого изобретения позволяет по сравнению с существующими повысить эффективность генерирования вихревых колец, уменьшить габаритные размеры и массу прерывателя, а, следовательно, и энергетические затраты на его привод. Необходимо также отметить, что выбирая определенным образом параметры генерирования вихревых колец, возможно обеспечение их движения в виде вихревого столба, что позволяет, кроме повышения эффективности формирования вихрей за счет более полного вхождения газа в вихревое кольцо, уменьшить потери газа при его транспортировке посредством вихревых колец и увеличить дальнобойность вихревых колец, Это, в свою очередь, позволит повысить эффективность удаления газовых отходов с промышленных предприятий с помощью вихревых колец, вого потока, выполненный в виде коаксиально расположенных перфорированных статора и ротора, насадок в виде диафрагмы с отверстием, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что перфорация статора и ротора выполнена в виде фасонных отверстий, расположенных в несколько концентричных рядов, причем форма и количество отверстий в каждом ряду выбраны из условия обеспечения синусоидального изменения расхода, соответствующего разложению Фурье для прямоугольного импульса, а за прерывателем установлена камера смешения, размеры которой выбраны из условия обеспечения соответствующего сложения синусоидальных импульсов расхода, 1789795

1789795

С оста вител ь Г. Гром ы ко

Техред М.Моргентал Корректор М.Андрушенко

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 341 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5