Способ формирования струи и сопло-форсунка для его осуществления

 

Использование: в области гидро-газодинамики, в том числе в средствах пожаротушения, сжигания, маскировки, дегазации, дезактивации, охлаждения, разогрева, химических производствах, летательных аппаратах и двигателях. Сущность изобретения: в способе и сопле-форсунке пропускают продольный поток через продольный канал и расширяют этот поток за счет формирования по меньшей мере одного периферийного поперечного потока путем отвода части рабочей среды через по меньшей мере один канал в виде отверстия в стенке продольного канала, выполненное от конца продольного канала, например в виде паза, пересекающегося со срезом выхода продольного канала с одновременным получением безотрывного течения при обеспечении величины давления в пристеночном слое на выходе равным или большим произведения величины, составляющей 1 - 100% от значения критерия Соммерфильда на величину давления в окружающем пространстве, в котором образуется результирующая струя с заданными формой и размерами. 2 с.п. 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области гидро-газодинамики и может быть использовано для создания средств пожаротушения и сжигания, вентиляции или подачи газа, создания маскировочных завес и их разрушения, дегазации и дезактивации, охлаждения и разогрева, объемных и площадных воздействий, в том числе военных, химических и микробиологических производств, а также в конструкциях летательных аппаратов и двигателей внутреннего сгорания.

Уровень техники в данной области характеризуется тем, что известен способ формирования струи, при котором пропускают продольный поток рабочей среды через продольный канал под воздействием перепада давления между его входом и выходом с последующим выпуском потока в окружающее пространство и образованием результирующей струи. Там же известно сопло-форсунка, содержащее продольный канал для пропускания продольного потока рабочей среды [1].

Недостатками известного способа в сопла-форсунки являются отсутствие возможностей формирования результирующих струй различной формы.

Известен также способ формирования струи, при котором пропускают продольный поток рабочей среды через продольный канал под воздействием перепада давления между его входом и выходом и расширяют этот продольный поток за счет формирования по меньшей мере одного периферийного поперечного потока путем отвода части рабочей среды через по меньшей мере один радиальный или наклонный канал в виде отверстия в стенке продольного канала с последующим выпуском потоков под соответствующими углами друг к другу в окружающее пространство и образованием результирующей струи с заданными формой и размерами. Там же известно сопло-форсунка, содержащее продольный канал для пропускания продольного потока рабочей среды, а также по меньшей мере один радиальный или наклонный канал в виде отверстия в стенке продольного канала для формирования по меньшей мере одного периферийного поперечного поток [2].

Недостатками данного известного способа и сопла являются ограниченность технологических возможностей создания результирующей струй с заданной формой и размерами из-за сложности создания сверхзвукового безотрывного течения, а также ограниченность компоновочных возможностей, обусловленная большой протяженностью продольного канала.

Технической задачей изобретения является создание такого способа и сопла-форсунки, которые обеспечивают формирование результирующей струи с большим разнообразием симметричных и несимметричных форм при дозвуковом, звуковом и сверхзвуковом истечении струи, а также расширение компоновочных возможностей за счет сокращения протяженности продольного канала.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе с формирования струи, при котором пропускают продольный поток рабочей среды через продольный канал под воздействием перепада давления между его входом и выходом и расширяют этот продольный поток за счет формирования по меньшей мере одного периферийного поперечного потока путем отвода части рабочей среды через по меньшей мере один радиальный или наклонный канал в виде отверстия в стенке продольного канала с последующим выпуском потоков под соответствующими углами друг к другу в окружающее пространство и образованием результирующей струи с заданными формой и размерами по меньшей мере один поперечный поток формируют непосредственно примыкающим к срезу выхода продольного канала за счет пересечения упомянутого отверстия этим срезом, с одновременным получением безотрывного течения указанных потоков при обеспечении величины давления ни выходе по крайней мере в части, примыкающей к стенкам канала в диапазоне, минимальная величина которого равна произведению величины, равной 1 - 100% от значения критерия Соммерфильда на величину давления в окружающем пространстве, в котором образуется результирующая струя с заданными формой и размерами. При этом на выходах в пристеночном слое продольного и/или поперечного потоков обеспечивают величину давления преимущественно большей либо равной либо меньшей, чем в остальной части рабочей среды на выходе, осуществляют изменение параметров результирующей струи за счет изменения геометрии потоков и перепада давления между входом и выходом продольного и/или поперечного каналов, осуществляют изменение параметров результирующей струи путем частичного или полного перекрытия упомянутых отверстий.

Сущность изобретения заключается также в том, что в сопле-форсунке, содержащем продольный канал для пропускания продольного потока рабочей среды, а также, по меньшей мере один радиальный или наклонный канал в виде отверстия в стенке продольного канала для формирования по меньшей мере одного периферийного поперечного потока, по меньшей мере одно отверстие в стенке выполнено от конца продольного канала, например, в виде паза, пересекающегося со срезом выхода продольного канала. При этом стенки продольного канала выполнены с углублениями, например, гофрированными, причем пазы выполнены во впадинах и/или вершинах гофров, причем последние направлены к оси продольного канала либо в противоположном направлении, продольный канал в зависимости от скорости потока выполнен либо сужающимся либо расширяющимся либо трубообразным либо в виде комбинации этих форм, каждый паз в зависимости от скорости потока выполнен либо сужающимся либо расширяющимся либо трубообразным либо в виде комбинаций этих форм, сопло-форсунка снабжена средствами частичного либо полного перекрытия по меньшей мере одного из пазов, пазы и/или углубления направлены вдоль продольного канала, пазы и/пли углубления направлены под углом к продольному каналу, в поперечном сечении продольного и/или поперечного канала пазы и/или углубления распределены по периметру симметрично и/или равномерно, длина пазов и/или углублений равна длине продольного и/или поперечного канала или его части, а длина каждого из пазов равна длине углубления или его части, продольный и/или поперечный канал выполнен с углом расширения превышающим 35^o, углубления выполнены профилированными, а их сопряжения - плавными.

На фиг. 1 изображены различные варианты выполнения сопла-форсунки, в первом столбце а исходные (известные из уровня техники) формы: ,1а и 2,а - конические (сужающиеся) с дозвуковой и звуковой скоростью; 3,а и 4,а - трубчатые с дозвуковой и звуковой скоростью; 5,а и 6,а - конические (расширяющиеся) с углами до 35^o со сверхзвуковой скоростью; 7,а и 8,а - расширяющиеся с углами свыше 35^o и с отрывом дозвукового или звукового продольного потока; во втором столбце б - те же формы 1,б - 8,б с углублениями (гофрами) и с отверстиями в стенках продольного канала в виде пазов, направленных вдоль продольного канала с длиной, равной длине углублений, и с перекрытым выходом продольного канала; в третьем столбце в - те же формы 1,в - 8, e с углублениями и пазами, аналогичными столбцу б и свободно открытым выходом продольного канала.

На фиг. 2 изображены варианты конических и цилиндрических форм сопла-форсунки с отверстиями в виде радиальных каналов (окон) и продольных пазов различной формы с длиной, равной части длины углублении.

На фиг. 3 изображено сопло-форсунка со средствами перекрытия пазов.

Каждое сопло-форсунка на фиг. 1 - 3 имеет продольный канал 1 и отверстия от конца канала 1 в виде пазов 2, пересекающихся со срезом выхода канала 1.

Кроме того, на фиг. 1 - 2 обозначены углубления 3 (гофры); на фиг. 2 в стенках канала 1 выполнены радиальные окна 4, не пересекающиеся срезом выхода канала 1. Окна 4 и пазы 2 могут быть выполнены как радиальными так и наклонными относительно оси канала 1. Пазы 2 и окна 4 могут быть выполнены как во впадинах 6 гофров 3 (углублений) и/или вершинах С гофров 3, а последние направлены вершинами 6 либо к оси продольного канала 1 либо в противоположном направлении.

Канал 1, пазы 2 и окна 4 могут быть, в зависимости от скорости потока, выполнены либо сужающимися, либо расширяющимися либо трубообразными либо в виде комбинаций этих форм, причем пазы 2 могут иметь такие формы как в продольном так и в поперечном по отношению к каналу 1 направлениях. На фиг. 3 средство частичного или полного перекрытия пазов 2 выполнено в виде втулки 7, которая может иметь срез параллельный или не параллельный срезу выхода канала 1, а последний в свою очередь может иметь срез выхода под различными углами к своей оси.

Углубления 3 (гофры) и/или пазы 2 могут быть направлены как вдоль так и под утлом к каналу 1.

В поперечном сечении канала 1 пазы 2 и/или углубления 3 распределены по периметру симметрично и/или равномерно. Длина пазов 2 и/или углублений 3 может быть равна длине продольного и/или поперечного канала или его части, а длина каждого из пазов 2 равна длине углубления 3 или его части. Канал 1 и пазы 2 могут быть выполнены с углом расширения, превышающим 35^o, причем углубления 3 могут выполняться профилированными, а их сопряжения между собой и каналом 1 - плавными.

Способ формирования струи и работа сопла-форсунки реализуется следующим образом.

Продольный поток рабочей среды пропускают через канал 1 под воздействием перепада давления между его входом и выходом и расширяют этот продольный поток за счет формирования периферийных поперечных потоков (не менее одного) через пазы 2 и окна 4 (при наличии последних) с последующим выпуском потоков под соответствующими углами друг к другу в окружающее пространство и образованием результирующей струи с заданными формой и размерами.

Так как пазы 2 пересекаются со срезом выхода канала 1, соответствующие периферийные потоки через пазы 2 примыкают непосредственно к этому срезу с одновременным получением безотрывного течения потоков через пазы 2 и канал 1 при обеспечении величины деления на их выходе и пристеночном слое равным или большим произведения величины составляющей 1% - 100% от значения критерия Соммерфильда, характеризующего безотрывное течение на величину давления в окружающем пространстве. В остальной части на выходе каждого потока давление может быть преимущественно ниже, чем в пристеночном слое, либо равным либо большим его.

Поток в критическом (минимальном) сечении канала 1 при этом имеет звуковую скорость. Аналогичное критическое сечение имеется в пазу 2, если он выполнен сужающерасширяющимся или в других формах, причем поперечный поток через паз 2 будет двигаться под воздействием соответствующего поперечного перепада давления, а поперечная скорость рабочей среды может быть дозвуковой, звуковой или сверхзвуковой, препятствуя отрыву потока от стенок канала 1 и пазов 2.

Путем подборе геометрии (формы) канала 1 и/или пазов 2, а также величин продольной и поперечной скоростей можно обеспечить формирование результирующей сплошной или полой струй любой формы; конической, расширяющейся, сферической, трубчатой и/или с односторонними одной или несколькими выпуклостями, установив сопло-форсунку на подвижном объекте можно создать струю любой формы с неограниченными размерами.

Достижение изложенного технического результата с помощью изобретения подтверждено экспериментально.

При пропускании продольного потока под воздействием перепада давления на входе и выходе сопла-форсунки 150/0,3 кгс/см², и давлении окружающей среды 1 кгс/см² и показателе процесса к = 1,25 максимальная скорость струи была увеличена на 25% (по сравнению с одномерным точением) при укороченной в два раза длине продольного канала и обеспечения безотрывного течения рабочей среды.

Источники информации: 1. Авторское свидетельство N 1442724, кл. F 15 D 1/00, 1988.

2. Авторское свидетельство N 977852, кл. F 15 C 1/04, 1982.

Формула изобретения

1. Способ формирования струи, при котором пропускают продольный поток рабочей среды через продольный канал под воздействием перепада давления между его входом и выходом и расширяют этот продольный поток за счет формирования по меньшей мере одного периферийного поперечного потока путем отвода части рабочей среды через по меньшей мере один радиальный или наклонный канал в виде отверстия в стенке продольного канала с последующим выпуском потоков под соответствующими углами друг к другу в окружающее пространство и образованием результирующей струи с заданными формой и размерами, отличающийся тем, что по меньшей мере один поперечный поток формируют непосредственно примыкающим к срезу выхода продольного канала за счет пересечения упомянутого отверстия этим срезом, с одновременным получением безотрывного течения указанных потоков при обеспечении величины давления на выходе в пристеночном слое в диапазоне, минимальная величина которого равна произведению величины, равной 1 100% от значения критерия Соммерфильда, на величину давления в окружающем пространстве, в котором образуется результирующая струя с заданными формой и размерами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на выходах в пристеночном слое продольного и/или поперечного потока обеспечивают величину давления преимущественно большей, либо равной, либо меньшей, чем в остальной части рабочей среды на выходе.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что осуществляют изменение параметров результирующей струи за счет изменения геометрии потоков и перепада давления между входом и выходом продольного и/или поперечного каналов.

4. Способ по одному из пп.1 3, отличающийся тем, что осуществляют изменение параметров результирующей струи путем частичного или полного перекрытия упомянутых отверстий.

5. Сопло-форсунка для формирования струи содержащее продольный канал для пропускания продольного потока рабочей среды, а также по меньшей мере один радиальный или наклонный канал в виде отверстия в стенке продольного канала для формирования по меньшей мере одного периферийного поперечного потока, отличающееся тем, что по меньшей мере одно отверстие в стенке выполнено от конца продольного канала, например, в виде паза, пересекающегося со срезом выхода продольного канала.

6. Сопло-форсунка по п.5, отличающееся тем, что стенки продольного канала выполнены с углублениями, например, гофрированными, причем пазы выполнены во впадинах и/или вершинах гофров, а последние направлены либо к оси продольного канала, либо в противоположном направлении.

7. Сопло-форсунка по п.5 или 6, отличающееся тем, что продольный канал в зависимости от скорости потока выполнен либо сужающимся, либо расширяющимся, либо трубообразным, либо в виде комбинации этих форм.

8. Сопло-форсунка по одному из пп.5 7, отличающееся тем, что каждый паз в зависимости от скорости потока выполнен либо сужающимся, либо расширяющимся, либо трубообразным, либо в виде комбинации этих форм.

9. Сопло-форсунка по одному из пп.5 8, отличающееся тем, что оно снабжено средствами частичного либо полного перекрытия по меньшей мере одного из пазов.

10. Сопло-форсунка по одному из пп.6 9, отличающееся тем, что пазы и/или углубления направлены вдоль продольного канала.

11. Сопло-форсунка по одному из пп.6 9, отличающееся тем, что пазы и/или углубления направлены под углом к продольному каналу.

12. Сопло-форсунка по одному из пп.6 11, отличающееся тем, что в поперечном сечении продольного и/или поперечного канала пазы и/или углубления распределены по периметру симметрично и/или равномерно.

13. Сопло-форсунка по одному из пп.6 12, отличающееся тем, что длина пазов и/или углублений равна длине продольного и/или поперечного канала или его части, а длина каждого из пазов равна длине углубления или его части.

14. Сопло-форсунка по одному из пп.6 13, отличающееся тем, что продольный и/или поперечный канал выполнен с углом расширения, превышающим 35^o.

15. Сопло-форсунка по одному из пп.6 14, отличающееся тем, что углубления выполнены профилированными, а их сопряжения плавными.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3