Однотональная сирена встречных волн

Авторы патента:

Свияженинов Евгений Дмитриевич (RU)

B06B1/20 - с использованием колебаний протекающей среды

Владельцы патента RU 2408439:

Институт проблем машиноведения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к сиренам, мощным акустическим излучателям, действие которых основано на периодическом прерывании потока газа или жидкости. Техническим результатом изобретения является обеспечение генерирования монохроматических гидроакустических колебаний, создающих высокие сдвиговые напряжения в жидкой или газообразной среде, технологическая простота изготовления, экономичность, надежность конструкции и ее эксплуатации. Сирена включает коаксиально установленные полые статор и вращающийся внутри него ротор, на которых выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные окна, привод для вращения ротора, средство для подачи жидкой или газообразной среды в ротор. При этом ротор на всем протяжении содержит одно и тоже число окон n, а статор состоит из произвольного числа продольных участков, выполненных с числом окон n-1 или n+1 для возбуждения акустических вращающихся волн в окружающем статор пространстве - прямой относительно направления вращения ротора или обратной, соответственно, и при числе участков статора, больше одного, все они последовательно чередуются для обеспечения встречного вращения волн на границах участков. 7 ил.

Изобретение относится к сиренам - самым мощным акустическим излучателям, действие которых основано на периодическом прерывании потока газа или жидкости. По принципу работы сирены делятся на динамические (вращающиеся) и пульсирующие. Наибольшее распространение получили динамические сирены, которые подразделяются на осевые и радиальные. В первом случае воздушный поток совпадает с осью вращения, во втором - направлен по радиусу перпендикулярно оси. Так, в аксиальных сиренах диск с отверстиями (ротор) вращается относительно неподвижного диска (статора), снабженного таким же числом отверстий. В радиальных сиренах ротор и статор представляют собой две коаксиальные поверхности, также традиционно имеющие одинаковую перфорацию. Ротор вращается электродвигателем, газовой турбиной или вручную. Под давлением через отверстия в роторе и статоре поступает воздух, периодически прерываясь. Частота пульсаций воздуха ν определяется числом отверстий в роторе или статоре n и частотой вращения ротора f:

ν=fn.

Частотный диапазон сирен, применяемых на практике, от 200-300 Гц до 80-100 кГц, но известны сирены, работающие на частотах до 600 кГц. Мощность сирен может достигать десятков кВт.

В настоящее время динамические сирены применяются не только и не столько для сигнализации (тревожной, оповестительной, т.д.). Эти функции все больше захватывают электронные разновидности сирен. Главная черта сирен, как акустических динамических модуляторов, - их наибольшая мощность из всех существующих акустических излучателей /Гладышев В.Н. Динамическая сирена. Теория, эксперимент, приложения. Новосибирск, 2000/. Отсюда их незаменимость для разнообразных крупнопроизводственных технологических целей: коагуляции мелкодисперсных аэрозолей (сажи в процессе производства, дымов и пыли на шахтах и рудниках в момент отладки), разрушения пены, осаждения туманов (например, серной кислоты в химической промышленности), ускорения процессов тепло и массообмена, создания дисперсных систем и других процессов /Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд., М., 1957; Кроуфорд А.Э. Ультразвуковая техника, пер. с англ., М., 1958; Карновский М.И. Теория и расчет сирен. ЖТФ, 1945, №6, с.348-364.; Веллер В.А., Степанов Б.И. Ультразвуковые сирены с приводом от электродвигателя. «Акустический журнал», 1963, т.9, №3/.

Для технологических целей диспергирования и гомогенизирования жидких и газообразных дисперсных систем традиционные сирены с одинаковой перфорацией ротора и статора весьма не оптимальны. Они генерируют стоячие волны в окружном направлении, из которых наиболее мощная, основная - осесимметричная, на которую накладываются малые многоузловые стоячие волны. Такое распределение звукового излучения обеспечивает значительные напряжения сжатия, тогда как для целей перемешивания и деструкции жидких и газообразных сред оптимальна реализация в них сдвиговых напряжений. Для создания высоких сдвиговых напряжений была предложена асимметричная сирена, генерирующая неосесимметричную вращающуюся волну, частота вращения которой многократно превышает частоту вращения ротора, а направление вращения ее может как совпадать, так и быть противоположным направлению вращения ротора, что дает возможность снимать с единого ротора встречные неосесимметричные вращающиеся волны /Свияженинов Е.Д. Гидроакустическая сирена. Патент на изобретение №2284229. Приоритет 28.04.04; Свияженинов Е.Д. Сирена встречных резонансных волн. Патент на изобретение №2344001. Приоритет 09.03.07/. В качестве прототипа принята сирена встречных волн, генерирующая две встречные неосесимметричные волны, частоты вращения которых многократно превышают частоту вращения ротора и могут составлять все существующие музыкальные консонантные интервалы /Свияженинов Е.Д. Сирена. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2007124206 от 28.08.08. Приоритет 27.06.07 - прототип/. На практике, вместе с тем, встречаются случаи, когда в технологической среде требуется создавать акустические вибрации строго определенной частоты, определяемой физико-химческими свойствами этой среды.

Задача настоящего изобретения - создание сирены, обеспечивающей генерирование монохроматических гидроакустических колебаний, создающих высокие сдвиговые напряжения в жидкой или газообразной среде, посредством встречных вращающихся волн, снимаемых с единого однородного по длине вращающегося вала ротора. Сопутствующим эффектом является технологическая простота, экономичность и надежность как конструкции сирены, так и ее эксплуатации.

Особенности прототипа.

Для технологической обработки жидких и газообразных сред оптимально создавать в них переменные сдвиговые напряжения.

Поставленная задача решалась за счет введения модернизированного ротора. Ротор сирены выполнен из двух последовательных продольных участков (секций), каждый из которых снабжен числом окон, отличным на единицу от числа окон статора для реализации двух бегущих вращающихся волн акустических колебаний в окружном направлении - прямой, попутной направлению вращения ротора, высокого тона, - в случае на единицу больше и обратной, встречной вращению ротора, низкого тона, - в случае на единицу меньше. Для получения требуемого консонантного интервала: октавы, квинты, кварты, большой и малой терции статор должен содержать соответственно нечетное число окон: 3, 5, 7, 9, 11 /Свияженинов Е.Д. Сирена. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2007124206 от 28.08.08. Приоритет 27.06.07/.

Таким образом, сирена генерирует две встречные вращающиеся волны акустических колебаний, снимаемые с двухсекционного ротора, частоты которых образуют точный консонантный музыкальный интервал и многократно превышают частоту вращения ротора. Сопутствующим эффектом является технологическая простота, экономичность и надежность устройства.

Сущность изобретения.

Однотональная сирена встречных волн (фиг.1-3) содержит коаксиально установленные полые статор 1 и вращающийся внутри него ротор 2, на которых выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия (окна), привод для вращения ротора 3 и средство для подачи жидкой или газообразной среды рабочей среды в ротор 4. Ротор сирены однороден по длине, т.е. на всем протяжении содержит одно и то же некоторое определенное число n окон, а статор сирены состоит из последовательных продольных участков (секций), выполненных с числом окон, отличным на единицу от числа окон ротора для реализации вращающейся волны колебаний - прямой (попутной) относительно направления вращения ротора в случае на единицу меньше и обратной (встречной) в случае на единицу больше, при этом число таких секций статора произвольно, и они последовательно чередуются для обеспечения встречного вращения волн на границах секций, при этом высота тона сирены определяется частотой вращения ротора по формуле:

f - частота вращения ротора,

n - число окон ротора.

В простейшем частном случае односекционного статора будет генерироваться одна вращающаяся волна - прямая, попутная вращению ротора, при n-1 окнах статора, и обратная, встречная вращению ротора, при n+1 окнах статора, частота вращения которой также определяется соотношением (1).

Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг.1-3 изображена схема однотональной сирены, генерирующей встречные вращающиеся волны определенного тона, на фиг.4 приведена схема возбуждения вращающихся волн, на фиг.5 - схема последовательного воздействия потоков жидкости или газа, истекающих из окон ротора, на окна статора, на фиг.6, 7 - номограммы конструктивных параметров сирены: частот генерируемых колебаний, частот вращения ротора и числа его окон.

Работа устройства.

Конструкция сирены предусматривает последовательное чередование следующих свойств ее поперечных сечений: в каждом сечении располагается некоторый участок статора 1, содержащий n-1 или n+1 окон, и участок ротора 2, всегда содержащий n окон.

При вращении ротора с угловой скоростью ω_p, на поверхности которого располагается n равномерно отстоящих друг от друга окон, каждое из n-1 или n+1 окон на смежной поверхности статора поочередно испытывает пульсацию радиального потока жидкости или газа (фиг.4). Направление пульсации в первом случае совпадает с направлением вращения ротора 2, во втором - противоположно. Иначе говоря, уменьшение числа окон статора на единицу по отношению к числу окон ротора дает прямую, или попутную волну пульсации, а увеличение на единицу - обратную, или встречную волну, относительно направления вращения ротора. В результате с двух соседних участков статора снимаются встречные вращающиеся в окружном направлении волны акустических колебаний. Вычислим частоты вращений этих волн.

Пусть в начальный момент одно из окон ротора и статора совпадают (фиг.5). Импульс давления со стороны истекающей из ротора жидкости передается в окно статора. При повороте ротора на угол (при прямой волне) или на (при обратной) пульсация давления произойдет на соседнем окне статора - по ходу вращения ротора или против. При повороте ротора на угол (n-1)δ=2π/n или на (n+1)δ=2π/n импульс давления ровно один раз обежит окружность в прямом или обратном направлении. Таким образом, угловая скорость вращения импульса давления составляет ω=nω_p - в прямом и ω=nω_p - в обратном направлении.

Окончательно частота вращения ротора связана с частотой генерируемых акустических колебаний и числом n окон ротора следующим образом:

ν=fn

- для прямой бегущей волны и

ν=fn

- для обратной бегущей волны.

Следовательно, частота вращающейся акустической волны в прямом и обратном направлениях строго одинакова и ровно в n раз превышает частоту вращения ротора.

Номограммы однотональной сирены встречных волн.

Для проведения проекторного анализа и расчета конструктивных параметров по вышеприведенным расчетным формулам построены номограммы однотональной сирены встречных волн (фиг.6, 7). По ним наиболее легко подбирать ее основные конструктивные параметры: частоты генерируемых гидроакустических колебаний ν, частоты вращения ротора f и числа его окон n.

Пояснения к номограммам: частоты вращения ротора f, об/сек, представлены на абсциссе, числа окон ротора n - на правой ординате, а частоты генерируемых гидроакустических колебаний ν, Гц - на левой ординате.

Например, задаемся требуемой частотой гидроакустических колебаний ν. Тогда по семейству прямых ν(f) подбираем комбинацию числа окон ротора n и частоту его вращения f. Из номограмм видно, что технические параметры асимметричных сирен легко реализуются. Так, в качестве привода вполне возможно использование самых распространенных низкооборотных асинхронных электродвигателей.

Пример расчета параметров сирены, гененерирующей единым однородным по длине ротором встречные волны.

Пусть требуется возбудить частоту гидроакустических колебаний рабочей среды ν=500 Гц.

Тогда по семейству прямых ν(f) (фиг.6, 7) или по формуле (1):

f=ν/n

- для сирены как на прямой, так и на обратной вращающейся волне, получаем возможные комбинации числа окон ротора n и частоту его вращения f:

Итак, с единого n-портового ротора сирены через перфорацию полого статора в окружающее пространство передается рабочая среда, возбуждая интенсивные встречные гидроакустические волны, частоты вращений которых строго одинаковы и ровно в n раз превышают частоту вращения самого ротора. Благодаря увеличению частоты вращения гидроакустической волны относительно частоты вращения ротора легко достигаются высокочастотные режимы гидроакустических колебаний при самых небольших оборотах ротора, одновременно для прямых и обратных волн.

Использованные источники

1. Гладышев В.Н. Динамическая сирена. Теория, эксперимент, приложения. Новосибирск, 2000.

2. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд., М., 1957.

3. Кроуфорд А.Э. Ультразвуковая техника, пер. с англ., М., 1958.

4. Карновский М.И. Теория и расчет сирен. ЖТФ, 1945, №6, с.348-364.

5. Веллер В.А., Степанов Б.И. Ультразвуковые сирены с приводом от электродвигателя. «Акустический журнал», 1963, т.9, №3.

6. Свияженинов Е.Д. Гидроакустическая сирена. Патент на изобретение №2284229. Приоритет 28.04.04.

7. Свияженинов Е.Д. Сирена встречных резонансных волн. Патент на изобретение №2344001. Приоритет 09.03.07.

8. Свияженинов Е.Д. Сирена. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2007124206 от 28.08.08. Приоритет 27.06.07 - прототип.

Однотональная сирена встречных волн, включающая коаксиально установленные полые статор и вращающийся внутри него ротор, на которых выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные окна, привод для вращения ротора, средство для подачи жидкой или газообразной среды в ротор, отличающаяся тем, что ротор на всем протяжении содержит одно и то же число окон n, а статор состоит из произвольного числа продольных участков, выполненных с числом окон n-1 или n+1 для возбуждения акустических вращающихся волн в окружающем статор пространстве - прямой, относительно направления вращения ротора или обратной соответственно, и при числе участков статора больше одного все они последовательно чередуются для обеспечения встречного вращения волн на границах участков, при этом частота вращения прямой и обратной волны и соответственно высота тона сирены v одинакова и в n раз превышает частоту вращения ротора:
ν=f·n,
где f - частота вращения ротора, которая может быть произвольной.

Изобретение относится к устройствам для создания акустических колебаний в проточной жидкости и может быть использовано для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов в системе «жидкость-жидкость».

Мультитональная гармоническая сирена встречных волн // 2395349

Изобретение относится к сиренам - самым мощным акустическим излучателям, действие которых основано на периодическом прерывании потока газа или жидкости. .

Комплекс для добычи нефти // 2377397

Изобретение относится к области интенсификации при добыче нефти. .

Аксиальная сирена // 2374007

Изобретение относится к гидроакустике и гидродинамике, а именно к средствам для создания встречных концентрических вихрей в проточной жидкой или газообразной среде, предназначено для выработки тепловой энергии (вихревой теплогенератор) или для производства всех видов дисперсных систем (диспергатор-гомогенизатор).

Сирена встречных резонансных волн, снимаемых с единого однородного по длине ротора // 2361683

Сирена встречных резонансных волн, снимаемых с единого однородного по длине ротора // 2358812

Изобретение относится к гидродинамике и гидроакустике, а именно к устройствам для создания мощных вихревых резонансных гидроакустических колебаний в проточной жидкой или газообразной среде, предназначено для выработки тепла в качестве вихревого теплогенератора или для создания всех видов дисперсных систем в качестве диспергатора-гомогенизатора и может быть использовано в энергетической, нефтегазовой, медицинской, фармацевтической, пищевой, химической, парфюмерно-косметической, металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности.

Пневмоакустический преобразователь // 2357807

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах контроля и управления для измерения технологических параметров газов в различных отраслях промышленности.

Генератор кавитационных процессов // 2354461

Изобретение относится к технике создания кавитационных процессов и может быть использовано в различных отраслях промышленности для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидравлических и тепло-массообменных процессов.

Сирена-диспергатор // 2351406

Изобретение относится к устройствам получения высококачественных дисперсных систем и может быть использовано в двигателестроении для приготовления топливно-воздушной смеси в автомобильных, судовых, авиационных и стационарных двигателях внутреннего сгорания, а также в медицинской, химической, фармацевтической, энергетической, металлургической и других отраслях промышленности.

Сирена встречных резонансных волн // 2344001

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 подачи продувочных газов и одновременной генерации ультразвуковых колебаний в жидкий металл // 2428633

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к устройствам для ввода ультразвуковых колебаний в жидкий металл, а также может быть использовано в тех областях промышленности, где возникает необходимость в применении регулируемых интенсивных ультразвуковых колебаний

Устройство для вибрационного хонингования // 2452605

Изобретение относится к резанию труднообрабатываемых металлов и может быть использовано при чистовой отделочной алмазно-абразивной обработке отверстий, например при хонинговании

Способ вибрационного хонингования // 2452606

Изобретение относится к резанию труднообрабатываемых металлов и может быть использовано при чистовой отделочной алмазно-абразивной обработке отверстий, например, при хонинговании

Акустическая прямоточная газовая горелка // 2469802

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к плавильным и нагревательным агрегатам, в которых образуется химический недожог топлива и имеет место значительная эмиссия оксидов азота

Способ и комбинированное устройство для генерирования колебаний давления в потоке жидкости // 2478438

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для повышения нефтеотдачи продуктивных пластов

Способ генерирования колебаний жидкостного потока и генератор колебаний для его осуществления // 2533525

Группа изобретений относится к гидродинамическим системам и может быть использована в областях промышленности, применяющих пульсирующий режим течения жидкости. В способ генерирования колебаний жидкостного потока жидкость из напорной магистрали (11) предварительно разделяют на два потока снаружи вихревой камеры (1), внутри нее их закручивают с помощью каналов с разными скоростями в противоположных направлениях и при этом разделяют с помощью перегородки (4) со сквозным каналом (5). Поток с большей скоростью закручивают с помощью каналов закрутки (2). Поток с меньшей скоростью закручивают с помощью каналов закрутки противоположной ориентации (3) и связывают через канал (9) с полостью с регулируемой упругостью (8), закрытой герметичной эластичной оболочкой 10 и установленной в трубе (7) вдоль ее длины. В результате упругого взаимодействия жидкость в канале (9) получает импульс, направленный в вихревую камеру (1), с помощью которого происходит резкое торможение закрученных потоков и импульсное увеличения расхода через выходное сопло (6). Изобретение направлено на повышение эффективности преобразования постоянного потока жидкости в пульсирующий поток за счет снижения гидравлических потерь и потребляемой гидравлической энергии. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ и устройство для генерирования волнового поля на забое нагнетательной скважины с постоянной частотой генерации при изменяющемся пластовом давлении // 2540746

Группа изобретений относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для повышения нефтеотдачи продуктивных пластов. Представлен способ генерирования волнового поля на забое нагнетающей скважины и настройки струйного резонатора Гельмгольца на поддержание постоянной частоты колебаний давления в потоке жидкости, нагнетаемой в пласт, при изменении пластового давления. Способ заключается в автоматическом регулировании площади проходного сечения выходного отверстия в соответствии с изменением пластового давления. Это необходимо для поддержания постоянной скорости струи на срезе сопла, определяющей частоту генерации, для обеспечения стабильно высокого коэффициента усиления. Новым является установка в выходном отверстии струйного резонатора Гельмгольца (СРГ) подвижного конического золотника с гидроприводом, обеспечивающим автоматическое перемещение золотника при изменении перепада давления на устройстве. Техническим результатом является повышение эффективности поддержания постоянной частоты тона отверстия. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ и устройство для генерирования волнового поля на забое нагнетательной скважины с автоматической настройкой резонансного режима генерации // 2544200

Группа изобретений относится к нефтедобывающей промышленности и предназначена для повышения нефтеотдачи продуктивных пластов. Способ генерирования волнового поля на забое нагнетательной скважины с автоматической настройкой резонансного режима генерации заключается в формировании колебаний давления в потоке жидкости, закачиваемой в продуктивный пласт по насосно-компрессорным трубам (НКТ), путем ее прокачивания через струйный резонатор Гельмгольца (СРГ). При этом поддерживают в соответствии скорость струи на срезе питающего сопла и объем СРГ. Причем поддерживают в соответствии скорость струи на срезе питающего сопла и объем СРГ за счет перемещения его заднего, в направлении по потоку, днища, обеспечивая увеличение объема СРГ при уменьшении скорости струи и уменьшение объема СРГ при увеличении скорости струи. Устройство для осуществления способа состоит из СРГ, установленного внутри НКТ, и представляет собой полую цилиндрическую камеру с плоскими днищами. В переднем днище камеры размещают сопло питания, а в заднем днище выполняют выходное отверстие с острыми кромками. При этом заднее днище выполнено подвижным, а внутри НКТ, за СРГ, установлен неподвижно гидроцилиндр с подпружиненным поршнем, соединенным штоком с подвижным задним днищем. Причем полость внутри гидроцилиндра перед поршнем, в направлении по потоку, соединена с внутренним объемом НКТ, а полость за поршнем сообщена с затрубным пространством. Техническим результатом является повышение эффективности поддержания стабильно высокой интенсивности волнового поля на забое. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ и устройство для генерирования волнового поля на забое нагнетательной скважины с автоматической настройкой постоянной частоты генерации // 2544201

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для повышения нефтеотдачи продуктивных пластов. Способ генерирования волнового поля на забое нагнетательной скважины с автоматической настройкой постоянной частоты генерации заключается в формировании колебаний давления в потоке жидкости, закачиваемой в продуктивный пласт по насосно-компрессорной трубе (НКТ) путем ее прокачивания через струйный резонатор Гельмгольца (СРГ). При этом поддерживают в соответствии скорость струи на срезе входного сопла и расстояние между входным соплом и втулкой с выходным отверстием. Причем поддерживают в соответствии скорость струи на срезе входного сопла и расстояние между входным соплом и втулкой с выходным отверстием за счет перемещения втулки с выходным отверстием, обеспечивая увеличение этого расстояния при увеличении скорости струи и уменьшение этого расстояния при уменьшении скорости струи. Устройство для осуществления способа состоит из СРГ, установленного внутри НКТ и представляющего собой полую цилиндрическую камеру с плоскими днищами, в переднем днище которой размещают входное сопло, а в заднем днище размещают втулку с выходным отверстием. Втулка с выходным отверстием выполнена подвижной, а внутри НКТ, за СРГ, установлен неподвижно гидроцилиндр с подпружиненным поршнем, соединенным штоком с подвижной втулкой с выходным отверстием. Причем полость внутри гидроцилиндра перед поршнем, в направлении по потоку, сообщена с затрубным пространством, а полость за поршнем соединена с внутренним объемом НКТ. Техническим результатом является повышение эффективности стабильной частоты генерации колебаний давления на забое скважины. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ генерирования колебаний жидкостного потока и генератор колебаний потока // 2560866

Группа изобретений относится к гидродинамическим системам. В способе генерирования колебаний жидкостного потока жидкость из магистрали (6) разделяют на потоки, подают в каналы закрутки (4) и (5) и закручивают в вихревой камере (2) в противоположных направлениях. При этом ближе к каналам (4) и (5) в плоскости сечений камеры (2) давление на оси вращения жидкости минимальное, а в зоне активного смешения противоположных закрученных потоков - максимальное. Закрученный поток из каналов (4), обладая высокой тангенциальной составляющей скорости, стравливается с минимальным расходом через выходное сопло (3). Давление в камере (2) резко возрастает и воздействует на перегородку (11). В результате упругого взаимодействия с объемом среды, заполнившей полость для упругости через перегородку (11), обратный импульс давления снижает интенсивность вращения противоположно закрученных потоков. Тангенциальная скорость падает, противоположно закрученные потоки останавливаются, и резко растет расход жидкости через сопло (3). Изобретение направлено на увеличение мощности генерирования колебаний за счет снижения гидравлических потерь и увеличения массы взаимодействующих потоков, а также снижение габаритов, упрощение конструкции и расширение условий применения. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.