RU2002128C1

RU2002128C1 - Способ преобразовани потока сплошной среды и устройство дл его осуществлени

Info

Publication number: RU2002128C1
Application number: SU915005901A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Ираклиевич Кикнадзе; Иван Александрович Гачечиладзе; Валерий Григорьевич Олейников
Original assignee: Kiknadze Gennadij I; Gachechiladze Ivan A; Olejnikov Valerij G
Priority date: 1991-10-30
Filing date: 1991-10-30
Publication date: 1993-10-30
Also published as: WO1993009353A1

Description

а ют в осесимметричное пространство по множеству траекторий, кажда из которых имеет вид винтовой линии-с монотонно убывающим по ходу движени потока радиусом , при этом площадь поперечного сечени каждого отдельного потока, движущегос по указанной траектории, плавно уменьшают по ходу движени потока, и объедин ют полученные потоки в один общий поток.

При таком способе обеспечиваетс затухание вторичных вихревых течений. Это приводит к устойчивой ламинаризации и созданию нового типа потока из множества ламинаризованных потоков, что обусловлено конфузорностью винтовых траекторий и силами инерции, возникающими при движении по таким траектори м. Ламинариза- ци отдельных потоков и объединение полученных ламинаризованных потоков в один общий поток обеспечивают формирование течени , которое не вл етс ни ла- минарны м, ни турбулентным в традиционно мГп онимании. Это происходит вследствие того, что эффективна вихрева в зкость среды, движущейс в этом течении , аномально мала, а само течение представл ет собой смерчеобразный поток, характеризующийс устойчивостью к воздействию внешних факторов. В таком лото- ке происходит формоизменение его поперечного сечени при большей, чем у турбулентного потока, равномерности профил осевой скорости по сечению потока и при таком распределении вращательной составл ющей скорости потока, при котором отсутствует ее резкое отличие от скоростей в других част х поперечного сечени . При этом полученный поток также обладает-повышенной устойчивостью к внешним воздействи м еще и потому, что силы инерции в потоке превалируют над силами, обусловленными в зкостью движущейс среды.

При этом обеспечиваетс резкое снижение сопротивлени каналов движению таких потоков, т.е. снижение гидравлических потерь, что приводит к увеличению пропускной способности каналов и транспортных магистралей дл газов, жидкостей, их двухфазных и многокомпонентных смесей и повышению эффективности их движени и/или использовани дл преобразовани энергии. Монотонное уменьшение радиуса винтовой траектории потока обеспечивает рост азимутальной составл ющей скорости потока, что приводит к интенсификации закрутки потока.

Траектори потока предпочтительно имеет вид винтовой линии, описываемой в

цилиндрических координатах следующими зависимост ми

:

л С

R

К)П-1Ь

Л Vr0

+ D(r-R}3.

(3) (4)

где г, р и Z - цилиндрические координаты;

to VP° Vf° вРаш-ательна и радиальна составл ющие скорости в начале траектории;

Ro и R - радиальные координаты начала и конца траектории;

5 п - степень изменени радиуса винтовой линии,

С и D - константы, характеризующие траекторию.

При этом обеспечиваетс минимизаци

о гидравлических потерь и снижение вихре- образовани .

Траектори потока может иметь вид винтовой линии с монотонно увеличивающимс по ходу потока шагом. При этом

5 уменьшаетс степень закрутки потока, что приводит к снижению вращательной составл ющей его скорости.

Траектори потока может иметь вид винтовой линии с монотонно уменьшаюо щимс по ходу потока шагом. При этом обес- печиваетс дополнительна закрутка потока, что приводит к увеличению вращательной составл ющей его скорости.

Поставленна задача решаетс также с

5 помощью устройства дл преобразовани потока сплошной среды, содержащего множество каналов замкнутого поперечного се- чени , имеющих входные сечени , расположенные во впускной полости уст0 ройства, и выходные сечени , расположенные в выпускной полости устройства, при этом продольна ось каждого канала имеет вид винтовой линии с монотонно уменьшающимс радиусом, поперечное сечение

5 каждого канала плавно убывает от входного сечени до выходного, а геометрическим местом выходных сечений каналов вл етс поверхность вращени .

Применение указанного устройства

0 обеспечивает эффективное закручивание потока при резком снижении сопротивлени каналов его движению, т.е-. при снижении гидравлических потерь, что приводит к эффективному преобразованию перепада

5 давлени в энергию вращени преобразованного потока и увеличению пропускной способности каналов или транспортных магистралей . Это происходит благодар затуханию вихревых течений в каналах указанной формы, что приводит к устойчивой ламинаризации и созданию нового типа потока из множества ламинаризованных потоков,

Продольна ось каждого 1-го канала предпочтительно имеет вид винтовой линии , описываемой в цилиндрических координатах следующими зависимост ми (3) и

Ci

+ Di (r - R)3

Ci и DI - константы, характеризующие каждый 1-й канал,

Продольна ось каждого канала может иметь вид винтовой линии с монотонно увеличивающимс по ходу потока шагом. При этом уменьшаетс степень закрутки потока, ч го приводит к снижению вертикальной составл ющей скорости потока и обеспечивает плавкое сопр жение устройства с выпускным трактом,

Продольна ось каждого канала может иметь вид винтовой линии с монотонно уменьшающимс по ходу потока шагом. При этом обеспечиваетс дополнительна закрутка потока, что приводит к-увеличению вращательной составл ющей его-скорости и обеспечивает плавное сопр жение устройства с впускным трактом.

Каналы могут быть расположены по меньшей мере в две ступени, при этом одна из стенок канала каждой следующей ступени образована одной из стенок канала предыдущей ступени.

В этом случае по вл етс возможность увеличени расхода сплошной среды, проход щей через устройство, а следовательно, и мощности, отбираемой от потбка сплошной среды при том же поперечном габарите устройства.

Каналы образованы оболочкой в виде поверхности вращени и стенками, расположенными между внутренней поверхностью оболочки и торцовым ограничивающим элементом, при этом форма торцового ограничивающего элемента описываетс в цилиндрических координатах следующей зависимостью

2 4--(6)

где Е - константа, определ юща габариты торцового ограничивающего элемента.

При такой конструкции, уменьшаетс образование вторичных вихревых течений, что повышает эффективность устройства.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство , предназначенное дл осуществлени способа преобразовани потока сплошной среды, частичный разрез; на

фиг 2 - вариант расположени продольной оси одного из каналов устройства, имеющей вид винтовой линии с монотонно убывающим по ходу потока шагом; на фиг.З - вари5 ант конструкции предлагаемого устройства с частичным разрезом с радиальным подводом потока сплошной среды; на фиг.4 - про- дольный р азрез част-vi предлагаемого устройства с многоступенчатой системой

10 каналов; на фиг.5 - вид сверху боковых стежок одного из каналов многоступенчатой системы каналов.

Предлагаемый способ преобразовани турбулентного потока сплошной среды осу15 ществл ют следующим образом (фиг.1).

Множество турбулентных потоков сплошной среды подают в осесимметрич- ное пространство по множеству траекторий A-Ai - Н-Н1 (фиг. 1) кажда из которых име20 ет вид винтовой линии, при этом площадь поперечного сечени SA-SH каждого отдельного потока плавно уменьшают по ходу движени потока, объедин ют полученные потоки в один общий поток, обозначенный

25 стрел кой J.

Кажда траектори A-Ai - H-Hi (фиг.1) потока предпочтительно имеет вид винтовой линии, олисываемой в цилиндрических координатах-заеисимост ми (3), (4).

30 При прохождении каждого потока по траектории A-Ai - H-Hi обеспечиваетс затухание вторичных вихревых течений, что приводит к устойчивой лзминаризации и созданию из множества ламинаризировэнных

35 потоков нового типа потока J, который не вл етс ни ламинарным, ни турбулентным в традиционном понимании благодар тому , что силы инерции превалируют над силами , обусловленными в зкостью

40 движущейс среды, так как каждый поток движетс по траектории A-Ai - H-Ht, а его поперечное сечение SA-SH плавно уменьшаетс . При этом эффективна вихрева в зкость этого потока аномально мала, по45 ток вл етс смерчеобразным, характеризующимс повышенной устойчивостью к воздействию внешних факторов и.формоизменени м поперечного сечени потока. В таком потоке происход т формоизменени

50 его поперечного сечени при большей, чем у турбулентного потока, равномерности профил осевой скорости по сечению потока и при таком распределении вращательной составл ющей скорости потока., при

55 котором отсутствует ее резкое отличие по оси вращени от скоростей в других част х поперечного сечени При этом полученный поток также обладает повышенной устойчивостью к внешним воздействи м еще и потому , что силы инерции в потоке

превалируют над силами, обусловленными в зкостью движущейс среды.

Этот новый поток J также обеспечивает новый эффект дополнительного разрежени вдоль своей оси и эффект подсоса по каждой траектории A-At - H-Ht множества потоков. Это увеличивает пропускную способность тракта.

Как показано на фиг.1, предлагаемое устройство дл преобразовани турбулентного потока сплошной среды содержит корпус 1, в котором образована впускна полость 2, открыта с торца дл впуска потока сплошной среды в эту камеру. В корпусе образована система каналов 3. Эти каналы образованы оболочкой 4 в виде поверхности вращени (например, гиперболоида ) и стенками 5, расположенными между внутренней поверхностью оболочки 4 и торцовым ограничивающим элементом 6. При этом образуютс каналы 3 замкнутого сечени , разумеетс , что указанные каналы могут быть образованы и другим путем, например в виде отдельных трубопроводов, что не вли ет на достижение цели изобретени .

Каждый канал 3 имеет входное сечение 7, расположенное во впускной полости 2, и выходное сечение 8, расположенное в выпускной полости 9, при этом продольна ось 0-0 каждого канала 3 имеет вид винтовой линии с монотонно убывающим от впускной полости 2 осесимметричной выпускной полости 9 радиусом г (п га гз), как показано на фиг.2, и с возрастающим по ходу движени потока шагом (не показано). Поперечное сечение каждого канала 3 плавно убывает от входного сечени 7 до выходного сечени 8.

Продольна ось каждого первого кана- ла предпочтительно имеет вид винтовой линии , описываемой в цилиндрических координатах зависимост ми (3) и (5).

Геометрическим местом концевых выходных сечений 8 каналов 3 вл етс поверхность вращени 10.

8 варианте конструкции, представленном на фиг.2, продольна ось Oi-Oi канала имеет вид винтовой линии с монотонно убывающим по ходу потока шагом t (ti t2). При этом обеспечиваетс плавное сопр жение устройства с впускным трактом {не показано ).

В варианте конструкции предлагаемого устройства дл преобразовани потока сплошной среды, представленном на фиг.З. используетс радиальный подвод потока сплошной среды. В этом варианте устройства , предлагаемое устройство дл преобразовани потока сплошной среды содержит

корпус 1, з котором образована впускна полость 2. открыта с периферии дл впуска потока сплошной среды в камеру В корпусе образована система каналов 11 и 12 Эти 5 каналы образованы оболочкой 13 в виде поверхности вращени (наприг.°о. гиперболоида ) и стенками 14 и 15, расположенными между внутренней поверхностью оболочки 13 и торцовым ограничивающим элементом 10 16. при этом образуютс каналы 11 и 12 замкнутого сечени , у которых стенка 14 одного канала 11 вл етс стенкой канала 12, а стенка 15 канала 12 вл етс стенкой каналв 11. Разумеетс , что указанные кана- 5 лы могут быть образованы и другим путем, например в виде отдельных трубопроводов, что не вли ет на достижение цели изобретени .

Форма торцовых ограничивающих эле- 0 ментов 6 и 16 (фиг.1 и 3) выбираетс обтекаемой , при этом целесообразно, чтобы форма торцового ограничивающего элемента описывалась в цилиндрических координатах зависимостью (6).

5 На фиг.4 показано устройство с многоступенчатой системой каналов 11, 12; 11а, 12а; 11Ь, 12Ь. На фиг.4 показаны только каналы в продольном разрезе и нижн ограничивающа поверхность торцового эле- 0 мента 6. На фиг.5 условно показаны боковые стенки 17 одного из каналов 11а. В остальном устройство, представленное на фиг.4 и 5, аналогично устройству, описанному выше со ссылкой на фиг.1. 5 Предлагаемое устройство, представленное на фиг.1, работает следующим образом .

При поступлении потока сплошной среды во впускную полость 2 поток распреде- 0 л етс по системе каналов 3 и таким образом раздел етс на множество потоков . Дл впуска потока, например воды, достаточно установить корпус 1 устройства непосредственно в русло реки или канала 5 либо разместить его в трубопроводе (не показан ). Отдельные потоки сплошной среды двигаютс по каналам 3 уменьшающегос поперечного сечени по винтовым траектори м , в результате чего происходит их ква- 0 зиламинаризаци с затуханием поперечных и вихревых составл ющих потоков. На выходе из выходных сечений 8 каналов 3 квазиламинарные потоки объедин ютс в один поток. При этом совмещение потоков, выхо- 5 д щих из каналов 3, происходит в зоне, образованной поверхностью вращени 10. благодар чему потоки не испытывают AJ- полнительных искажений, которые могут быть вызваны резкими изменени ми их траекторий . Очевидно, что в данном варианте

конструкции устройства осевые линии каналов 3 могут быть расположены по винтовым лини м с убывающим по ходу движени потока шагом, что приводит к уменьшению закрутки потоков и снижению степени завихрени результирующего потока. При этом по вл етс возможность более плавного сопр жени с выпускным трактом. Следует также отметить, что винтовыелинии,по которым расположены оси каналов 3, могут строитьс с учетом приведенных математических зависимостей.

В варианте выполнени каналов 3, представленном на фиг.З, устройство, показанное на фиг.1, работает аналогичным образом с той лишь разницей, что благодар увеличенной закрутке потоков, выход щих из каналов 3, результирующий поток J имеет увеличенную вращательную, составл ю- щую скорости.

Вариант конструкции устройства, представленный на фиг.З, работает так же, как и варианты, описанные со ссылкой на фиг.1 и 2, с той лишь разницей, что впуск потока сплошной среды осуществл етс радиально

относительно корпуса 1. Это может оказатьс необходимым по конструктивным соображени м , когда.такой подвод сплошной среды вл етс более предпочтительным.

Вариант конструкции устройства, представленный на фиг.4 и 5, работает аналогичным образом с той лишь разницей, что поток сплошной среды подвергаетс квазилами- нар,изации во множестве ступеней каналов

11, 12; 11а, 12а; 11b. 12b. благодар чему возрастают расход сплошной среды и энерги потока, получаемого при сли нии потоков , выход щих из каналов 11 и 12.

Разумеетс , что ъ любом из описанных вариантов конструкции устройства в соот- ветствии с изобретением в выпускной полости устройства может быть размещен любой известный механизм дл преобразовани

энергии получаемого потока в механическую энергию, например рабочее колесо турбины или крыльчатка.

(56) Авторское свидетельство СССР Г 1539382. кл. F 03 D 3/04, 1990.

Claims

Формула изобретени

1.Способ преобразовани потока сплошной среды путем подачи сплошной среды в осесимметричное пространство по множеству траекторий, кажда из которых имеет вид винтовой линии с монотонно убывающим по ходу движени потока радиусом , при этом площадь поперечного се- чени каждого отдельного потока, движущегос по указанной траектории, плавно уменьшают по ходу движени потока , и объедин ют полученные потоки в один общий поток, отличающийс тем. что траектори потока имеет вид винтовой линии , описываемой в цилиндрических координатах следующими зависимост ми;

,1,

nVroLv г

,

Р

+ D,(r

R)3,

,. 50

где г, р и z - цилиндрические координаты; Vro - вращательна и радиальна составл юща скорости в начале канала; RO и R - радиальна координата начала и

конца оси канала;55

Ci. DJ - константы, характеризующие

каждый i-й канал; п - показатель закрутки канала.

2.Способ по п.1. отличающийс тем, что траектори потока имеет вид винтовой
0 35 45

40

50

55

линии с монотонно увеличивающимс по ходу потока шагом t.

3.Способ по п.1, отличающийс тем, что траектори потока имеет вид винтовой линии с монотонно уменьшающимс по хо- ду потока шагом t.
4.Устройство дл преобразовани потока сплошной среды, содержащее оболоч- гку, впускную и выпускную полости и множество каналов замкнутого поперечного сечени , имеющих входные сечени , расположенные во впускной полости устройства , и выходные сечени , расположенные в выпускной полости устройства, при этом продольна ось каждого канала имеет вид винтовой линии с монотонно уменьшающимс радиусом, поперечное сечение каждого канала плавно убывает от входного сечени до выходного сечени , а геометрическим местом выходных сечений каналов вл етс поверхность вращени отличающеес тем, что устройство дополнительно содержит торцевой ограничивающий элемент , при этом канал образован оболочкой , стенками каналов и торцевым ограничивающим элементом, причем продольна ось каждого канала имеет вид винтовой линии, описываемой в цилиндрических координатах следующими зависимост ми:
(МП

nV

гО

И

1

13 Z - + Di(r - R)3

где r, tp и Z - цилиндрические координаты, Vyx, Vro - вращательна и радиальна составл ющие скорости в начале траектории; Ro, R - радиальные координаты начала и

конца траектории;

п - степень изменени радиуса винтовой линии;

С) и DI - константы, характеризующие траекторию.

Б.Устройство по п.4, отличающеес тем, что продольна ось каждого канала имеет вид винтовой линии с шагом t, монотонно уменьшающимс по ходу потока. б.Устройство по п.4, отличающеес

Фиг. /

2002128

14

тем, что продольна ось каждого канала имеет вид винтовой линии с шагом t, монотонно увеличивающимс по ходу потока.

7.Устройство по пп.4 - 6, отличающеее тем, что каналы расположены по меньшей мере в две ступени, при одна из стенок канала каждой следующей ступени образована одной из стенок каждого канала предыдущей ступени.

8.Устройство по пп.4 - б, отличающеес тем, что форма торцевого ограничивающего элемента описываетс в цилиндрических координатах зависимостью

z-

Г2

где Е - константа, определ юща габариты торцевого ограничивающего элемента.

Фиг. 5

%

фиг. 4

О