Способ преобразования потока сплошной среды и устройство для его осуществления

 

(19} R (11} (5Ц F 15 D 1 О8

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ

ЬЭ

Ю

ЬЭ

М

ЬЭ

ОО

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам

1 (21.) 5ОО5901/29 (22) 30.10.91 . (6И0.109З Бюп (7б) Кикнадзе Геннадий Иракпиевич. .Гачечиладзе

Иван Александрович-; Олейников Валерий Григорье(34).СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОТОКА

СЗШОШНОЙ О ЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОЮУЩЕСТВ.ЛЕНИЯ (57) Сущноаь изобретения: подаот сппоаную среду в осесимметричное пространство по множеству . траекторий. Каж*дая траектория имеет вид винтовой линии с монотонно убывак}щим яр ходу движения потока радиусом Площадь поперечного сечения каждого отдельного потока, движущегося A0 траектории, плавно уменьшается по ходу движения

2 потока Полученные потоки объединяют в один общий поток Винтовая линия имеет вид опиСываемый в цилиндрических координатах заданными зависимостями. Цпя преобразования потока используют множество каналов замкнутого поперечного сечения, имеющих входные сечения, расположенные во впускной полости, и выходные сечения, расположенные в выпускной полости. Продольная ось каждого канала ймеет вид винтовой линии с монотонно уменьшакхцимся.радиусом. Поперечное сечение каждого канала плавно убывает от входного сечения до выходного. Геометрическим местом выходных À канапов является поверхность вращения. Канал образован оболочкой, стенками каналов и торцовым ограничивающим элементом. 2 сп,бзл ф-лы,5ип

2002128 (/U )dU/dx «3,7 10, Rem < 5 .10, (1) (2) Изобретение относится к энергетике и, в частности, касается способа и устройства для преобразования потока сплошной среды.

Изобретение может быть использовано в ветроэнергетике, в различных гидравлических и газодинамических системах, напри-. мер, при использовании энергии воды. пара или газа для производства механической энергии, а также везде, где требуется создать закрученный поток и обеспечить пропуск больших расходов сплошной среды через малые поперечные сечения с высокой эффективностью, т.е. с малыми гидравлическими потерями. Кроме того, изобретение может найти поименение в двигателях внутреннего сгорания, различных горелочных и топочных устройствах и технологическихустановках, в газовых лазерах и устройствах, использующих плазму. Изобретение также может найтй применение в экспериментальных установках для исследования природных явлений, связаннь1х с изучением динамических явлений в сплошных средах, в частности, при исследованиях атмосферных процессов, таких как вознукновение и развитие смерчевых потоков.

Известны способы преобразования турбулентного потока сплошной среды, при которых преобразуют поток, например, путем 30 создания безотрывного течения, что приводит к снижению и упорядочению вихреобразования в нем (патент США М 3616693, кл, 6 01 F 1/00, 1971). При этом возможна линеаризация косвенных показателей потока. т.е. обеспечивается линейная зависимость. частоты прецессии вихревой составляющей от расхода для линеаризации показаний расходомера, но не обеспечивается снижение гидравлических потерь и качественное преобразование течения, которое по существу остается турбулентным, Известен способ ламинаризации турбулентного потока сплошной среды, при котором площадь поперечного сечения 45 турбулентного потока сплошной среды плавно уменьшают по ходу движения потока, имеющего прямолинейную продольную ось (Patel, V.C„Head, M,R., Reversion of

Turbulent, to Laminar Flow. Jr. of Fluid

Mechanica, 1968, v,34, р.371). При этом действительно обеспечивается ламинаризация турбулентного потока. Однако при таком способе ламинаризация возможна только в случае, если выполняются следующие соот- 5 -> ношения где v — кинематическая вязкость сплошной среды;

U(x) — зависимость линейной скорости потока от координаты х вдоль продольной оси потока;.

Вер — число Рейнольдса по эквивалентному диаметру сечения потока.

Указанные условия ограничивают пропускаемый расход по верхнему пределу ввиду того, что ламинаризация обеспечивается лишь при определенных приращениях линейной скорости потока на выбранной длине участка магистрали, на которой происходит кратное в пределах порядка величины ее изменение. Так, например, для турбулентного потока воздуха при скорости порядка 10 м/с расстояние, на котором поперечное сечение потока изменяется в 2 раза, не должно превышать 0,3 м, Однако по условию (2) такая длина может быть использована только в определенном диапазоне

ReD. Указанный способ ламинаризации ограничен определенными геометрическими и расходными параметрами турбулентного потока, что не позволяет универсально применять его в различных областях техники.

КроМе того, хотя получаемый ламинаризованный поток характеризуется пониженным сопротивлением и сниженными потерями, его энергетическая структура существенно не изменяется, т.е, такой поток характеризуется лишь пониженным вихреобразованием, но не обладает качественно новыми свойствами. Следует отметить динамическую нестабильность указанного способа ламинаризации, поскольку при любых внешних возмущающих факторах (колебания расхода, вибрации, колебания температуры и вязкости) происходит нарушение процесса ламинаризации, что приводит к возобновлению вихреобразования со всеми вытекающими отрицательными последствиями, например к потере устойчивости, выражающейся в вибрации стенок канала. В ряде технических применений этот недостаток может оказаться решающим.

Предлагаемый способ и устройство не имеют прототипа.

В основу изобретения положена задача создания способа и устройства для преобразования потока сплошной среды, при которых траекторию и поперечное сечение потока изменяют так и поток формируют так, чтобы получить из турбулентного потока течение, обладающее новыми свойствами по сравнению как с ламинарным, так и с турбулентным потоком.

Для этого в способе преобразования потока сплошной среды сплошную среду под2002328 ают в осесимметричное пространство по множеству траекторий, каждая из которых имеет вид винтовой линии.с монотонно убывающим по ходу движения потока радиу- сом, при этом площадь поперечного 5 сечения каждого отдельного потока, движущегося по указанной траектории; плавно уменьшают по ходу движения потока, и объединяют полученные потоки в один общий

30 поток.

При таком способе обеспечивается затухание вторичных вихревых течений. Это приводит к устойчивой ламинаризации и созданию новОГО типа потока из множества ламинаризованных потоков, что обусловлено конфуэорностью винтовых траекторий и силами инерции, возникающими при движении по таким траекториям. Ламинаризация отдельных потоков и объединение

20 полученных ламинаризованных потокоМ в один общий поток обеспечивают формирование течения, которое не является ни ламинарным, ни турбулентным в традиционном йонимании. Это происходит

25 вследствие того, что эффективная вихревая вязкость среды, движущейся в этом течении, аномально мала, а само течение представляет собой смерчеобразный поток, характеризующийся устойчивостью к возтурбулентного потока, равномерности профиля осевой скорости по сечению потока и при таком распределении вращательной составляющей скорости потока, при котором

35 отсутствует ее.резкое отличие от скоростей в других частях поперечного сечения. При этом полученный поток также обладает повышенной устойчивостью к внешним воздействиям еще и потому, что силы инерции в потоке превалируют над силами, обусловленными вязкостью движущейся среды.

При этом обеспечивается резкое сниже40 ние сопротивления каналов движению та- 45 ких потоков, т.е. снижение гидравлических потерь, что приводит к увеличению пропускной способности каналов и транспортных магистралей для газов, жидкостей, их двух50 фаэных и многокомпонентных смесей и повышению эффективности их движения и/или использования для преобразования энергии. Монотонное уменьшение радиуса винтовой траектории потока обеспечивает рост азимутальной составляющей скорости потока, что приводит к интенсификации закрутки потока.

Траектория потока предпочтительно имеет вид винтовой линии, описываемой в действию внешних факторов. 8 таком пото- 30 ке происходит формоизменение его поперечного сечения при большей. чем у цилиндрических координатах следующими зависимостями Ъ « о „ (3)

2 — +0(à — R), .

C з (4)

Г2 где r, p и 2 — цилиндрические координаты; чр,. чг — вращательная и радиальная составляющие скорости в начале траектории;

R< и R — радиальные координаты начала и кон4р траектории; и — степень изменения радиуса винтоВой ЛИНИИ;

С и D — константы, характеризующие траекторию.

При этом ОбеспечиваетСя минимизация гидравлических потерь и снижение вихреобразования.

Траектория потока может иметь вид винтовой линии с монотонно увеличиваюЩимся по ходу потока шагом; При этОм уменьшается степень закрутки потока, что приводит к снижению вращательной составляющей его скорости.

Траектория потока может иметь вид винтовой линии с монотонно уменьшающимся по ходу потока шагом. При этом обеспечивается дополнительная закрутка потока, что приводит к увеличению вращательной составляющей его скорости.

Поставленная задача решается также с помощью устройства для преобразования потока сплошной среды, содержащего множество каналов замкнутого поперечного сечения, имеющих входные сечения, расположенные во впускной полости устройства, и выходные сечения, расположенные в выпускной полости устройства, при этом продольная ось каждого канала имеет вид винтовой линии с монотонно уменьшающимся радиусом, поперечное сечение каждого канала плавно убывает от входного сечения до выходного, а геометрическим местом выходных сечений каналов является поверхность вращения.

Применение указанного устройства обеспечивает эффективное закручивание потока при резком снижении сопротивления каналов его движению, т.е; при снижении гидравлических потерь, что приводит к эффективному преобразованию перепада давления в энергию вращения преобразованного потока и увеличению пропускной способности каналов или транспортных магистралей. Это происходит благодаря затуханию вихревых течений в каналах выказанной формы, что приводит к устойчи2002128 ч вой ламинаризации и созданию нового типа потока из множества ламинаризованных потоков, Продольная ось каждого i-ro какала предпочтительно имеет вид винтовой линии, описываемой в цилиндрических координатах следующими зависимостями (3) и

Z= — + Di(r — R)

С1

„2 (5) С и l3i — константы, характеризующие каждый 1-й канал, Продольная ось каждого канала может иметь вид винтовой линии с монотонно увеличивающимся по ходу потока шагом. При этом уменьшается с епень закрутки потока, что приводит к снижению вертикальной составляющей скорости потока и обеспечивает плавное сопряжение устройства с выпуСкным трактом.

Продольная ось каждого канала может иметь вид винтовой линии с монотонно уменьшающимся по ходу потока шагом, При этом обеспечивается дополнительная закрутка потока, что приводит к увеличению вращательной составляющей егоскорости и обеспечивает плавное сопряжение устройства с впускным трактом, Каналы могут быть расположены по меньшей мере в две ступени, при этом одна из стенок канала каждой следующей ступени образована одной иэ стенок канала предыдущей ступени.

В этом случае появляется возможность увеличения расхода сплошной среды, проходящей через устройство, а следовательно, и мощности, отбираемой от потока сплошной среды при том же поперечном габарите устройства, Каналы образованы оболочкой в виде поверхности вращения и стенками, расположенными между внутренней поверхностью оболочки и торцовым ограничивающим элементом, при этом форма торцового ограничивающего элемента описывается в цилиндрических координатах следующей зависимостью

2 2 (е) где Š— константа, определяющая габариты торцового ограничивающего элемента.

П ри та кой конструкции. умен ьша ется образование вторичных вихревых течений, что повышает эффективность устройства.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство, предназначенное для осуществления способа преобразования потока сплошной среды, частичный разрез; н фиг.2 — вариант расположения продольной оси одного из каналов устройства, имеющей вид винтовой линии с монотонно убывающим по; на фиг.3 — вариант конструкции предлагаемого устройства с частичным разрезом с радиальным подводом потока сплошной среды; на фиг.4 — продольный разрез части предлагаемого устройства с многоступенчатой системой каналов; на фиг,5 — вид сверху боковых сте.нок одного из каналов многоступенчатой системы каналов, 10

Предлагаемый способ преобразования турбулентного потока сплошной среды осуществляют следующим образом (фиг.1).

Множество турбулентных потоков сплошной среды подают в осесимметричное пространство по множеству траекторий

А-А1 — Н вЂ” Н1(фиг.1)= каждая из которых имеет вид винтовой линии, при этом площадь пойеречного сечения SA-Sí каждого отдельного потока плавно уменьшают по ходу движенйя потока, объединяют полученные потоки в один общий поток, обозначенный стрелкой J.

Каждая траектория А — А — Н вЂ” Н (фиг.1) потока предпочтительно имеет вид винтовой линии, описываемой в цилиндрических траектории А-A> — Н-Н> обеспечивается затухание вторичных вихревых течений, что приводит к.устойчивой ламинаризации и созданию из множества ламинаризированных потоков нового типа потока А который не является ни ламинарным, ни турбулентным в традиционном понимании благодаря тому, что силы инерции превалируют над силами, обусловленными вязкостью движущейся среды, так как каждый поток движется по траектории А-А1 — Н-Н1, а его поперечное сечение SA — $н плавно уменьшается. При этом эффективная вихревая вязкость этого потока аномально мала, поток является смерчеобразным, характерйзующимся повышенной устойчивостью к воздействию внешних факторов и,формоизменениям поперечного сечения потока. В таком потоке происходят формоизменения

50 его поперечного сечения при большей, чем у турбулентного потока, равномерности профиля осевой скорости по сечению потока и при таком распределении вращательной составляющей скорости потока„при котором отсутствует ее резкое отличие по оси вращения от скоростей в других частях поперечного сечения. При этом полученный поток также обладает повышенной устойчивостью к внешним воздействиям еще и lloтому, что силы инерции в потоке координатах. зависимостями (3), (4).

30- При прохождении каждого потока по

2002128 превалируют над силами, обусловленными вязкостью движущейся среды.

Этот новый поток J также обеспечивает новый эффект дополнительного разрежения вдоль своей оси и эффект подсоса по каждой траектории А-A1 — H Н1 множества потоков. Это увеличивает пропускную способность тракта.

Как показано на фиг,1, предлагаемое устройство для преобразования турбулентного потока сплошной среды содержит корпус 1, в котором образована впускная полость 2, открытая с торца для впуска потока сплошной среды в эту камеру. В корпусе образована система каналов 3. Эти каналы образованы оболочкой 4 в виде поверхности вращения(например, гиперболоида) и стенками 5, расположенными между внутренней поверхностью оболочки 4 и торцовым ограничивающим элементом 6, При этом образуются каналы 3 замкнутого сечения, разумеется, что указанные каналы могут быть образованы и другим путем, например в виде отдельных трубопроводов, что не влияет на достижение цели изобретения.

Каждый канал 3 имеет входное сечение

7, расположенное во впускной полости 2, и выходное сечение 8, расположенное.в выпускной полости 9, при этом продольная ось

0-0 каждого канала 3 имеет вид винтовой линии с монотонно убывающим от впускной полости 2 осесимметричной выпускной полости 9 радиусом г(гf > г > r3), как показано на фиг.2, и с возрастающим по ходу движения потока шагом (не показано). Поперечное сечение каждого канала 3 плавно убывает от входного сечения 7 до выходного сечения 8.

Продольная ось каждого первого канала предпочтительно имеет вид винтовой линии, описываемой в цилиндрических координатах зависимостями (3) и (5).

Геометрическим местом концевых выходных сечений 8 каналов 3 является поверхность вращения 10, В варианте конструкции, представлен-. ном на фиг.2, продольная ось 01 — 01 канала имеет вид винтовой линии с монотонно убывающим по ходу потока шагом t (t» t2). При этом обеспечивается плавное сопряжение устройства с впускным трактом (не показано).

В варианте конструкции предлагаемого устройства для лреобразования потока сплошной среды, представленном на фиг.3. используется радиальный подвод потока сплошной среды, В этом варианте устройства, предлагаемое устройство для преобразования потока сплошной среды содержит корпус 1, в котором образована впускная полость 2. открытая с периферии для впуска потока сплошной среды в камеру. B корпусе образована система каналов 11 и 12. Эти

5 каналы образованы оболочкой 13 в виде поверхности вращения (наприте.ео, гиперболоида) и стенками 14 и 15, расположенными между внутренней поверхностью оболочки

13 и торцовым ограничивающим элементом

10 16. при этом образуются каналы 11 и 12 замкнутого сечения, у которых стенка 14 одного канала 11 является стенкой канала

12, а стенка 15 канала 12 является стенкой канала 11, Разумеется, что указанные кана15 лы могут быть образованы и другим путем, например в виде отдельных трубопроводов, что не влияет на достижение цели изобретения.

Форма торцовых ограничивающих зле20 ментов 6 и 16 (фиг, и 3) выбирается обтекаемой, при этом целесообразно, чтобы форма торцового ограничивающего элемента описывалась в цилиндричЕских координатах зависимостью (6).

25 На фиг.4 показано устройство с многоступенчатой системой каналов 11, 12; 11а, 12а; 11Ь, 12Ь. На фиг.4 показаны только каналы в nðîäîëüíoì разрезе и нижняя ограничивающая поверхность торцового эле30 мента 6. На фиг.5 условно показаны боковые стенки 17 одного из каналов 11а, В остальном устройство, представленное на фиг.4 и 5, аналогично устройству, описанному выше со ссылкой на фиг.1.

35 Предлагаемое устройство, представленное на фиг.1, работает следующим образом.

При поступлении потока сплошной среды во впускную полость 2 поток распреде40 ляется по системе каналов 3 и таким образом разделяется на множество потоков. Для впуска потока, например воды, достаточно установить корпус 1 устройства непосредственно s русло реки или канала

45 либо разместить его в трубопроводе (не показан). Отдельные потоки сплошной среды двигаются по каналам 3 уменьшающегося поперечного сечения по винтовым траекториям, в результате чего происходит их ква50 зиламинаризация с затуханием поперечных и вихревых составляющих потоков, На выходе из выходных сечений 8 каналов 3 квазиламинарные потоки объединяются в один поток. При этом совмещение потоков, выхо55 дящих из каналов 3, происходит в зоне, образованной поверхностью вращения. 10. благодаря чему потоки.на испытывают д,зполнительных искажений, которые могут быть вызваны резкими изменениями их траекторий. Очевидно, что в данном варианте

2002128

55 конструкции устройства осевые линии каналов 3 могут быть расположены по винтовым линиям с убывающим по ходу движения потока шагом, что приводит к уменьшению закрутки потоков и снижению степени за- 5. вихрения результирующего потока, При этом появляется возможность более плав-. ного сопряжения с выпускным трактом. Следует также отметить, что винтовые линии, по . которым расположены оси каналов 3, могут 10 строиться с учетом приведенных математических зависимостей.

В варианте выполнения каналов 3, представленном на фиг.3, устройство, показанное на фиг.1, работает аналогичным об- 15 разом с той лишь разницей, что благодаря увеличенной закрутке потоков, выходящих из каналов 3, результирующий поток J имеет увеличенную вращательную:составляющую скорости. 20

Вариант конструкции устройства, пред-, ставленный на фиг.3, работает так же, как и варианты, описанные со ссылкой на фиг.1 и

2, с той лишь разницей, что впуск потока сплошной среды осуществляется радиально 25

Формула изобретения

1.Способ преобразования потока г сплошной среды путем подачи сплошной среды в осесимметричное пространство по множеству траекторий, каждая из.которых имеет вид винтовой линии с монотонно убывающим по ходу движения потока радиусом, при этом площадь поперечного сечения каждого отдельного потока, движущегося по указанной траектории, плавно уменьшают по ходу движения потока, и объединяют полученные потоки в один общий поток, отличающийся тем, что траектория потока имеет вид винтовой линии, описываемой в цилиндрических координатах следующими зависимостями:

z. = — + Oi(r — R), С

3 г2 где r, rp u z - цилиндрические координаты;

Ч„о, Ч,о - вращательная и радиальная составляющая скорости в начале канала;.

R0 u R - радиальная координата начала и конца оси канала;

Сь D - константы, характеризующие каждый i-й канал;

n - показатель закрутки канала.

2,Способ по п.1, отличающийся тем, что траектория потока имеет вид винтовой относительно корпуса 1, Это может оказаться необходимым по конструктивным соображениям, когда. такой подвод сплошной среды является более предпочтительным, Вариант конструкции устройства, представленный на фиг.4 и 5, работает аналогичным образом с той лишь разницей. что поток сплошной среды подвергается квазиламинаризации во множестве ступеней каналов

11, 12; 11а, 12а; 11Ь, 12Ь, благодаря чему возрастают расход сплошной среды и энергия потока, получаемого при слиянии потоков, выходящих из каналов 11 и 12.

Разумеется, что в любом из описанных вариантов конструкции устройства в соответствии с изобретением в выпускной полости устройства может быть размещен любой известный механизм для преобразования энергии получаемОго потока в механическую энергию, например рабочее колесо турбины или крыльчатка. (56} Авторское свидетельство СССР

N 1539382, кл. F 03 D 3/04, 1990. линии с монотонно увеличивающимся по ходу потока шагом т.

3,Способ по п.1, отличающийся тем, что траектория потока имеет вид винтовой линии с монотонно уменьшающимся по хо-ду потока шагом t.

4.Устройство для преобразования потока сплошной среды. содержащее оболочку, впускную.vi выпускную полости и множество каналов замкнутого поперечного сечения, имеющих входные сечения, рас- положенные во впускной полости устройства, и выходные сечения. расположенные в выпускной полости устройства, при этом продольная ось каждого канала имеет вид винтовой линии с монотонно уменьшающимся радиусом, поперечное сечение каждого канала плавно убывает от входного сечения до выходного сечения, а геометрическим местом выходных сечений каналов является поверхность вращения, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит торцевой ограничивающий элемент, при этом канал образован оболочкой, стенками каналов и торцевым ограничивающим элементом, причем продольная ось каждого канала имеет вид винтовой линии, описываемой в цилиндрических координатах следующими зависимостями:

2002128

Фиг./

2 = — + t(» — R)

G . 3 .Р где г, у и 2 - цилиндрические координаты,"

V, V - вращательная и радиальная составляющие скорости s начале траек- 5 тории;

Ro, R - радиальные координаты начала и . конца траектории;

n - степень изменения радиуса винтовой линии; 10

С> и Di - константы, характеризующие траекторию, 5.Устройство по п.4, отличающееся тем, что продольная ось каждого канала имеет вид винтовой линии с шагом с, моно- "5 тонно уменьшающимся по ходу потока.

6.Устройство по п.4, отличающееся тем, что продольная ось каждого канала имеет вид винтовой линии с шагом t, монотонно увеличивающимся по ходу потока, 7.Устройство по пп.4- 6, отличающееея тем, что каналы расположены по меньшей мере.в две ступени, при 376.< одна из стенок канала каждой следующей ступени образована одной иэ стенок каждого канала предыдущей ступени, 8.Устройство по пп.4 - 6, отличающееся тем, что форма торцевого ограничиванущего элемента описывается в цилиндрических координатах зависимостью . У

"Е

2= —, г где Е - константа, определяющая габариты торцевого ограничивающего элемента, 2002128

2002128

11ь

Составитель Г. Кикнадзе

Редактор М. Стрельникова Техред М, Моргентал . Корректор А. Козориз

Заказ 3165

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

Тираж . Подписное

НПО "Поиск", Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 12g

14