УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ВИХРЕВОГО ПОТОКА

Изобретение относится к прикладной газодинамике, в частности к устройству для стабилизации вихревого потока.

Изобретение может быть использовано в любой отрасли промышленности, где есть необходимость в получении или использовании вихревого потока. Так, например, в вихревых топках для сжигания традиционного вида топлива, а также в криогенных ракетных носителях, использующих в качестве топлива различные смеси сжиженных криогенных газов.

Применение поступательно-вращательного движения газа в вихревых аппаратах продиктовано, прежде всего, их эффективностью. Такие аппараты просты в изготовлении и надежны в процессе эксплуатации. Однако при использовании вихревого потока очень важно сохранять его основные параметры (соотношение тангенциальной и осевой составляющих скорости вихревого потока) на всем пути его следования, так как любое колебание или изменение его параметров может приводить к нежелательным последствиям. А именно, в вихревых топках это приводит к недожогу или пережогу используемого топлива, а в криогенном ракетном носителе - к изменению его тяги, а иногда просто к срыву самого процесса горения.

Известно устройство для стабилизации вихревого потока (патент РФ №2471565, 2008 г., В04С 5/107), которое выполнено в виде цилиндрического стержня, закрепленного на стабилизирующей пластине и установленного вдоль оси трубчатого корпуса между его входным и выходным патрубками. В данном устройстве стабилизация вихревого потока осуществляется за счет уменьшения его осевой скорости движения и увеличения, соответственно, его тангенциальной составляющей, что, по мнению автора, служит хорошей предпосылкой для более эффективного выделения твердых включений из вихревого потока.

Однако такой способ использования вихревого потока весьма неэкономичный и к тому же совершенно неприемлем в аппаратах, использующих вихревой поток для интенсификации процесса. Например, при интенсификации процесса горения топлива в криогенном ракетном носителе желательно не только сохранять основные параметры вихревого потока, но и существенно их увеличивать путем выбора оптимального соотношения тангенциальной и осевой составляющих скорости вихревого потока. К тому же установка такого устройства на пути следования высокоэнтальпийного вихревого потока практически исключена из-за возникновения чисто теплофизических проблем. При этом отсутствие управляющих элементов в данном устройстве также негативно отражается и на самом процессе разделения, так как разброс концентраций твердых частиц в вихревом потоке всегда неизбежен, а следовательно, неизбежно снижение эффективности его разделения. В процессе стабилизации вихревых потоков необходимость использования регулирующих устройств весьма очевидна вследствие диссипации энергии самих вихрей.

Наиболее близким по совокупности принципов к заявляемому устройству следует отнести известный способ стабилизации вихревого потока (патент РФ №2174875 С2, 1999 г., В04С 5/04, В01D 45/12), включающий ввод стабилизирующего газа через тангенциальные щелевые каналы и стабилизацию за счет изменения осевой и тангенциальной скорости стабилизируемого потока. При этом в процессе стабилизации живое сечение стабилизируемого потока изменяют за счет смещения плоских элементов щелевых каналов в плоскости, перпендикулярной направлению движения стабилизируемого потока.

Недостатком является то, что в нем предлагается только схема без каких-либо конструктивных решений и самой конструкции устройства.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков и проблем путем реализации нового устройства для стабилизации вихревого потока. Указанная задача решается за счет достижения технического результата при осуществлении заявляемого изобретения, заключающегося в получении устройства для стабилизации вихревого потока с улучшенными технико-эксплуатационными параметрами.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для стабилизации вихревого потока, содержащем корпус с входным и выходным патрубками для вихревого потока и направляющий элемент, расположенный внутри этого корпуса, согласно изобретению, корпус выполнен в виде полого цилиндра, на торцевых фланцах которого закреплены входной и выходной патрубки, а направляющий элемент выполнен в виде подвижных плоских сегментов, подвижно сопряженных с торцевыми фланцами корпуса, при этом для смещения подвижных плоских сегментов в плоскости, перпендикулярной направлению движения вихревого потока, предусмотрен внутренний механизм, а на боковой поверхности корпуса установлены привод внутреннего механизма и дополнительный патрубок для ввода стабилизирующего потока. Указанный технический результат достигается также тем, что внутренний механизм выполнен в виде вращающегося цилиндрического кольца и фиксаторов, которые жестко закреплены на подвижных плоских сегментах и кинематически сопряжены с вращающимся цилиндрическим кольцом и торцевыми фланцами корпуса.

На фиг. 1 показан общий вид устройства (в разрезе).

На фиг. 2 показано сечение А-А на фиг. 1 (привод внутреннего механизма и дополнительный патрубок для ввода стабилизирующего потока условно не показаны).

На фиг. 3 показан единичный плоский сегмент, сопряженный с фиксаторами и вращающимся цилиндрическим кольцом.

Заявляемое устройство для стабилизации вихревого потока включает: корпус 1 (фиг. 1), выполненный в виде полого цилиндра, торцевые фланцы 2, 3, на которых размещены входной патрубок 4 и выходной патрубок 5, направляющий элемент 6, выполненный в виде подвижных плоских сегментов 7 (фиг. 2), вращающееся цилиндрическое кольцо 8, фиксаторы 9, фиксаторы 10, привод 11 (фиг. 1) внутреннего механизма и дополнительный патрубок 12 (фиг. 1) для ввода стабилизирующего потока.

Заявляемое устройство для стабилизации вихревого потока может применяться в различных установках, как для стабилизации, так и для создания вихревого потока. Его можно также применять в качестве смесителя для получения многокомпонентного топлива или в качестве регулятора тяги в криогенном ракетном носителе. Его можно также применять для интенсификации процесса горения традиционного углеводородного топлива в вихревой топке или в качестве устройства для понижения гидравлического сопротивления при перекачке многофазных сред с большим включением твердых и вязких компонентов (например, сырой нефти с включением газа, воды, песка и других твердых частиц). При этом, независимо от сферы его использования, работа данного устройства для стабилизации вихревого потока может быть условно разделена на следующие режимы его работы. Первый - режим ожидания, когда основной вихревой поток, подлежащий стабилизации, свободно протекает через данное устройство, не испытывая какого-либо сопротивления и не меняя своих параметров. Такой режим является основным при перекачке многофазных сред из-за накапливания осадков. Второй - импульсный или квазистационарный режим его работы, например, при регулировании тяги криогенного ракетного носителя, когда при подаче сигнала или просто от какой-либо наперед заданной программы осуществляется его импульсное включение. И наконец, третий - стационарный режим его работы, когда данное устройство используется для интенсификации процесса горения традиционного углеводородного топлива в камере сгорания обычной вихревой топки или, когда оно используется в качестве смесителя для ввода в основной поток дополнительных реагентов.

Независимо от режимов работы оно функционирует по следующей схеме. Основной вихревой поток, подлежащий стабилизации или регулированию, через входной патрубок 4 (фиг. 1) поступает внутрь корпуса 1 и далее, минуя направляющий элемент 6, через патрубок 5 выводится из корпуса 1. При этом направляющий элемент 6, состоящий из подвижных плоских сегментов 7 (фиг. 2), находится в своем первоначальном положении, а именно, все подвижные плоские сегменты 7 плотно прижаты друг к другу и к торцевым поверхностям торцевых фланцев 2, 3 (фиг. 1). В то время как в режиме стабилизации направляющий элемент 6 приоткрывается на какой-то короткий промежуток времени и пропускает часть стабилизирующего потока внутрь корпуса 1. А так как подвижные плоские сегменты 7 (фиг. 2) при своем перемещении формируют тангенциальные щелевые каналы, то соответственно стабилизирующий поток закручивается и оттесняет основной вихревой поток ближе к его оси. В дальнейшем оба вихревых потока диссипируют и в виде единого вихревого потока выводятся из устройства с измененными осевой и тангенциальной составляющими скорости его вихревого движения. При этом подвижные плоские сегменты 7 (фиг. 2) могут открываться с какой-то наперед заданной частотой в строгом временном интервале, что весьма благоприятно сказывается на самом процессе регулирования. Однако это не исключает и другой режим их открытия, а именно, медленное их перемещение при подаче соответствующего сигнала на привод внутреннего механизма 11. Так, например, при регулировании тяги этот промежуток времени их открытия может варьироваться от сотых долей секунды до минуты и более, в то время как при интенсификации процесса традиционного углеводородного топлива, этот промежуток времени может исчисляться часами или сутками. Сам процесс перемещения подвижных плоских сегментов 7 (фиг. 2) осуществляется следующим образом: при подаче соответствующего сигнала на привод внутреннего механизма 11 (фиг. 1) вращающееся цилиндрическое кольцо 8 (фиг. 2) поворачивается вокруг своей горизонтальной оси на какой-либо небольшой угол. А поскольку оно кинематически через фиксаторы 9 связано с подвижными плоскими сегментами 7, то последние в свою очередь также поворачиваются вокруг своих осей, задаваемых фиксаторами 10, на небольшой определенный угол. При этом малые углы поворота вращающегося цилиндрического кольца 8 и подвижных плоских сегментов 7 могут быть сразу же зафиксированы или могут начать колебаться в этом диапазоне угла поворота с наперед заданной частотой. Импульсный режим поворота подвижных плоских сегментов 7 иногда оказывается энергетически более выгодным, чем простое медленное их открытие и закрытие. При импульсном воздействии стабилизирующего потока на стабилизируемый вихревой поток реализуется эффект гидроудара, что благоприятно сказывается в устройствах, предназначенных для экстренного введения какого-либо быстродействующего реагента в состав создаваемой смеси. Следует также отметить дополнительно то, что при стационарном режиме работы устройства, впрыск регулирующего потока образует дополнительный вихревой поток, который отжимает стабилизируемый вихревой поток от подвижных плоских сегментов 7. Благодаря этому эффекту, создается благоприятная ситуация при стабилизации высокоэнтальпийных вихревых потоков, например, непосредственно в вихревой топке или камере сгорания криогенного ракетного носителя. При этом в качестве исполнительного механизма для смещения вращающегося цилиндрического кольца 8 от своей начальной позиции можно использовать, как механические устройства, так и электромагнитные приводы (например, шаговый двигатель или электромагнитный толкатель), что положительно повлияет на работу данного устройства. Причем сами подвижные плоские сегменты 7 могут быть выполнены из твердых жаропрочных материалов с соответствующей обработкой контактируемых поверхностей (например, с помощью детонационной технологии напыления), что обеспечит их безаварийную работу с высокоэнтальпийными и химически активными вихревыми потоками. Все вышесказанное не исключает работу данного устройства и при сверхнизких температурах, например, температуре жидкого водорода или жидкого гелия.

Технический эффект от использования изобретения состоит в следующем. Предложенное устройство для стабилизации вихревого потока весьма просто в реализации и надежно в процессе эксплуатации. С его помощью можно реализовать как интенсификацию процесса горения, так и стабилизацию его в любых установках, в том числе в космонавтике, энергетике и химической отрасли. Данное устройство также применимо и для создания вихревого потока и может служить в качестве запирающего устройства (шибера) в любых энергетических комплексах. Элементы, обеспечивающие перекрытие в данном устройстве, могут быть изготовлены по любой технологии, включая литье, штамповку или горячее спекание. Но главным преимуществом данного устройства является то, что с его помощью можно осуществить плавное (без каких-либо пульсаций и скачков) регулирование основных параметров любого вихревого потока, включая высокоэнтальпийные и криогенные многофазные вихревые потоки.