Генератор резонансных вращающихся акустических волн

Изобретение относится к акустике, а именно к устройствам для создания мощных резонансных акустических вращающихся волн в газообразной или жидкой проточной среде, и может быть использовано в качестве диспергатора-гомогенизатора во многих отраслях обрабатывающей промышленности. Генератор резонансных вращающихся акустических волн включает коаксиально установленные цилиндрические неподвижный статор и вращающийся внутри него ротор, на котором выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия, привод для равномерного вращения ротора, средство для подачи жидкой или газообразной среды в ротор и выходные патрубки для вывода рабочей среды из статора. Для создания напора рабочей среды в роторе используется крыльчатка или внешний нагнетатель. Сам ротор может быть как снабжен центральным валом, так и не иметь его. Режим работы устройства - стационарный, обеспечивающийся равномерным вращением привода, при котором происходит резонансная накачка и аккумуляция механической энергии благодаря синфазности колебательных скоростей и давлений в рабочей среде. Кольцевая область между наружной поверхностью статора и внутренней поверхностью ротора конструктивно образует резонансную камеру, в которой генерируются вращающиеся акустические волны и происходит вибрационная обработка рабочей среды. Технический результат - одновременное возбуждение мощных резонансных вращающихся волн всего основного спектра, увеличение выходной мощности, упрощение конструкции и повышение надежности. 2 з.п. ф-лы, 28 ил.

 

Изобретение относится к акустике, а именно, к устройствам для создания мощных резонансных акустических вращающихся волн в газообразной или жидкой проточной среде, и может быть использовано в газовой, нефтяной, химической, энергетической, металлургической, фармацевтической, пищевой, нанотехнологической, строительной, других отраслях промышленности для производства высококачественных гомогенных дисперсных систем, а также в двигателестроении для резонансного образования топливно-воздушной смеси (ТВС) в автомобильных, судовых, авиационных и стационарных двигателях внутреннего сгорания (ДВС).

Под диспергированием понимают процесс измельчения жидких, твердых и газообразных веществ (дисперсная фаза) в газе или жидкости (дисперсная среда) с целью образования новой многофазной структуры (дисперсная система). Гомогенизация предназначена для дальнейшей обработки дисперсных систем, до получения размера дисперсной фазы, не превышающей 1-2 мкм. Так, гомогенизации подвергают молоко, сливки, другие продукты пищевой промышленности, а также фармацевтической и многих других.

Наложение акустической вибрации на процесс диспергации и гомогенизации существенно улучшает их качество. Так, ТВС для ДВС, приготовленная вибрацией, оказывается насыщенной кислородом на молекулярном уровне. Решающее значение несет вибрация при производстве строительных материалов. При производстве медицинских препаратов срок их годности увеличивается на порядок при одновременном повышении эффективности действия.

В производстве нано- и ультрадисперсных неорганических порошков из водных и неводных растворов в настоящее время широко распространены так называемые жидко-химические методы: "wet chemical methods". Этот термин укоренился в нанотехнологии, чтобы подчеркнуть разницу этого класса техники от обычных твердотельных методов синтеза соединений и материалов из-за его основной особенности: использование жидкой среды на одном из этапов процесса. Продукты жидко-химических методов существенно отличаются от аналогичных продуктов твердого синтеза меньшими размерами зерен или кристаллитов и, как правило, более низкой температурой и более короткой продолжительностью фазового образования многокомпонентных соединений. Существует множество процессов с использованием жидкой среды, например, жидкий фазовый золь-гель, гидротермальный синтез, метод Печини, распылительная сушка, пиролиз аэрозольного баллона, криохимический синтез и другие.

Итак, вибрационные технологии традиционно играют все более важную роль в обрабатывающей промышленности. Особенно эффективно использование вибрации в резонансных режимах. При резонансе создаются оптимальные условия для накачки энергии внешнего источника в механическую колебательную систему с распределенными параметрами, поскольку колебательные скорости и давления в рабочей среде становятся синфазными. Резонансные режимы наиболее благоприятны для гидроакустических систем, поскольку их рабочие среды - сжимаемые газы или жидкости,- технологичны к воздействиям длительных интенсивных нагрузок, в отличие от деформируемых твердых тел, подверженных разрушениям. Следовательно, резонансные диспергаторы и гомогенизаторы - это именно те устройства, которые должны широко использоваться в современных технологиях обработки жидких и газообразных сред.

Непрерывный стационарный режим работы устройства по механическим и экономическим критериям наиболее выгоден. В условиях загрязненных и агрессивных рабочих сред особенно эффективно он реализуется равномерным вращательным движением. Поэтому использование резонансных вращающихся волн имеет первостепенное значение.

Известен генератор резонансных волн, включающий коаксиально установленные цилиндрические неподвижный статор и вращающийся внутри него ротор, на котором выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия (окна), привод для равномерного вращения ротора, средство для подачи жидкой или газообразной среды в ротор и выходные патрубки для вывода рабочей среды из статора, принятый за прототип /Свияженинов Е.Д. Сирена встречных резонансных волн, снимаемых с единого однородного по длине ротора. Патент на изобретение № 2361683. Приоритет 23.01.2008/. В основу функционирования заложен резонансный режим обработки среды, обеспечивающий оптимальные условия подкачки колебательной энергии. В проточной среде непрерывно создаются резонансные вращающиеся волны вращением электродвигателя. Резонаторная камера выполнена заодно со статором, внутренняя стенка которой образует определенную мультипликаторную решетку, через которую проходит рабочая обрабатываемая среда. Этим достигается эффект мультипликации, или умножения, частоты возбуждения, в результате чего частота вынуждающей нагрузки многократно превышает частоту вращения ротора устройства. Помимо кратного повышения частоты обработки, необходимого для достижения резонанса, мультипликаторная решетка позволяет также получение встречных резонансных вращающихся волн, при одном и том же направлении вращения ротора.

Особенностью прототипа является весьма широкополосная полигармоничность резонансной волны, т.е. одновременное возбуждение очень широкого спектра угловых и временных гармоник, обусловленное эффектом мультипликации частоты вращения ротора посредством упомянутой решетки статора прототипа. Вместе с тем современный уровень развития техники позволяет использование высокооборотных двигателей.

Задача настоящего изобретения - создание резонансной волны в резонаторе, содержащей минимальное число основных (низших) угловых и временных гармоник, ведущее к повышению выходной мощности устройства. Поставленная задача решается тем, что резонансная акустическая камера образована непосредственно кольцевой областью между ротором и статором. Сопутствующим эффектом является значительное упрощение конструкции устройства. Устройство очень простое и поэтому надежное, но по-прежнему требущее тщательный расчет спецификации.

Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг. 1-3 изображены схемы генератора резонансных вращающихся акустических волн, на фиг. 4-7 - собственные частоты колебаний резонансной камеры, на фиг. 8 - возбуждаемые собственные формы акустических колебаний, они же - вращающиеся резонансные волны преимущественно тангенциальных колебаний, на фиг. 9-12 - угловые скорости вращений резонансных волн как функции отношения внутреннего радиуса кольцевой камеры к наружному, на фиг. 13-28 - угловые гармоники вращающегося акустического возбуждения для различных чисел окон ротора.

Конструкция и функционирование генератора резонансных вращающихся акустических волн

Генератор резонансных вращающихся акустических волн (фиг. 1-3) содержит коаксиально установленные цилиндрические полые неподвижный статор 1 и вращающийся внутри него ротор 2. Кольцевая область между статором 1 и ротором 2 образует резонансную камеру, в которой генерируются вращающиеся акустические волны. Для этого на поверхности ротора 2 выполнены равномерно расположенные по окружности продольные сквозные отверстия - окна, или порты. Таким образом, ротор 2 на всем продольном измерении однороден и имеет k окон, где k = 1, 2, 3, … - натуральное число. Ротор равномерно вращается приводом 3 и содержит средство для подачи внутрь него газообразной или жидкой рабочей среды 4. Для создания напора рабочей среды в роторе используется крыльчатка (фиг. 1, 2) и (или) внешний нагнетатель (фиг. 3). Сам ротор может быть как снабжен центральным валом (фиг. 1), так и не иметь его (фиг. 2, 3). Выходные патрубки 5, число которых произвольно, расположены на торцевой поверхности статора противоположно входу рабочей среды в устройство.

Устройство функционирует следующим образом. Используется непрерывный стационарный режим работы. При вращении ротора его крыльчатка и (или) внешний нагнетатель обеспечивают подачу рабочей среды во внутреннюю полость ротора аксиально, т.е. в направлении его оси вращения. Далее через окна ротора рабочая среда под давлением в радиальном направлении поступает в резонансную кольцевую камеру - концентрическую область между наружной поверхностью вращающегося ротора и внутренней поверхностью статора, создавая тем самым вращающуюся акустическую нагрузку в виде k лучей, или «спиц», соответствующих окнам ротора. Для всех чисел окон ротора k, больше одного, k = 2, 3, 4, …, реактивная нагрузка на вращающийся ротор со стороны исходящей из него рабочей среды - самоуравновешенная, и только одно окно ротора, k = 1, создает ненулевой вращающийся главный вектор, действующий на ротор при истечении из него газообразной или жидкой рабочей среды, что нежелательно по критериям динамической прочности ротора. Вращающаяся с ротором акустическая нагрузка возбуждает резонансные колебания кольцевой камеры при совпадении частоты вращения нагрузки с частотами вращений резонансных волн. При резонансе создаются оптимальные условия подкачки энергии внешнего источника (привода) в механическую колебательную систему с распределенными параметрами благодаря тому, что колебательные скорости и давления в рабочей среде становятся синфазными. Условия возникновения резонанса - совпадение частоты внешней нагрузки с собственной частотой колебаний системы, или, что для данного устройства то же самое, совпадение частоты вращения акустической нагрузки с частотами вращений собственных волн, - должны быть строго выполнены. Поэтому для конструктивного расчета генератора резонансных вращающихся акустических волн необходим предварительный анализ спектральных характеристик резонансной камеры.

Собственные частоты и формы акустических колебаний кольцевого резонатора

Итак, рабочей средой является газ или жидкость, совершающая проточное движение в кольцевой области, образованной наружной поверхностью ротора 2 и внутренней поверхностью статора 1 радиуса R (фиг. 1-3). Сжимаемый газ или жидкость в ограниченной области, как и всякая инерционно-упругая система с распределенными параметрами, обладает дискретным спектром собственных частот и форм колебаний /Свияженинов Е.Д. Спектральные методы решения задач о колебаниях диссипативных механических систем с распределенными параметрами. СПб.: Изд-во ИПМаш РАН, 1993/. Для их определения решается задача о свободных колебаниях рабочей среды в круговой концентрической области. Приведем результаты ее решения.

Для универсальности дальнейшего анализа и использования результатов вводятся относительные безразмерные независимая и зависимая переменные. Безразмерным аргументом является отношение внутреннего радиуса кольцевой области к наружному ρ, 0 < ρ < 1, а искомой функцией - безразмерный комплекс ω R/c , содержащий собственную частоту колебаний ω, куда множителями входят также R - наружный радиус кольцевой области и c - скорость звука газообразной или жидкой среды, ее заполняющей. Введение относительной безразмерной частоты ω R/c унифицирует решение для любых радиусов круговых концентрических областей и находящихся в них рабочих сред путем сокращения числа размерных переменных и придает построенным картам собственных частот универсальный характер.

В теории подобия, являющейся основой моделирования, безразмерные величины ρ и ω R/c называются критериями подобия, а именно: ρ - геометрический критерий подобия и ω R/c - физический критерий подобия гомохронности, известный как число Струхаля /Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1987/. Равенство всех однотипных критериев подобия для любых систем, подчиняющихся какому-либо определенному физическому явлению - необходимое и достаточное условие физического подобия этих систем. Именно это и обуславливает универсальность номограмм собственных частот колебаний.

Карты безразмерных собственных частот колебаний

Дискретный спектр безразмерных собственных частот акустических колебаний ω R/c, как функция отношения внутреннего радиуса области к наружному ρ, 0 < ρ < 1, определяется соотношениями:

ω R/c = α(ρ), (1)

где

α(ρ) - i-й корень трансцендентного уравнения:

, (2)

J(αρ), N(αρ) - производные соответственно функций Бесселя и Неймана k-го порядка.

У функций ω(ρ), α(ρ) первый индекс i означает порядковый номер по возрастанию корня уравнения (2) при заданном значении k, тогда как второй индекс k - это число узловых диаметров собственной формы колебаний, соответствующей собственной частоте ω. Указанные индексы принимают значения: i = 1, 2, 3, …; k = 0, 1, 2, 3, …, где k = 0 отвечает осесимметричной, или безузловой по окружности собственной форме колебаний, а k = 1, 2, 3, …- неосесимметричным, имеющим узловые диаметры, собственным формам.

Все собственные частоты представлены на фиг. 4-7, а низшие, i = 1, неосесимметричные с последовательно возрастающим числом узловых диаметров, k = 1, 2, 3, … , преимущественно тангенциальные собственные формы колебаний, возбуждаемые устройством, для ρ = .7, - на фиг. 8.

Всеобъемлющее представление о спектре собственных частот колебаний концентрической области произвольной толщины 0 < ρ < 1, вплоть до высокочастотных, дает полная карта собственных частот (фиг. 4). Из нее видно, что различаются два класса собственных колебаний - преимущественно тангенциальные и преимущественно радиальные, по преобладанию величин тангенциальных либо радиальных компонент векторов колебательных скоростей.

Первый класс образован регулярными слабо убывающими с ростом ρ почти горизонтальными кривыми, при ρ→1 образующими строго гармоническую последовательность по собственным частотам: 1, 2, 3, …, k, …, где k - натуральное число. Это - преимущественно тангенциальные колебания без узловых окружностей, с последовательно возрастающим числом k узловых диаметров.

Второй класс образован преимущественно радиальными колебаниями. На полной карте собственных частот (фиг. 4) он образует серии «спадающих кустовых семейств», каждое из которых справа ограничено асимптотическими кривыми. Каждая из этих асимптот отвечает осесимметричным колебаниям. Крайняя правая асимптота - колебания без узловых окружностей, следующая левее - с одной узловой окружностью и так далее с добавлением еще ровно одной узловой окружности при смещении по карте влево.

Для анализа состава семейств преимущественно радиальных колебаний необходимо обратиться к более крупномасштабной среднечастотной карте собственных частот (фиг. 5). Из нее видно, как слева от каждой асимптоты семейства к ней последовательно примыкают частотные кривые, отличающиеся последовательным добавлением очередного узлового диаметра в соответствующей собственной форме акустических колебаний.

И, наконец, наибольшее практическое значение для решения исследуемой проблемы имеет низкочастотная карта собственных частот колебаний (фиг. 6).

Именно она показывает, что с увеличением угловой скорости ω вращающейся акустической нагрузки это возмущение в первую очередь возбуждает именно низкочастотные преимущественно тангенциальные собственные формы колебаний, располагающиеся на карте частот в нижней правой области, отвечающей реальным относительным размерам ρ кольцевой области. При этом выполняется точное равенство для безразмерных собственных частот колебаний сжимаемого газа в резонансной камере при ρ→1: ω R/c = k, где i = 1; k - натуральное число, имеющее физический смысл числа узловых диаметров собственной формы преимущественно тангенциальных колебаний (фиг. 8). Сами же собственные частоты ω, отнесенные к частоте основного тона ω, то есть ω, образуют строгую натуральную последовательность при достаточно больших значениях ρ (фиг. 7). Так, из фиг. 7 видно, что при 0.7 < ρ < 1 эта натуральная последовательность выполняется для восьми низших собственных частот.

Подводя итог обсуждению карт собственных частот (фиг. 4-7) и эпюр собственных форм (фиг. 8) акустических колебаний кольцевых резонансных камер, резюмируем, что в области больших значений ρ, отвечающих реальным размерам камер, располагаются низкочастотные преимущественно тангенциальные колебания только с узловыми диаметрами, тогда как в областях малых ρ появляются и высокочастотные преимущественно радиальные акустические колебания с узловыми окружностями. Именно первые и служат для генерирования вращающихся акустических волн в предлагаемом устройстве.

Особенности круговой геометрической формы резонаторной камеры

Каждая неосесимметричная собственная форма колебаний A(r) coskθ, k = 1, 2, 3, … (фиг. 8) является решением уравнения свободных акустических колебаний и интерпретируется стоячей волной:

A(r) coskθ cos ωt, (3)

где r - радиальная, θ - угловая координаты, t - время, k - число узловых диаметров, ω - соответствующая собственная частота колебаний. Особенностью круговой геометрической формы резонаторной камеры является то, что все собственные частоты являются двукратно вырожденными, т.е. каждой собственной частоте колебаний ω, в дополнение к (3), отвечает еще одна неосесимметричная собственная форма колебаний A(r) sinkθ, также интерпретируемая стоячей волной:

A(r) sinkθ sin ωt. (4)

Стоячие волны характеризуются тем, что их узловые диаметры неподвижны, что и видно из (3, 4). Но поскольку исходное уравнение свободных акустических колебаний линейно, сумма и разность его решений в виде стоячих волн (3, 4) также являются его решениями. Этими решениями соответственно будут:

A(r) (coskθ cosωt + sinkθ sinωt) = A(r) cos(kθ - ωt) = A(r) cosk(θ - ω/k t),

A(r) (coskθ cosωt - sinkθ sinωt) = A(r) cos(kθ + ωt) = A(r) cosk(θ + ω/k t).

Полученные выражения интерпретируются уже вращающимися волнами, являющимися частным случаем бегущих волн для тел с циклической симметрией. Они характеризуются тем, что их узловые диаметры, как и сами собственные формы (пространственные амплитуды колебательных смещений, скоростей, давлений, т.д.), вращаются с собственной угловой скоростью ω/k, причем во встречных направлениях. Первое выражение описывает вращение собственной волны в направлении возрастания угла θ, тогда как второе - в противоположном. Приходим к понятию вращающейся резонансной волны, возбуждаемой внешней вращающейся нагрузкой, угловая скорость которой ω приближается к собственной угловой скорости ω/k. Направление вращения вынужденной волны задается направлением вращения ω внешней нагрузки.

Карты безразмерных резонансных угловых скоростей

Итак, круговая форма геометрической области, занимаемой акустическим резонатором, обеспечивает двойную кратность ее собственных частот, т.е. каждой собственной частоте колебаний ω отвечают две собственные формы колебаний, сдвинутые по угловой координате на π/2/k. Суперпозиция их дает вращающуюся собственную форму колебаний с собственной угловой скоростью вращения ω/k, которая и возбуждается внешней нагрузкой, вращающейся с такой же угловой скоростью ω на резонансном режиме работы устройства.

Поэтому первостепенное практическое значение имеют карты безразмерных резонансных угловых скоростей ω/k R/c как функции ρ, 0 < ρ < 1 (фиг. 9-12). Полная карта резонансных угловых скоростей (фиг. 9) показывает, что

1. выполняется точное равенство для всех безразмерных преимущественно тангенциальных угловых скоростей вращающихся волн в резонансной камере при ρ1: ω/k R/c = 1, где i = 1; k - натуральное число, имеющее физический смысл числа узловых диаметров собственной формы преимущественно тангенциальных колебаний (фиг. 8).

2. все преимущественно тангенциальные скорости ω/k R/c, i = 1; k = 1, 2, 3, … для всех значений ρ, 0 < ρ < 1 собираются в самоизолирующуюся единую низкочастотную ветвь, на которой и осуществляется работа устройства, тогда как преимущественно радиальные весьма плотно заполняют всю высокочастотную область.

Для точной настройки устройства на семейство преимущественно тангенциальных резонансных волн необходимо обратиться к более крупномасштабной среднечастотной карте (фиг. 10). Из нее видно, что низкочастотная ветвь преимущественно тангенциальных угловых скоростей вращающихся волн ω/k R/c, i = 1; k = 1, 2, 3, … при малых значениях ρ расщепляется на плотный пучок близлежащих кривых для разных чисел узловых диаметров k, плотность которого возрастает с ростом ρ, сливаясь в единую линию при увеличении ρ. При этом кривая ω/k R/c при k = 1 ограничивает сверху семейство преимущественно тангенциальных вращающихся резонансных волн, которые последовательно примыкают к ней, уменьшаясь с дальнейшим ростом k, т.е. с последовательным добавлением очередного узлового диаметра в соответствующей собственной форме вращающейся волны.

И, наконец, детальное представление исследуемой проблемы дают низкочастотные карты вращающихся резонансных волн (фиг. 11, 12). Они показывают, что чем тоньше толщина кольцевой резонаторной камеры, тем выше плотность собственных угловых скоростей ω/k R/c и тем большее их число попадает в околорезонансную область при возбуждении камеры внешней вращающейся акустической волной с угловой скоростью, равной ω/k R/c. Все собственные угловые скорости образуют пучок лучей, исходящих из точки на карте с координатами: ρ=1, ω/k R/c = 1 в направлении уменьшения абсциссы ρ. С уменьшением k скорости ω/k R/c возрастают. Для k = 8, 7, ,1 представлен пучок лучей, сходящийся в области тонких толщин резонаторной камеры (фиг. 12). Отметим, что случай k = 1, достигаемый при одном окне на роторе, нерационален для практического использования из-за неуравновешенности нагрузки, действующей на ротор. Все остальные случаи k = 8, 7, ,2 дают самоуравновешенную нагрузку на ротор. Главный вывод из анализа резонансных вращающихся волн заключается в том, что абсолютно все угловые скорости для преимущественно тангенциальных волн ω/k R/c, i = 1; k = 1, 2, 3, … попадают в околорезонансную область с единым центром резонанса ω/k R/c = 1. Следовательно, существует единственная частота вращения ротора, являющаяся характеристикой геометрических и физических параметров устройства, вызывающая одновременный резонанс всех преимущественно тангенциальных собственных вращающихся волн.

Определение частоты вращения ротора для возбуждения резонансных вращающихся акустических волн в камере озвучивания

Применительно к определению требуемой частоты вращения ротора следует определить угловую скорость вращения внешней нагрузки ω, которая будет приближаться к какой-либо собственной угловой скорости вращения акустической волны ω/k, создавая тем самым резонансную вращающуюся волну на ω собственной частоте колебаний:

ω = ω/k, k = 1, 2, 3, …,

откуда, с учетом (1), имеем:

(5)

или, для частоты вращения ротора f = ω/(2π)

. (6)

На этой частоте вращения ротора абсолютно все преимущественно тангенциальные вращающиеся собственные волны попадают в околорезонансную область.

Особенности вращающейся волны в резонансном режиме

На резонансную кольцевую акустическую камеру, образованную наружной поверхностью вращающегося с угловой скоростью ω (5) ротора и внутренней поверхностью статора, действует вращающаяся нагрузка избыточного давления P(θ - ωt), амплитуда которой в общем случае представляет собой набор равномерно распределенных по угловой координате k «спиц», где k - число окон ротора (фиг. 13-28). Разложение этой нагрузки в ряд Фурье по угловой координате имеет вид:

P(θ - ωt) = a + a cos(θ - ωt) + a cos2(θ - ωt) + …+ a cosl(θ - ωt) + …, (6)

где a - постоянные коэффициенты, образующие убывающую последовательность, из которых только имеющие индексы l = 0, k, 2k, 3k, … отличны от нуля. Следовательно, гармонический состав вращающейся акустической нагрузки образуют вращающиеся с угловой скоростью вращения ротора ω косинусоидальные волны лишь с последовательностью узловых диаметров nk, где n = 0, 1. 2, 3 … - целые числа (фиг. 13-28). Поскольку все гармоники этого разложения как функции угловой координаты являются косинусоидами, имеющими nk узловых диаметров, при вращении их всех с одинаковой угловой скоростью ротора ω частота колебаний на волне каждой из них увеличивается пропорционально nk и составляет nkω. Абсолютно все они, как показано выше, попадают в околорезонансную частотную область.

Амплитуды вращающихся волн a убывают с ростом l достаточно быстро: только три, n = 0, 1. 2, угловые гармоники 0, k, 2k вносят существенный вклад в разложении (6) (фиг. 13-28). Установлено, что максимально быстрая сходимость достигается при ширине окон ротора, равной расстоянию между ними.

При приближении угловой скорости вращения ротора ω к k-ой резонансной угловой скорости вращающейся волны ω/k, k = 1, 2, 3, …, с k узловыми диаметрами, кроме основного резонанса с частотой ω одновременно будут «автоматически» возбуждаться и резонансы по собственным частотам ω, которые кратны основной собственной частоте: ω = ω n. В силу большего числа узлов частота возбуждаемых колебаний в их волне будет соответственно nω. Существенную роль на резонансе играет диссипация механической энергии, которая растет с частотой колебаний /Свияженинов Е.Д. Спектральные методы решения задач о колебаниях диссипативных механических систем с распределенными параметрами. СПб.: Изд-во ИПМаш РАН, 1993/. Влияние внутреннего трения значительно подавляет эти многоузловые резонансные вращающиеся волны, в тем большей степени, чем выше число n.

Итак, при вращении ротора с угловой скоростью ω, равной k-ой резонансной угловой скорости вращающейся волны: , одновременно будут возбуждаться несколько резонансных вращающихся волн, основная из которых, с наибольшей амплитудой, имеет k узловых диаметров и частоту колебаний ω, и ультрагармоники быстро уменьшающихся амплитуд с kn узловыми диаметрами и частотами колебаний ω соответственно, прогрессивно подавляемые внутренним трением рабочей среды.

Примеры расчета конструктивных параметров устройства

Пусть рабочей дисперсной средой является воздух, c = 343 м/с, наружный радиус камеры озвучивания R= 2 м, отношение внутреннего радиуса камеры к наружному ρ = .7. Тогда требуемая частота вращения ротора f для чисел окон ротора k от 8 до 1 должна составлять (6):

= 27 об/c = 1620 об/мин

При применении в качестве рабочей дисперсной среды воды c = 1497 м/с

= 119 об/c = 7140 об/мин

Для оливкового масла c = 1381 м/с,

= 110 об/c = 6600 об/мин

Для нефти c = 1330 м/с,

= 106 об/c = 6360 об/мин

Использованная литература

1. Свияженинов Е.Д. Сирена встречных резонансных волн, снимаемых с единого однородного по длине ротора. Патент на изобретение № 2361683. Приоритет 23.01.2008. (прототип).

2. Свияженинов Е.Д. Спектральные методы решения задач о колебаниях диссипативных механических систем с распределенными параметрами. СПб.: Изд-во ИПМаш РАН, 1993. - 65 с.

3. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1987 - 432 с.

1. Генератор резонансных вращающихся акустических волн, включающий коаксиально установленные полые неподвижный статор и вращающийся внутри него ротор, на котором выполнены равномерно расположенные по окружности окна, привод для вращения ротора, средство для подачи газообразной или жидкой рабочей среды в ротор и выходные патрубки для вывода рабочей среды из статора, отличающийся тем, что акустическая резонаторная камера образована кольцевой областью между наружной поверхностью ротора и внутренней поверхностью статора, при этом частота вращения ротора f должна достигать ,

где

k= 1, 2, 3, … - натуральное число, количество окон ротора;

R - внешний радиус кольцевого резонатора;

c - скорость звука в рабочей среде, поступающей в резонатор;

α1k(ρ) - первый корень трансцендентного уравнения:

,

где - производные соответственно функций Бесселя и Неймана k-го порядка;

ρ - отношение внутреннего радиуса кольцевого резонатора к наружному R.

2. Генератор резонансных вращающихся акустических волн по п. 1, отличающийся тем, что средство для подачи рабочей среды в ротор включает крыльчатку ротора, снабженного центральным валом.

3. Генератор резонансных вращающихся акустических волн по п. 1, отличающийся тем, что средство для подачи рабочей среды в ротор включает крыльчатку ротора, не имеющего центрального вала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для генерации колебаний в проточной жидкой среде и может быть использовано в химической, нефтяной, машиностроительной, пищевой отраслях промышленности, сельском хозяйстве для приготовления водо-топливных эмульсий, кормов высокого качества и хорошей усвояемости и обеззараживания различных отходов, а также для приготовления продуктов питания в экстремальных условиях.Роторный, кавитационный генератор-диспергатор содержит неподвижный корпус, имеющий рабочую полость, входной и выходной патрубки.

Группа изобретений относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для очистки от твердых отложений стенок обсадных труб и отверстий перфорации, декольматации призабойной зоны пласта (ПЗП) и увеличения подвижности пластовых флюидов.

Группа изобретений относится к нефтедобывающей промышленности и предназначена для очистки от твердых отложений стенок обсадных труб и отверстий перфорации, декольматации призабойной зоны пласта (ПЗП) и увеличения подвижности пластовых флюидов.

Группа изобретений относится к гидродинамическим системам и может быть использована в областях промышленности, применяющих пульсирующий режим течения жидкости. В способе генерирования колебаний жидкостного потока жидкость из напорной магистрали 3 с помощью тангенциальных каналов 2 направляют в камеру закручивания 1.

Изобретение относится к пищевой промышленности. Предложено устройство для ультразвуковой обработки жидкости и/или суспензий, содержащее корпус, выполненный в виде конусной воронки с гладкими стенками, в верхней части которого тангенциально по касательной к окружности верхнего сечения встроен входной патрубок, в нижней части корпус переходит в цилиндр.

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.

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).

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).

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.

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).

Изобретение относится к устройству для ультразвуковой очистки изделий. Устройство содержит рабочую емкость (1), заполняемую моющей жидкостью (2), источник ультразвуковых колебаний (3), размещенный в рабочей емкости (1), и генератор колебаний. Генератор колебаний включает центробежную жидкостную форсунку (5) и упругую емкость (11), соединенные с рабочей емкостью (1). Выходной канал (9) центробежной жидкостной форсунки (5) через трубопровод (12) с обратным клапаном (13) соединен с упругой емкостью (11). Во входном канале жидкостной центробежной форсунки (5) установлен жидкостной насос (6), соединенный с рабочей емкостью (1) через кран (8) и фильтр (7). Технический результат: интенсификация процесса ультразвуковой очистки путем гидравлического воздействия пульсирующего потока жидкости. 1 ил.

Изобретение относится к акустике, а именно к устройствам для создания мощных резонансных акустических вращающихся волн в газообразной или жидкой проточной среде, и может быть использовано в качестве диспергатора-гомогенизатора во многих отраслях обрабатывающей промышленности. Генератор резонансных вращающихся акустических волн включает коаксиально установленные цилиндрические неподвижный статор и вращающийся внутри него ротор, на котором выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия, привод для равномерного вращения ротора, средство для подачи жидкой или газообразной среды в ротор и выходные патрубки для вывода рабочей среды из статора. Для создания напора рабочей среды в роторе используется крыльчатка или внешний нагнетатель. Сам ротор может быть как снабжен центральным валом, так и не иметь его. Режим работы устройства - стационарный, обеспечивающийся равномерным вращением привода, при котором происходит резонансная накачка и аккумуляция механической энергии благодаря синфазности колебательных скоростей и давлений в рабочей среде. Кольцевая область между наружной поверхностью статора и внутренней поверхностью ротора конструктивно образует резонансную камеру, в которой генерируются вращающиеся акустические волны и происходит вибрационная обработка рабочей среды. Технический результат - одновременное возбуждение мощных резонансных вращающихся волн всего основного спектра, увеличение выходной мощности, упрощение конструкции и повышение надежности. 2 з.п. ф-лы, 28 ил.

Наверх