Сирена встречных резонансных волн

Изобретение относится к акустике, в частности к устройствам для создания резонансных акустических колебаний в проточной жидкой или газообразной среде, и может быть использовано для производства всех видов высококачественных дисперсных систем. Устройство содержит коаксиально установленные цилиндрический статор в виде концентрического акустического резонатора и полый ротор, в смежных поверхностях которых выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные щелевые отверстия, привод для равномерного вращения ротора, средство для подачи жидкой или газообразной смеси в ротор и выходные патрубки для вывода продукта. Полый ротор сирены состоит из последовательных продольных участков, выполненных с числом отверстий, отличным на единицу от числа отверстий статора для реализации бегущей вращающейся резонансной волны колебаний в резонаторе - прямой, попутной направлению вращения ротора, - в случае на единицу больше и обратной, встречной вращению ротора, - в случае на единицу меньше. При этом число таких отрезков ротора произвольно, и они последовательно чередуются для обеспечения встречного вращения резонансных бегущих волн на смежных границах секций. Все выходные патрубки расположены по касательной к наружной поверхности статора в направлении соответствующих вращающихся волн и одинаково направлены в поперечном направлении. Таким образом, сирена генерирует встречные резонансные вращающиеся волны, снимаемые с единого ротора. Технический результат заключается в увеличении производительности диспергатора с одновременным повышением его эффективности, а также упрощении и надежности устройства. 11 ил.

 

Изобретение относится к акустике, а именно к устройствам для создания мощных резонансных акустических колебаний в проточной жидкой или газообразной среде, и может быть использовано в нефтегазовой, медицинской, химической, фармацевтической, парфюмерно-косметической, пищевой, энергетической, металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности для производства всех видов высококачественных дисперсных систем.

Сирены - практически единственные мощные источники акустических колебаний для жидких и газообразных сред, содержащие полые статор и ротор с рядом равномерно расположенных одинаковых отверстий на смежных поверхностях /Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Изд-во иностр. л-ры, 1957. 726 с./.

Идея объединения сирены как наиболее мощного источника акустических колебаний и явления резонанса как способа аккумуляции колебательной энергии реализована в диспергаторе, устройстве для производства высококачественных дисперсных систем, на вращающихся резонансных акустических волнах /Свияженинов Е.Д. Гидроакустическая сирена. Патент на изобретение №2284229. Приоритет 28.04.04/.

В этом устройстве, принятом за прототип, для согласования частот возмущения и собственных частот колебаний резонатора возбуждается не стоячая, а бегущая - вращающаяся волна, что достигается модификацией перфорации ротора сирены. Резонансный режим работы обеспечивает оптимальные условия подкачки механической энергии в колебательную систему для совершения работы, например размельчения и перемешивания сред. Наиболее актуально это для жидких и газообразных сред, не "боящихся" повышенных вибраций, давлений и усталостных разрушений. Вращающаяся резонансная волна идеально вписывается в техническое назначение устройства - перемешивание и измельчение дисперсных сред, т.к. устраняются застойные области и осуществляется проточное движение продукта. В прототипе введена сирена с новым типом перфорации, позволяющая создавать вращающуюся акустическую волну как совпадающую, так и противоположную направлению вращения ротора, способную возбуждать низкочастотные двухузловые (по окружной координате) формы собственных колебаний в круговой области. Резонансная сирена окружена концентрической резонансной камерой озвучивания, настроенной на частоту основного тона именно таких собственных форм акустических колебаний.

Задача настоящего изобретения - увеличение производительности диспергатора с одновременным повышением его эффективности.

Поставленная задача решается за счет введения удлиненного вала ротора сирены, состоящего из произвольного числа последовательно чередующихся двух типов секций, приводящих к генерации на одном вращающемся валу такого же числа встречных резонансных вращающихся волн. Сопутствующим эффектом является технологическая простота, экономичность и надежность устройства.

При этом на одном вращающемся валу возбуждаются бегущие вращающиеся резонансные волны в обрабатываемой среде, при движении в аксиальном направлении поочередно меняющие направления вращения, что создает встречное движение вращающихся слоев и повышает качество диспергирования продукта без всяких дополнительных технологических и энергетических затрат. Многосекционность вала увеличивает его длину и, соответственно, пропускную способность диспергатора.

Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг.1, 2, 3 изображена схема резонансной сирены, генерирующей встречные вращающиеся волны, снимаемые с единого ротора, на фиг.4 - собственные формы возбуждаемых резонансных колебаний, на фиг.5 - соответствующие им собственные частоты, на фиг.6, 7 - амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики вынужденных колебаний, на фиг.8 - схема возбуждения резонатора, на фиг.9 - схема воздействия потоков газа, истекающих из отверстий ротора, на отверстия статора, на фиг.10, 11 - номограммы конструктивных парамеров сирены: резонансных частот колебаний обрабатываемой дисперсной среды, частот вращения ротора, наружного и внутреннего радиусов статора и числа отверстий статора.

Резонансная сирена на вращающихся встречных волнах (фиг.1, 2, 3) содержит коаксиально установленные полый цилиндрические статор 1 в виде кругового концентрического акустического резонатора и вращающийся внутри него полый ротор 2. В смежных поверхностях статора и ротора выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия. Статор на всем продольном измерении однороден и имеет n отверстий. Ротор по длине состоит из произвольного числа чередующихся отрезков, содержащих n+1 (фиг.1, 2) и n-1 (фиг.1, 3) отверстий соответственно. Ротор равномерно вращается приводом 3 и содержит средство для подачи жидкой или газообразной смеси внутрь него под небольшим давлением 4. Возможно в этом качестве использование всего лишь крыльчатки ротора, подобно центробежным насосам. Выходные патрубки 5 расположены тангенциально на наружном радиусе статора и ориентированы в направлении бегущей волны, по ходу или против вращения ротора, фиг.2, 3 соответственно. Для удобства вывода продукта все они ориентированы в одном поперечном направлении. Следовательно, патрубки, расположенные в секциях прямой и обратной вращающихся волн, диаметрально противоположны (фиг.1, 2, 3). При практическом применении диспергатора для тяжелой, особенно жидкой дисперсной среды патрубки желательно направить вертикально вниз для стекания готового продукта в фильтратор с дальнейшей транспортировкой в емкости для хранения.

Главный смысл изобретения заключается в объединении радиальной сирены как наиболее мощного источника акустических колебаний и явления резонанса как способа аккумуляции колебательной энергии. Композиционно рационально окружить сирену кольцевым цилиндрическим резонатором. Однако традиционная сирена генерирует стоячие волны - осесимметричные колебания, и толщина резонатора, имеющего соответствующую собственную частоту, оказывается нереально большой. Для согласования частоты возмущения сирены и собственных частот колебаний резонатора следует возбуждать не осесимметричную стоячую, а двухузловую бегущую волну. Это наиболее функционально для перемешивания и измельчения частиц сред до получения требуемой дисперсной системы, т.к. устраняются застойные зоны обработки и осуществляется проточное движение продукта. Для возбуждения бегущей вращающейся волны предложен особый вид перфорации ее ротора. В результате в резонаторе легко возбуждается двухузловая в окружном направлении неосимметричная волна собственных колебаний, имеющая наинизшие собственные частоты. Эта волна - бегущая, в отличие от вырабатываемой традиционной сиреной стоячей волны. Более того, выбором перфорации ротора направление ее вращения легко может быть изменено на противоположное при одном и том же вращающемся роторе. Три главных результата получены из такого подхода. Первый: предложенная сирена даже без резонатора, сама по себе, может использоваться как индикатор кругового обзора на слабозатухающих низкочастотных волнах в акустике. Второй: новый тип перфорации открывает возможности использования резонанса с сиреной в качестве возбудителя. Третий: позволяет получать встречные резонансные бегущие волны на одном вращающемся валу ротора. Последнее особенно важно для перемешивания и измельчения жидких или газообразных сред.

Итак, колебания жидкой или газообразной смеси осуществляются в кольцевой цилиндрической полости - статоре. Осесимметричные собственные колебания жидкости (газа) в кольцевой полости (фиг.4, штриховая линия), возбуждаемые традиционными сиренами с одинаковой перфорацией ротора и статора, имеют неограниченно возрастающие с уменьшением толщины собственные частоты основного тона (фиг.5, штриховая линия, где ρ - отношение внутреннего радиуса концентрического акустического резонатора к наружному, 0<ρ<1, α=α(ρ) - корень соответствующего уравнения частот), 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 и увеличивать толщину резонатора для снижения частоты основного тона осесимметричных колебаний. 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.4, сплошная линия) имеет наинизшие собственные частоты колебаний из всех существующих (фиг.5, сплошная линия), что открывает путь к использованию резонанса в круговом концентрическом статоре небольшой толщины 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 достаточного мощных импульсов 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 следует из амплитудно-частотной характеристики для однопериодных по окружности колебаний (фиг.6). На фазочастотной характеристике (фиг.7) 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 большее (для создания прямой, или попутной, бегущей волны, совпадающей с направлением вращения ротора) или на единицу меньшее (для получения обратной, или встречной, волны, противоположной направлению вращения ротора), чем на статоре (фиг.8).

Работа устройства

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.8).

Пусть в начальный момент одна из щелей ротора и статора совпадают (фиг.9). Импульс 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=(n+1)ω_p - в прямом и ω=(n-1)ω_p - в обратном направлении.

Окончательно частота вращения ротора 2 (фиг.1, 2, 3) находится из условия достижения резонанса:

f=ν/(n+1)

- для сирены на прямой бегущей волне и

f=ν/(n-1)

- для сирены на обратной бегущей волне, где ν - собственная частота акустических колебаний резонатора, , n - число отверстий статора.

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.6) показывает, что наибольшее усиление колебаний обеспечивает первый (основной) резонанс. Для кольцевого цилиндрического резонатора 1 (фиг.1, 2, 3) внешнего радиуса R и отношением внутреннего радиуса к наружному ρ частота основного тона равна:

где с - скорость звука в жидкости (газе), заполняющем ротор, α=α(ρ) - первый (низший) 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.5, сплошная линия) для всех реальных конкретных отношений внутреннего радиуса концентрического резонатора к наружному 0<ρ<1. На фиг.5 первый нижний индекс i у функции α_ij(ρ) обозначает, что это - i-й по порядку возрастания корень уравнения (2), а второй нижний индекс k показывает число пар узлов возбуждаемой формы колебаний в тангенциальном направлении. Так, i=1 соответствует первому (низшему) корню уравнения, 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.4. Из фиг.5 видно, что при ρ=0 имеем частный случай сплошного резонатора, что отмечено верхними индексами (с) у соответствующих значений величин . Фиг.5 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.

Для проведения проектного анализа и расчета конструктивных параметров по вышеприведенным расчетным формулам построены номограммы резонансной сирены (фиг.10, 11). По ним наиболее легко подбирать ее основные конструктивные параметры: резонансные частоты колебаний обрабатываемой дисперсной среды, частоты вращения ротора, наружный и внутренний радиусы статора - резонансной камеры озвучивания и числа отверстий статора. Например, задаемся резонансной частотой колебаний ν и отношением внутреннего и внешнего радиусов резонатора ρ. Тогда по кривой ν(R) определяем соответствующий наружный радиус R, а по семейству прямых ν(f) подбираем комбинацию перфорации n и числа оборотов ротора f. 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 резонансной сирены, генерирующей встречные вращающиеся волны, снимаемые с единого ротора

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.10, 11 находим необходимый наружный радиус резонаторной камеры: R=58 см. По семейству прямых ν(f) или по формулам:

f=ν/(n+1)

- 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 60 70 80 90 100;

при использовании прямой бегущей волны:

f, об/c: 50 25 17 13 10 8 7 6 6 5;

при применении обратной бегущей волны:

f, об/c: 56 26 17 13 10 8 7 6 6 5.

Из представленной таблицы видно, что для реальных практически важных случаев достаточно большого числа отверстий статора частота вращения ротора, обеспечивающая резонансное возбуждение вращающейся волны как прямой, так и встречной, - одна и та же. Следовательно, с одного многосекционного ротора снимаются встречные вращающиеся волны, одновременно находящиеся в условии резонанса. Произвольное, теоретически неограниченно большое число чередующихся встречных резонансных вращающихся волн дает весьма простое надежное высокопроизводительное эффективное устройство для получения высококачественных дисперсных систем.

Использованная литература

1. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Изд-во иностр. л-ры, 1957. 726 с.

2. Свияженинов Е.Д. Гидроакустическая сирена. Патент на изобретение №2284229. Приоритет 28.04.04. (прототип).

3. 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.

Резонансная сирена встречных волн, включающая коаксиально установленные цилиндрический статор в виде концентрического акустического резонатора и полый ротор, в смежных поверхностях которых выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные щелевые отверстия, привод для равномерного вращения ротора, средство для подачи жидкой или газообразной смеси в ротор и выходные патрубки для вывода продукта, отличающаяся тем, что полый ротор сирены состоит из последовательных продольных участков, выполненных с числом отверстий, отличным на единицу от числа отверстий статора для реализации бегущей вращающейся резонансной волны колебаний в резонаторе - прямой (попутной), относительно направления вращения ротора, - в случае на единицу больше и обратной (встречной), - в случае на единицу меньше, при этом число таких отрезков ротора произвольно, и они последовательно чередуются для обеспечения встречного вращения резонансных бегущих волн на смежных границах секций, все выходные патрубки расположены по касательной к наружной поверхности статора в направлении соответствующих бегущих волн и одинаково направлены в поперечном направлении, при этом параметры устройства выбраны из выражений

f=ν/n,

где ν - частота создаваемых гидроакустических или акустических колебаний соответственно в жидкой или газообразной среде 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.