Гидроакустическая сирена

Изобретение относится к устройствам для создания мощных акустических колебаний в проточной жидкой или газообразной среде и предназначено для получения тонкодисперсных эмульсий и суспензий с одновременным перемешиванием продукта. Техническим результатом изобретения является повышение к.п.д. устройства за счет существенного снижения давления нагнетаемой в ротор смеси и входной мощности при одновременном повышении выходной мощности. Гидроакустическая сирена содержит коаксиально установленные цилиндрический статор в виде концентрического акустического резонатора и полый ротор, в смежных поверхностях которых выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия, привод для равномерного вращения ротора, средство для подачи жидкой или газообразной смеси в ротор и выходной патрубок для вывода продукта. Ротор сирены выполнен с числом отверстий, отличным на единицу от числа отверстий статора для реализации бегущей резонансной волны колебаний в резонаторе - прямой относительно направления вращения ротора - в случае на единицу больше и обратной - в случае на единицу меньше, а выходной патрубок расположен по касательной к наружной поверхности статора в направлении бегущей волны. 10 ил.

 

Изобретение относится к акустике, а именно к устройствам для создания мощных акустических колебаний в проточной жидкой или газообразной среде, и может быть использовано в нефтегазовой, химической, парфюмерно-косметической, фармацевтической, пищевой, энергетической, металлургической, машиностроительной отраслях промышленности для создания, например, тонкодисперсных эмульсий и суспензий с одновременным перемешиванием продукта.

Известна гидроакустическая сирена, содержащая полые статор и ротор с рядом равномерно расположенных одинаковых отверстий на смежных поверхностях /Гидроакустическая сирена. А.с. СССР №542570, кл. В 06 В 1/20, 1977/. Такое устройство состоит, фактически, из традиционной радиальной сирены /Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Изд-во иностр. л-ры, 1957. 726 с./ и камеры озвучивания, параметры которой удовлетворяют условию прямого гидравлического удара. Недостатком такой сирены является необходимость повышенных входных давления и мощности, невысокий к.п.д., а также значительные ударные нагрузки на корпус, приводящие к разрушениям. Выходной патрубок имеет аксиальное направление, в то время как ударные волны радиальны, что требует дополнительных расходов энергии на отвод продукта.

Задача изобретения - повышение к.п.д. устройства за счет существенного снижения давления нагнетаемой в ротор смеси и входной мощности при одновременном повышении выходной мощности.

Поставленная задача решается тем, что используется не прямой гидравлический удар потока смеси о корпус, а возбуждается бегущая резонансная волна в обрабатываемой среде, что обеспечивает оптимальные условия подкачки механической энергии в колебательную гидроакустическую систему.

На фиг.1, 2 изображена схема гидроакустической сирены, на фиг.3 - собственные формы возбуждаемых колебаний, на фиг.4 - соответствующие им собственные частоты, на фиг.5, 6 - амплитудно- и фазочастотные характеристики, на фиг.7 - схема возбуждения резонатора, на фиг.8 - схема воздействия потоков газа, истекающих из отверстий ротора, на отверстия статора, на фиг.9, 10 - номограммы конструктивных парамеров сирены: резонансных частот колебаний обрабатываемой среды, частот вращения ротора, наружного радиуса статора и числа отверстий статора.

Гидродинамическая сирена (фиг.1, 2) содержит коаксиально установленные полый цилиндрические статор 1 в виде акустического резонатора и вращающийся внутри него полый ротор 2, в смежных поверхностях которых выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия: n - в статоре и n+1 или n-1 - в роторе, где n - не меньше трех (условие возбуждения бегущей по окружности волны дискретными импульсами). Ротор равномерно вращается приводом 3 и содержит средство для подачи жидкой или газообразной смеси внутрь ротора под небольшим давлением 4. Возможно в этом качестве использование всего лишь крыльчатки ротора подобно центробежным насосам. Выходной патрубок 5 расположен тангенциально на наружном радиусе статора и ориентирован в направлении бегущей волны (по ходу или против вращения ротора).

Колебания жидкости или газа осуществляются в кольцевой цилиндрической полости - статоре. Осесимметричные собственные колебания жидкости (газа) в кольцевой полости (фиг.3, штриховая линия), возбуждаемые традиционными сиренами с одинаковой перфорацией ротора и статора, имеют весьма высокие собственные частоты основного тона (фиг.4, штриховая линия), что потребовало бы чрезмерно увеличивать обороты ротора и уменьшать шаг перфорации (т.е. увеличивать равное число отверстий в смежных поверхностях ротора и статора) для достижения резонансной частоты возбуждения. 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 цилиндрической области (фиг.3, сплошная линия) имеет наинизшие собственные частоты колебаний из всех существующих (фиг.4, сплошная линия), что открывает путь к использованию резонанса в статоре 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 достаточно мощных толчков 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 видно на амплитудно-частотной характеристике для однопериодных по окружности колебаний (фиг.5). На фазочастотной характеристике (фиг.6) видно, как на резонансе выполняются фазные условия оптимальной подкачки энергии в колебательную систему.

Для возбуждения неосесимметричной бегущей резонансной волны предлагается нетрадиционная схема сирены, а именно новый тип ее перфорации. По-прежнему отверстия на роторе и статоре распределены равномерно в окружном направлении, но число отверстий ротора - на единицу больше (для создания прямой или попутной бегущей волны, совпадающей с направлением вращения ротора) или на единицу меньше (для получения обратной, или встречной, волны), чем на статоре (фиг.7).

Принцип работы. Вынуждающие силы, действующие на резонатор

При равномерном вращении ротора с угловой скоростью ω_p, на поверхности которого располагается n+1 или n-1 равномерно отстоящих друг от друга радиальных потоков газа, каждая из n щелей на поверхности статора поочередно испытывает пульсацию давления (фиг.7).

Пусть в начальный момент одна из щелей ротора и статора совпадают (фиг.8). Толчок давления со стороны истекающего из ротора газа 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 nδ=2π/(n-1) 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_p - в прямом и ω=(n-1)ω_p - в обратном направлении.

Окончательно частота вращения ротора 2 (фиг.1, 2) находится из условия достижения резонанса:

f=v/n - для сирены на прямой бегущей волне и

f=v/(n-1) - для сирены на обратной бегущей волне,

где v - собственная частота колебаний резонатора, ,

n - число отверстий статора.

Вынужденные колебания акустического резонатора

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.5) показывает, что наибольшее усиление колебаний обеспечивает первый (основной) резонанс. Для кольцевого цилиндрического резонатора 1 (фиг.1, 2) внешнего радиуса R с отношением внутреннего радиуса к наружному ρ частота основного тона равна:

где с - скорость звука в жидкости (газе), заполняющей ротор, α=α(ρ) - первый корень трансцендентного уравнения частот:

где J₁(α), N₁(α) - соответственно функции Бесселя и Неймана первого порядка.

Функция α=α(ρ) из формулы (1) представлена графиком (фиг.4, сплошная линия) для всех реальных конкретных отношений внутреннего радиуса концентрического резонатора к наружному 0<ρ<1. На фиг.4 первый нижний индекс 1 у функции α_1К(ρ) обозначает, что это - первые корни уравнения (2), а второй нижний индекс k показывает число пар узлов возбуждаемой формы колебаний в тангенциальном направлении. Так, 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.3. Из фиг.4 видно, что при ρ=0 имеем частный случай сплошного резонатора, что отмечено верхними индексами (с) у соответствующих значений величин . Фиг.4 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 приближаясь к α=1), что и требуется для согласования сирены-возбудителя с акустической камерой-резонатором.

Номограммы основных конструктивных параметров сирены

Для подбора конструктивных параметров по вышеприведенным расчетным формулам построены номограммы сирены (фиг.9, 10). По ним наиболее легко подбирать основные конструктивные параметры. Например, задаемся резонансной частотой колебаний ν и отношением радиусов резонатора ρ. По кривой ν (R) определяем соответствующий наружный радиус R, а по семейству прямых ν (f) подбираем комбинацию перфорации и числа оборотов ротора. Из номограмм видно, что для реально встречающихся практических смесей параметры сирены легко реализуются. Так, в качестве привода вполне возможно использование самых распространенных низкооборотных асинхронных электродвигателей.

Пример расчета параметров гидроакустической сирены.

Пусть обрабатываемой средой является нефть и требуется возбудить частоту ее обработки ν=500 Гц в резонаторе с отношением внутреннего радиуса к наружному ρ=0.5.

Тогда по кривой ν(R) фиг.9, 10 находим необходимый наружный радиус резонаторной камеры: R=58 см. По семейству прямых ν(f) или по формулам на с.5:

f=ν/n - для сирены на прямой бегущей волне и

f=ν/(n-1) - для сирены на обратной бегущей волне, получаем возможные комбинации числа отверстий n и числа оборотов ротора f.

n, число:	10	20	30	40	50;
при использовании прямой бегущей волны:
f, об/c:	50	25	17	13	10;
при применении обратной бегущей волны:
f, об/c:	56	26	17	13	10.

Гидроакустическая сирена, включающая коаксиально установленные цилиндрический статор в виде концентрического акустического резонатора, полый ротор, в смежных поверхностях которых выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия, привод для равномерного вращения ротора, средство для подачи жидкой или газообразной смеси в ротор и выходной патрубок для вывода продукта, отличающаяся тем, что ротор сирены выполнен с числом отверстий, отличным на единицу от числа отверстий статора, для реализации бегущей резонансной волны колебаний в резонаторе - прямой относительно направления вращения ротора в случае на единицу больше и обратной в случае на единицу меньше, а выходной патрубок расположен по касательной к наружной поверхности статора в направлении бегущей волны, при этом параметры устройства выбраны из выражений

r=v/n - для сирены на прямой бегущей волне;

f=v/(n-1) - для сирены на обратной волне;

где v - частота создаваемых акустических колебаний жидкой или газообразной среды в резонаторе;

f - частота вращения ротора;

n - число отверстий статора;

R - внешний радиус резонатора;

с - скорость звука в жидкой или газообразной среде, поступающей в резонатор;

α - низший корень трансцендентного уравнения:

где J₁, N₁, - соответственно функции Бесселя и Неймана первого порядка;

ρ - заданное отношение внутреннего радиуса концентрического резонатора к наружному R.