RU2284229C2

RU2284229C2 - Sonar syren

Info

Publication number: RU2284229C2
Application number: RU2004113196/28A
Authority: RU
Inventors: женинов Евгений Дмитриевич Сви (RU); Евгений Дмитриевич Свияженинов
Original assignee: Институт проблем машиноведения Российской академии наук
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2006-09-27
Also published as: RU2004113196A

Abstract

FIELD: production of fine emulsions and suspensions.

SUBSTANCE: the invention is pertaining to the devices used for creation of the powerful acoustic vibrations in the running liquid or gaseous medium and is intended for production of the fine emulsions and suspensions with simultaneous stirring of the product. The technical result of the invention is the increased efficiency of the device due to the significant pressure reduction of the mixture pumped into the rotor and to the inlet power at simultaneous increase of the outlet power. The sonar syren contains the coaxially mounted cylindrical stator made in the form of the concentric acoustical resonator and the hollow rotor, on the adjacent surfaces of which there are the through holes uniformly arranged along the circumference, the drive gear for uniform rotation of the rotor, the device for feeding of the liquid or gaseous mixture into the rotor and the outlet branch pipe for withdrawal of the product. The syren rotor made with the number of the holes exceeding by one the stator number of the holes is used for realization of the direct traveling resonance wave of oscillations in the resonator - in respect to the direction of the rotor rotation, and in the case the number of the holes of the rotor is less by one of the holes number of the holes of the stator is used for realization of the reverse traveling resonance wave of oscillations in the resonator. And the outlet branch pipe is arranged tangentially to an outer surface of the stator in the direction of the traveling wave.

EFFECT: the invention ensures the increased efficiency of the device at simultaneous increase of the outlet power.

10 dwg

Description

Изобретение относится к акустике, а именно к устройствам для создания мощных акустических колебаний в проточной жидкой или газообразной среде, и может быть использовано в нефтегазовой, химической, парфюмерно-косметической, фармацевтической, пищевой, энергетической, металлургической, машиностроительной отраслях промышленности для создания, например, тонкодисперсных эмульсий и суспензий с одновременным перемешиванием продукта.The invention relates to acoustics, and in particular to devices for creating powerful acoustic vibrations in a flowing liquid or gaseous medium, and can be used in the oil and gas, chemical, perfumery, cosmetic, pharmaceutical, food, energy, metallurgical, engineering industries to create, for example, fine emulsions and suspensions while stirring the product.

Известна гидроакустическая сирена, содержащая полые статор и ротор с рядом равномерно расположенных одинаковых отверстий на смежных поверхностях /Гидроакустическая сирена. А.с. СССР №542570, кл. В 06 В 1/20, 1977/. Такое устройство состоит, фактически, из традиционной радиальной сирены /Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Изд-во иностр. л-ры, 1957. 726 с./ и камеры озвучивания, параметры которой удовлетворяют условию прямого гидравлического удара. Недостатком такой сирены является необходимость повышенных входных давления и мощности, невысокий к.п.д., а также значительные ударные нагрузки на корпус, приводящие к разрушениям. Выходной патрубок имеет аксиальное направление, в то время как ударные волны радиальны, что требует дополнительных расходов энергии на отвод продукта.Known sonar siren containing a hollow stator and a rotor with a number of evenly spaced identical holes on adjacent surfaces / sonar siren. A.S. USSR No. 542570, class 06 V 1/20, 1977 /. Such a device consists, in fact, of a traditional radial siren / Bergman L. Ultrasound and its use in science and technology. M .: Publishing house of foreign countries. l-ry, 1957. 726 pp. / and a sounding chamber, the parameters of which satisfy the condition of direct water hammer. The disadvantage of such a siren is the need for increased input pressure and power, low efficiency, as well as significant shock loads on the body, leading to destruction. The outlet pipe has an axial direction, while the shock waves are radial, which requires additional energy consumption for product withdrawal.

Задача изобретения - повышение к.п.д. устройства за счет существенного снижения давления нагнетаемой в ротор смеси и входной мощности при одновременном повышении выходной мощности.The objective of the invention is to increase the efficiency devices due to a significant reduction in the pressure of the mixture injected into the rotor and the input power while increasing the output power.

Поставленная задача решается тем, что используется не прямой гидравлический удар потока смеси о корпус, а возбуждается бегущая резонансная волна в обрабатываемой среде, что обеспечивает оптимальные условия подкачки механической энергии в колебательную гидроакустическую систему.The problem is solved by the fact that not a direct hydraulic shock of the mixture flow against the housing is used, but a traveling resonant wave in the processed medium is excited, which provides optimal conditions for pumping mechanical energy into the oscillatory hydroacoustic system.

На фиг.1, 2 изображена схема гидроакустической сирены, на фиг.3 - собственные формы возбуждаемых колебаний, на фиг.4 - соответствующие им собственные частоты, на фиг.5, 6 - амплитудно- и фазочастотные характеристики, на фиг.7 - схема возбуждения резонатора, на фиг.8 - схема воздействия потоков газа, истекающих из отверстий ротора, на отверстия статора, на фиг.9, 10 - номограммы конструктивных парамеров сирены: резонансных частот колебаний обрабатываемой среды, частот вращения ротора, наружного радиуса статора и числа отверстий статора.Figure 1, 2 shows a diagram of a hydroacoustic siren, figure 3 shows the eigenmodes of the excited oscillations, figure 4 shows the corresponding natural frequencies, figure 5, 6 shows the amplitude and phase frequency characteristics, figure 7 shows a diagram excitation of the resonator, Fig. 8 is a diagram of the effect of gas flows flowing from the rotor openings on the stator openings; Figs. 9, 10 are nomograms of structural siren parameters: resonant oscillation frequencies of the medium being processed, rotor rotational frequencies, stator outer radius, and number of openings stator.

Гидродинамическая сирена (фиг.1, 2) содержит коаксиально установленные полый цилиндрические статор 1 в виде акустического резонатора и вращающийся внутри него полый ротор 2, в смежных поверхностях которых выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия: n - в статоре и n+1 или n-1 - в роторе, где n - не меньше трех (условие возбуждения бегущей по окружности волны дискретными импульсами). Ротор равномерно вращается приводом 3 и содержит средство для подачи жидкой или газообразной смеси внутрь ротора под небольшим давлением 4. Возможно в этом качестве использование всего лишь крыльчатки ротора подобно центробежным насосам. Выходной патрубок 5 расположен тангенциально на наружном радиусе статора и ориентирован в направлении бегущей волны (по ходу или против вращения ротора).The hydrodynamic siren (Fig. 1, 2) contains a coaxially mounted hollow cylindrical stator 1 in the form of an acoustic resonator and a hollow rotor 2 rotating inside it, in adjacent surfaces of which through holes are evenly spaced around the circumference: n - in the stator and n + 1 or n -1 - in the rotor, where n is at least three (the condition for the excitation of a wave traveling around the circumference with discrete pulses). The rotor rotates evenly by the drive 3 and contains means for supplying a liquid or gaseous mixture into the rotor at a slight pressure 4. It is possible in this quality to use only the rotor impeller like centrifugal pumps. The output pipe 5 is located tangentially on the outer radius of the stator and is oriented in the direction of the traveling wave (along or against the rotation of the rotor).

Колебания жидкости или газа осуществляются в кольцевой цилиндрической полости - статоре. Осесимметричные собственные колебания жидкости (газа) в кольцевой полости (фиг.3, штриховая линия), возбуждаемые традиционными сиренами с одинаковой перфорацией ротора и статора, имеют весьма высокие собственные частоты основного тона (фиг.4, штриховая линия), что потребовало бы чрезмерно увеличивать обороты ротора и уменьшать шаг перфорации (т.е. увеличивать равное число отверстий в смежных поверхностях ротора и статора) для достижения резонансной частоты возбуждения. В связи с этим целесообразно создавать резонансную бегущую двухузловую волну в статоре /Свияженинов Е.Д. Спектральные методы решения задач о колебаниях диссипативных механических и электродинамических систем с распределенными параметрами. Дис... докт. техн. наук, СПб., 1994, 432 с./. Двухузловая в тангенциальном направлении собственная форма колебаний в кольцевой цилиндрической области (фиг.3, сплошная линия) имеет наинизшие собственные частоты колебаний из всех существующих (фиг.4, сплошная линия), что открывает путь к использованию резонанса в статоре при доступных невысоких оборотах ротора и не слишком малом шаге перфорации. При осуществлении резонанса не требуется нагнетать обрабатываемую среду в резонатор под большим давлением для создания достаточно мощных толчков возбуждения. Даже при слабом входном давлении на резонатор в нем будут происходить интенсивные акустические вибрации вследствие синфазной подкачки и аккумуляции колебательной механической энергии в среде. Выбран основной (низший) резонанс двухузловой формы колебаний, имеющий наименьшую частоту и обеспечивающий наибольшее усиление колебаний, что видно на амплитудно-частотной характеристике для однопериодных по окружности колебаний (фиг.5). На фазочастотной характеристике (фиг.6) видно, как на резонансе выполняются фазные условия оптимальной подкачки энергии в колебательную систему.Fluctuations of a liquid or gas are carried out in an annular cylindrical cavity - a stator. Axisymmetric natural oscillations of the liquid (gas) in the annular cavity (Fig. 3, dashed line), excited by traditional sirens with the same perforation of the rotor and stator, have very high natural frequencies of the fundamental tone (Fig. 4, dashed line), which would require an excessive increase rotor speed and reduce the perforation step (i.e. increase the equal number of holes in the adjacent surfaces of the rotor and stator) to achieve a resonant excitation frequency. In this regard, it is advisable to create a resonant traveling two-node wave in the stator / Sviyazheninov E.D. Spectral methods for solving oscillation problems of dissipative mechanical and electrodynamic systems with distributed parameters. Dis ... doct. tech. Sciences, St. Petersburg, 1994, 432 pp. /. Two-node in the tangential direction, the natural form of oscillation in the annular cylindrical region (Fig. 3, solid line) has the lowest natural oscillation frequencies of all existing (Fig. 4, solid line), which opens the way to the use of resonance in the stator at affordable low rotor speeds and not too small pitch perforation. When resonance is implemented, it is not necessary to pump the medium to be processed into the resonator under high pressure to create sufficiently powerful excitation shocks. Even with a weak inlet pressure on the resonator, intense acoustic vibrations will occur in it due to in-phase pumping and accumulation of vibrational mechanical energy in the medium. The main (lowest) resonance of the two-node oscillation mode was selected, which has the lowest frequency and provides the greatest amplification of the oscillations, which can be seen in the amplitude-frequency characteristic for single-period oscillations around the circumference (Fig. 5). On the phase-frequency characteristic (Fig.6) it is seen how the phase conditions of the optimal pumping of energy into the oscillatory system are satisfied at the resonance.

Для возбуждения неосесимметричной бегущей резонансной волны предлагается нетрадиционная схема сирены, а именно новый тип ее перфорации. По-прежнему отверстия на роторе и статоре распределены равномерно в окружном направлении, но число отверстий ротора - на единицу больше (для создания прямой или попутной бегущей волны, совпадающей с направлением вращения ротора) или на единицу меньше (для получения обратной, или встречной, волны), чем на статоре (фиг.7).To excite a non-axisymmetric traveling resonant wave, an unconventional siren scheme is proposed, namely a new type of its perforation. As before, the holes on the rotor and stator are evenly distributed in the circumferential direction, but the number of rotor holes is one more (to create a direct or incident traveling wave, which coincides with the direction of rotation of the rotor) or one less (to obtain a backward or oncoming wave ) than on the stator (Fig. 7).

Принцип работы. Вынуждающие силы, действующие на резонаторPrinciple of operation. The driving forces acting on the resonator

При равномерном вращении ротора с угловой скоростью ω_p, на поверхности которого располагается n+1 или n-1 равномерно отстоящих друг от друга радиальных потоков газа, каждая из n щелей на поверхности статора поочередно испытывает пульсацию давления (фиг.7).When the rotor rotates uniformly with an angular velocity ω _p , on the surface of which there are n + 1 or n-1 radial gas flows uniformly spaced from each other, each of the n slots on the stator surface alternately experiences pressure pulsation (Fig. 7).

Пусть в начальный момент одна из щелей ротора и статора совпадают (фиг.8). Толчок давления со стороны истекающего из ротора газа передается в резонатор статора. При повороте ротора на угол

(при прямой волне) или на

(при обратной) толчок давления произойдет на соседнем отверстии резонатора - по ходу вращения ротора или против. При повороте ротора на угол (n+1)δ=2π/n или на nδ=2π/(n-1) импульс давления ровно один раз обежит окружность в прямом или обратном направлении. Таким образом, угловая скорость вращения импульса давления на внутреннюю поверхность резонатора составляет ω=nω_p - в прямом и ω=(n-1)ω_p - в обратном направлении.Let at the initial moment one of the slots of the rotor and stator coincide (Fig. 8). The pressure push from the side of the gas flowing from the rotor is transmitted to the stator resonator. When the rotor rotates through an angle

(in a direct wave) or on

(at the reverse) a pressure shock will occur at the neighboring hole of the resonator - in the direction of rotation of the rotor or against it. When the rotor is rotated through an angle (n + 1) δ = 2π / n or by nδ = 2π / (n-1), a pressure pulse will run around the circle exactly once in the forward or reverse direction. Thus, the angular velocity of rotation of the pressure pulse on the inner surface of the resonator is ω = nω _p - in the forward direction and ω = (n-1) ω _p - in the opposite direction.

Окончательно частота вращения

ротора 2 (фиг.1, 2) находится из условия достижения резонанса:Final speed

rotor 2 (figure 1, 2) is found to achieve resonance:

f=v/n - для сирены на прямой бегущей волне иf = v / n - for a siren on a direct traveling wave and

f=v/(n-1) - для сирены на обратной бегущей волне,f = v / (n-1) - for a siren on a reverse traveling wave,

где v - собственная частота колебаний резонатора,

,where v is the natural oscillation frequency of the resonator,

,

n - число отверстий статора.n is the number of stator holes.

Вынужденные колебания акустического резонатораForced vibrations of an acoustic resonator

Со стороны ротора на поверхность статора-резонатора действует быстровращающийся импульс избыточного давления. Гармонический состав одиночного импульса представляет собой ряд окружных гармоник, из которых наибольшую амплитуду имеет двухузловая (однопериодная) в тангенциальном направлении. Именно эта основная гармоника и служит для возбуждения резонансной бегущей волны колебаний - однопериодной (двухузловой) в тангенциальном направлении синусоиды. Амплитудно-частотная характеристика двухузловых колебаний вязкой теплопроводной сжимаемой жидкой среды в резонаторе (фиг.5) показывает, что наибольшее усиление колебаний обеспечивает первый (основной) резонанс. Для кольцевого цилиндрического резонатора 1 (фиг.1, 2) внешнего радиуса R с отношением внутреннего радиуса к наружному ρ частота основного тона равна:From the rotor side, a rapidly rotating excess pressure pulse acts on the surface of the stator resonator. The harmonic composition of a single pulse is a series of circumferential harmonics, of which the two-node (single-period) in the tangential direction has the largest amplitude. It is this fundamental harmonic that serves to excite the resonant traveling wave of oscillations - a single-period (two-node) in the tangential direction of the sine wave. The amplitude-frequency characteristic of the two-node vibrations of a viscous heat-conducting compressible liquid medium in the resonator (Fig. 5) shows that the first (main) resonance provides the greatest amplification of the vibrations. For an annular cylindrical resonator 1 (figure 1, 2) of the outer radius R with the ratio of the inner radius to the outer ρ, the frequency of the fundamental tone is equal to:

где с - скорость звука в жидкости (газе), заполняющей ротор, α=α(ρ) - первый корень трансцендентного уравнения частот:where c is the speed of sound in the fluid (gas) filling the rotor, α = α (ρ) is the first root of the transcendental frequency equation:

где J₁(α), N₁(α) - соответственно функции Бесселя и Неймана первого порядка.where J ₁ (α), N ₁ (α) are the first-order Bessel and Neumann functions, respectively.

Функция α=α(ρ) из формулы (1) представлена графиком (фиг.4, сплошная линия) для всех реальных конкретных отношений внутреннего радиуса концентрического резонатора к наружному 0<ρ<1. На фиг.4 первый нижний индекс 1 у функции α_1К(ρ) обозначает, что это - первые корни уравнения (2), а второй нижний индекс k показывает число пар узлов возбуждаемой формы колебаний в тангенциальном направлении. Так, k=1 отвечает реализуемой в устройстве двухузловой (с одним узловым диаметром) собственной форме колебаний, тогда как k=0 - осесимметричной, т.е. не зависящей от угловой координаты. Обе эти формы изображены на фиг.3. Из фиг.4 видно, что при ρ=0 имеем частный случай сплошного резонатора, что отмечено верхними индексами (с) у соответствующих значений величин

. Фиг.4 показывает также, что собственные частоты осесимметричных колебаний неограниченно увеличиваются с ростом ρ (штриховая линия), тогда как частоты двухузловых монотонно убывают с ростом ρ (и асимптотически приближаясь к α=1), что и требуется для согласования сирены-возбудителя с акустической камерой-резонатором.The function α = α (ρ) from formula (1) is represented by a graph (Fig. 4, solid line) for all real specific ratios of the inner radius of the concentric resonator to the outer 0 <ρ <1. In Fig. 4, the first lower index 1 of the function α _1K (ρ) indicates that these are the first roots of equation (2), and the second lower index k shows the number of pairs of nodes of the excited waveform in the tangential direction. So, k = 1 corresponds to the two-node (with one nodal diameter) eigenoscillation implemented in the device, while k = 0 is axisymmetric, i.e. independent of the angular coordinate. Both of these forms are depicted in figure 3. Figure 4 shows that when ρ = 0 we have a particular case of a continuous resonator, which is indicated by the superscripts (c) for the corresponding values of the quantities

. Figure 4 also shows that the eigenfrequencies of axisymmetric oscillations increase unlimitedly with increasing ρ (dashed line), while the frequencies of two-node monotonically decrease with increasing ρ (and asymptotically approaching α = 1), which is required for matching the siren-exciter camera resonator.

Номограммы основных конструктивных параметров сиреныNomograms of the main structural parameters of the siren

Для подбора конструктивных параметров по вышеприведенным расчетным формулам построены номограммы сирены (фиг.9, 10). По ним наиболее легко подбирать основные конструктивные параметры. Например, задаемся резонансной частотой колебаний ν и отношением радиусов резонатора ρ. По кривой ν (R) определяем соответствующий наружный радиус R, а по семейству прямых ν (f) подбираем комбинацию перфорации и числа оборотов ротора. Из номограмм видно, что для реально встречающихся практических смесей параметры сирены легко реализуются. Так, в качестве привода вполне возможно использование самых распространенных низкооборотных асинхронных электродвигателей.To select structural parameters according to the above calculation formulas, nomograms of the siren are constructed (Figs. 9, 10). On them, it is most easy to select the main design parameters. For example, we set the resonant vibrational frequency ν and the ratio of the resonator radii ρ. Using the curve ν (R), we determine the corresponding outer radius R, and from the family of lines ν (f) we select a combination of perforation and the number of rotor revolutions. It can be seen from the nomograms that for real-life practical mixtures, the siren parameters are easily implemented. So, as a drive, it is quite possible to use the most common low-speed asynchronous electric motors.

Пример расчета параметров гидроакустической сирены.An example of calculating the parameters of a hydroacoustic siren.

Пусть обрабатываемой средой является нефть и требуется возбудить частоту ее обработки ν=500 Гц в резонаторе с отношением внутреннего радиуса к наружному ρ=0.5.Let the medium to be treated be oil and it is required to excite the frequency of its processing ν = 500 Hz in the resonator with the ratio of the internal radius to the external ρ = 0.5.

Тогда по кривой ν(R) фиг.9, 10 находим необходимый наружный радиус резонаторной камеры: R=58 см. По семейству прямых ν(f) или по формулам на с.5:Then, according to the curve ν (R) of Figs. 9, 10, we find the necessary external radius of the resonator chamber: R = 58 cm. According to the family of lines ν (f) or according to the formulas on page 5:

f=ν/n - для сирены на прямой бегущей волне иf = ν / n - for a siren on a direct traveling wave and

f=ν/(n-1) - для сирены на обратной бегущей волне, получаем возможные комбинации числа отверстий n и числа оборотов ротора f.f = ν / (n-1) - for a siren on a reverse traveling wave, we obtain possible combinations of the number of holes n and the number of rotor revolutions f.

n, число:n, number: 1010 20twenty 30thirty 4040 50;fifty; при использовании прямой бегущей волны:when using a direct traveling wave: f, об/c:f, r / c: 50fifty 2525 1717 1313 10;10; при применении обратной бегущей волны:when using a reverse traveling wave: f, об/c:f, r / c: 5656 2626 1717 1313 10.10.

Claims

A hydroacoustic siren, including a coaxially mounted cylindrical stator in the form of a concentric acoustic resonator, a hollow rotor, in adjacent surfaces of which through holes are evenly spaced around the circumference, a drive for uniform rotation of the rotor, means for supplying a liquid or gaseous mixture to the rotor and an outlet pipe for outputting the product characterized in that the siren rotor is made with a number of holes different by one from the number of stator holes for realizing a traveling resonant wave the oscillations in the resonator are direct with respect to the direction of rotation of the rotor in the case by one more and the return in the case by one less, and the output pipe is tangential to the outer surface of the stator in the direction of the traveling wave, while the device parameters are selected from the expressions

r = v / n - for a siren on a direct traveling wave;

f = v / (n-1) - for the siren on the return wave;

where v is the frequency of the generated acoustic vibrations of the liquid or gaseous medium in the resonator;

f is the rotor speed;

n is the number of stator holes;

R is the outer radius of the resonator;

C is the speed of sound in a liquid or gaseous medium entering the resonator;

α is the lower root of the transcendental equation:

where J ₁ , N ₁ , are the first-order Bessel and Neumann functions, respectively;

ρ is the given ratio of the inner radius of the concentric resonator to the outer R.