RU2351406C1 - Siren-dispersant - Google Patents
Siren-dispersant Download PDFInfo
- Publication number
- RU2351406C1 RU2351406C1 RU2007137419/28A RU2007137419A RU2351406C1 RU 2351406 C1 RU2351406 C1 RU 2351406C1 RU 2007137419/28 A RU2007137419/28 A RU 2007137419/28A RU 2007137419 A RU2007137419 A RU 2007137419A RU 2351406 C1 RU2351406 C1 RU 2351406C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- stator
- rotation
- resonator
- siren
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к акустике, а именно к устройствам для создания мощных резонансных акустических колебаний в проточной среде, и может быть использовано в двигателестроении для приготовления топливно-воздушной смеси (ТВС) в автомобильных, судовых, авиационных и стационарных двигателях внутреннего сгорания (ДВС), а также в медицинской, химической, фармацевтической, парфюмерно-косметической, пищевой, энергетической, металлургической и других отраслях промышленности для производства всех видов высококачественных дисперсных систем.The invention relates to acoustics, and in particular to devices for creating powerful resonant acoustic vibrations in a flowing medium, and can be used in the engine industry for the preparation of a fuel-air mixture (FA) in automotive, marine, aircraft and stationary internal combustion engines (ICE), and also in the medical, chemical, pharmaceutical, perfumery, cosmetic, food, energy, metallurgical and other industries for the production of all kinds of high-quality dispersed systems.
Сирены - практически единственные мощные источники акустических колебаний, содержащие полые статор и ротор с рядом равномерно расположенных одинаковых отверстий на смежных поверхностях /Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Изд-во иностр. л-ры, 1957, 726 с./.Sirens are practically the only powerful sources of acoustic vibrations containing a hollow stator and rotor with a series of equally spaced identical holes on adjacent surfaces / Bergman L. Ultrasound and its use in science and technology. M .: Publishing house of foreign countries. l-ry, 1957, 726 pp. /.
Идея объединения сирены как наиболее мощного источника акустических колебаний и явления резонанса как способа аккумуляции колебательной энергии реализована в диспергаторе, устройстве для производства высококачественных дисперсных систем, на вращающихся резонансных акустических волнах /Свияженинов Е.Д. Гидроакустическая сирена. Патент на изобретение №2284229. Приоритет 28.04.04/.The idea of combining a siren as the most powerful source of acoustic vibrations and the phenomenon of resonance as a method of accumulating vibrational energy is implemented in a dispersant, a device for the production of high-quality dispersed systems, on rotating resonant acoustic waves / Sviyazheninov E.D. Hydroacoustic siren. Patent for invention No. 2284229. Priority 04/28/04 /.
В этом устройстве, принятом за прототип, для согласования частот возмущения и собственных частот колебаний резонатора возбуждается не стоячая, а бегущая в окружном направлении, вращающаяся волна, что достигается модификацией перфорации ротора сирены. Частота вращения волны многократно превышает частоту вращения ротора, а направление ее вращения может быть выбрано как совпадающим, так и противоположным направлению вращения ротора. Резонансный режим работы обеспечивает оптимальные условия подкачки механической энергии в колебательную систему для совершения работы по приготовлению высококачественных дисперсных систем. Наиболее актуально это для жидких и газообразных сред, не "боящихся" повышенных вибраций, давлений и усталостных разрушений. Вращающаяся резонансная волна идеально вписывается в техническое назначение устройства, т.к. устраняются застойные области, свойственные стоячим волнам, и осуществляется проточное движение продукта. В прототипе введена сирена с новым типом перфорации, позволяющая создавать вращающуюся акустическую волну как совпадающую, так и противоположную направлению вращения ротора, частота вращения которой во много раз превышает частоту вращения ротора. Такая сирена окружена кольцевым резонатором, настроенным на частоту вращения генерируемой акустической волны колебаний, в котором и происходит образование дисперсной системы.In this device, adopted as a prototype, to coordinate the perturbation frequencies and the natural frequencies of the oscillations of the resonator, a rotating wave is excited rather than a standing wave, but running in the circumferential direction, which is achieved by modifying the perforation of the siren rotor. The frequency of rotation of the wave is many times higher than the frequency of rotation of the rotor, and the direction of its rotation can be chosen both coinciding and opposite to the direction of rotation of the rotor. The resonant mode of operation provides optimal conditions for pumping mechanical energy into the oscillatory system to perform work on the preparation of high-quality dispersed systems. This is most relevant for liquid and gaseous media that are not “afraid” of increased vibrations, pressures and fatigue damage. A rotating resonant wave fits perfectly into the technical purpose of the device, as stagnant areas inherent to standing waves are eliminated, and the product flows through the flow. The prototype introduced a siren with a new type of perforation, which allows you to create a rotating acoustic wave both coinciding and opposite to the direction of rotation of the rotor, the rotational speed of which is many times higher than the rotor speed. Such a siren is surrounded by a ring resonator tuned to the frequency of rotation of the generated acoustic oscillation wave, in which the formation of a dispersed system occurs.
Наложение акустической вибрации на процесс диспергирования существенно улучшает его качество. Так, ТВС для ДВС, приготовленная вибрацией, оказывается насыщенной кислородом на молекулярном уровне.The application of acoustic vibration to the dispersion process significantly improves its quality. So, fuel assemblies for ICE, prepared by vibration, are saturated with oxygen at the molecular level.
Прототип определяет эффективный резонансный механизм приготовления дисперсной системы, но не включает механизмов раздельной подачи дисперсной среды и дисперсной фазы.The prototype defines an effective resonant mechanism for the preparation of a dispersed system, but does not include mechanisms for separate supply of a dispersed medium and a dispersed phase.
Задача настоящего изобретения - обеспечить механизм раздельной подачи дисперсной среды и дисперсной фазы при сохранении высокой функциональности, простоты и надежности устройства.The objective of the present invention is to provide a mechanism for the separate supply of a dispersed medium and a dispersed phase while maintaining high functionality, simplicity and reliability of the device.
Поставленная задача достигается тем, что в резонансный прототип вписаны принципы центробежной и впрыскной подачи соответственно дисперсной среды и дисперсной фазы. Осуществляется это следующим образом.The problem is achieved in that the principles of centrifugal and injection feeding, respectively, of the dispersed medium and the dispersed phase are inscribed in the resonant prototype. It is carried out as follows.
Подача дисперсной среды осуществляется введением в качестве ротора рабочего колеса с крыльчаткой, лопасти которой располагаются между окнами. Теперь ротор не только является возбудителем резонансной волны, но и средством нагнетания дисперной среды, составляющей основную часть производимой дисперсной системы. Дисперсная фаза впрыскивается через форсунки внутрь кольцевого резонатора в точках высоких проточных скоростей обрабатываемого продукта.The dispersed medium is supplied by introducing an impeller with an impeller, the blades of which are located between the windows, as a rotor. Now the rotor is not only the causative agent of the resonant wave, but also a means of pumping the dispersion medium, which makes up the bulk of the produced dispersed system. The dispersed phase is injected through the nozzles into the ring resonator at the points of high flow rates of the processed product.
Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг.1, 2 изображена схема резонансной сирены-диспергатора, на фиг.3 - собственные формы возбуждаемых резонансных колебаний, на фиг.4 - соответствующие им собственные частоты, на фиг.5, 6 - амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики вынужденных колебаний, на фиг.7 - схема возбуждения резонатора, на фиг.8 - схема воздействия потоков газа, истекающих из окон ротора, на окна статора, на фиг.9 - точные решения уравнения частот кольцевого резонатора как функции отношений внутреннего радиуса к наружному, на фиг.10-14 - эпюры физических величин происходящих в кольцевом резонаторе процессов акустических колебаний и течения газа соответственно, на фиг.15, 16 - номограммы конструктивных парамеров сирены: резонансных частот колебаний обрабатываемой дисперсной системы, частот вращения ротора, наружного и внутреннего радиусов статора и числа отверстий статора.The essence of the above is illustrated by drawings, where Figs. 1, 2 show a diagram of a resonant siren-dispersant, Fig. 3 show the natural forms of excited resonant oscillations, Fig. 4 show the corresponding natural frequencies, Figs. 5, 6 show amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of forced oscillations, Fig. 7 is a diagram of the resonator excitation, Fig. 8 is a diagram of the effect of gas flows flowing from the rotor windows on the stator windows, and Fig. 9 are exact solutions of the frequency equation of the ring resonator as a function of relations of the internal radius to nar Figures 10-14 show diagrams of physical quantities of acoustic oscillations and gas flow processes occurring in a ring resonator, respectively; Figures 16 and 16 show nomograms of structural parameters of a siren: resonant frequencies of oscillations of a disperse system being processed, rotor speeds, external and internal the stator radii and the number of stator holes.
Предлагаемая сирена-диспергатор на вращающихся волнах (фиг.1, 2) содержит коаксиально установленные полый цилиндрический статор 1 в виде кольцевого акустического резонатора и вращающийся внутри него ротор 2 с крыльчаткой. В смежных поверхностях статора и ротора выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия: n - на статоре и n+1 или n-1 - на роторе. Число n входит в кратность увеличения частоты вращения акустической волны относительно частоты вращения ротора, поэтому должно быть большим для достижения высокочастотных вибраций. Знаками + и - управляется направление вращения вибрационной волны относительно направления вращения ротора: попутное или встречное соответственно. Ротор равномерно вращается приводом 3, в качестве которого может быть выбран самый распространенный низкооборотный электродвигатель. При вращении ротора дисперсная среда нагнетается через входной коллектор 4. После резонансной обработки дисперсная система снимается через выходные патрубки 5, расположеные тангенциально на наружном радиусе статора и ориентированные в направлении бегущей волны, по ходу или против вращения ротора. При практическом применении диспергатора для приготовления ТВС в ДВС число патрубков может быть произвольным и достаточно большим для обеспечения распределенного впрыска дисперсной системы в цилиндры. Дисперсная фаза впрыскивается внутрь кольцевого резонатора 1 через форсунки 6. Под действием высокочастотной вибрации дисперсная среда перемешивается с дисперсной фазой. Одновременно осуществляется проточное движение формирующейся дисперсной системы.The proposed siren dispersant on rotating waves (1, 2) contains a coaxially mounted hollow
Главный смысл изобретения заключается в объединении радиальной сирены как наиболее мощного источника акустических колебаний и явления резонанса как способа аккумуляции колебательной энергии. Композиционно рационально окружить сирену кольцевым цилиндрическим резонатором. Однако традиционная сирена генерирует стоячие в окружном направлении волны - осесимметричные и многоузловые колебания, и толщина резонатора, имеющего соответствующую собственную частоту, оказывается нереально большой. Для согласования частоты возмущения сирены и собственных частот колебаний резонатора следует возбуждать не стоячую, а бегущую двухузловую в окружном направлении волну. Это наиболее функционально для перемешивания и измельчения частиц сред до получения требуемой дисперсной системы, т.к. устраняются застойные зоны обработки, свойственные стоячим волнам, и осуществляется проточное движение продукта. Для возбуждения бегущей вращающейся волны предложен особый вид перфорации ротора. В результате в резонаторе легко возбуждается двухузловая в окружном направлении неосимметричная волна собственных колебаний, имеющая наинизшие собственные частоты. Эта волна - бегущая, в отличие от вырабатываемой традиционной сиреной стоячей волны. Скорость ее вращения во много раз превышает скорость вращения ротора. Более того, выбором перфорации ротора направление вращения волны легко может быть изменено на противоположное при одном и том же вращающемся роторе.The main meaning of the invention is to combine a radial siren as the most powerful source of acoustic vibrations and the phenomenon of resonance as a method of accumulating vibrational energy. It is compositionally rational to surround the siren with a circular cylindrical resonator. However, the traditional siren generates waves standing in the circumferential direction — axisymmetric and multinodular vibrations, and the thickness of the resonator having the corresponding natural frequency is unrealistically large. To match the frequency of the siren perturbation and the natural frequencies of the oscillations of the resonator, it is necessary to excite not a standing, but a traveling two-node wave in the circumferential direction. This is most functional for mixing and grinding particles of media to obtain the desired disperse system, because stagnant treatment zones inherent to standing waves are eliminated, and flowing movement of the product is carried out. To excite a traveling rotating wave, a special type of rotor perforation is proposed. As a result, a two-node asymmetric eigenoscillation wave with the lowest eigenfrequencies is easily excited in the resonator in the circumferential direction. This wave is traveling, in contrast to the standing wave generated by the traditional siren. The speed of its rotation is many times higher than the speed of rotation of the rotor. Moreover, by choosing the perforation of the rotor, the direction of rotation of the wave can easily be reversed with the same rotating rotor.
Три главных результата, полученных из такого подхода, заключаются в следующем.The three main results obtained from this approach are as follows.
1. Предложенная сирена даже без резонатора, сама по себе, дает многократное увеличение частоты вращения акустической волны относительно частоты вращения ротора.1. The proposed siren, even without a resonator, in itself, gives a multiple increase in the frequency of rotation of the acoustic wave relative to the frequency of rotation of the rotor.
2. Новый тип перфорации открывает возможности использования резонанса с сиреной в качестве возбудителя.2. A new type of perforation opens up the possibility of using resonance with a siren as a pathogen.
3. Устройство позволяет получать встречные резонансные бегущие волны на одном вращающемся валу ротора, что особенно важно для задач перемешивания и измельчения жидких или газообразных многокомпонентных сред.3. The device allows one to obtain counterpropagating resonant traveling waves on one rotating shaft of the rotor, which is especially important for mixing and grinding liquid or gaseous multicomponent media.
Итак, колебания газообразной смеси осуществляются в кольцевой цилиндрической полости - статоре. Осесимметричные собственные колебания сжимаемого газа в кольцевой полости (фиг.3, штриховая линия), возбуждаемые традиционными сиренами с одинаковой перфорацией ротора и статора, имеют неограниченно возрастающие с уменьшением толщины собственные частоты основного тона (фиг.4, штриховая линия, где ρ - отношение внутреннего радиуса кольцевого акустического резонатора к наружному, 0<ρ<1, α=α(ρ) - корень соответствующего уравнения частот), 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 и увеличивать толщину резонатора для снижения частоты основного тона осесимметричных колебаний. 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 круговом кольцевом статоре небольшой толщины 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 достаточного мощных импульсов 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 следует из амплитудно-частотной характеристики для однопериодных по окружности колебаний (фиг.6). На фазочастотной характеристике (фиг.7) видно, как на резонансе выполняются фазные условия оптимальной подкачки энергии в колебательную систему. Резонанс - это прежде всего фазовое совпадение периодических воздействий на систему и ее откликов, реализующееся при совпадении частот вынуждающих нагрузок с собственными частотами колебаний.So, the vibrations of the gaseous mixture are carried out in an annular cylindrical cavity - a stator. Axisymmetric natural vibrations of a compressible gas in an annular cavity (Fig. 3, dashed line), excited by traditional sirens with the same rotor and stator perforations, have natural frequencies that are infinitely increasing with decreasing thickness (Fig. 4, dashed line, where ρ is the internal ratio radius of the ring acoustic resonator to the outer one, 0 <ρ <1, α = α (ρ) is the root of the corresponding frequency equation), which would require an excessive increase in the rotor speed and a decrease in the perforation step (i.e., increase e the number of holes in the adjacent surfaces of the rotor and stator) to achieve the resonant frequency of the excitation and increase the thickness of the resonator to reduce the frequency of the fundamental tone of the axisymmetric oscillations. In this regard, it is advisable to create a resonant traveling two-node wave in the stator / Sviyazheninov E.D. Spectral methods for solving problems of oscillations of dissipative mechanical and electrodynamic systems with distributed parameters / dis ... doc. 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 a circular annular stator of small thickness with available low rotor speeds and not too small perforation step. When resonance is implemented, it is not necessary to pump the medium to be processed into the resonator under high pressure to create sufficient powerful excitation pulses. 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 oscillations, which follows from the amplitude-frequency characteristic for oscillations single-period along the circumference (Fig. 6). On the phase-frequency characteristic (Fig. 7), it is seen how the phase conditions of the optimal pumping of energy into the oscillatory system are satisfied at the resonance. Resonance is first of all a phase coincidence of periodic actions on the system and its responses, which is realized when the frequencies of the driving loads coincide with the natural frequencies of vibrations.
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 большее (для создания прямой, или попутной бегущей волны, совпадающей с направлением вращения ротора) или на единицу меньшее (для получения обратной, или встречной, волны, противоположной направлению вращения ротора), 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 that coincides with the direction of rotation of the rotor) or one less (to get the opposite or counter waves opposite to the direction of rotation of the rotor) than on the stator (Fig.7).
Работа устройстваDevice operation
При равномерном вращении ротора с угловой скоростью ωр, 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). Импульс 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 nδ=2π/(n+1) 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=(n+1)ωp - в прямом и ω=(n-1)ωp - в обратном направлении.Let at the initial moment one of the slots of the rotor and stator coincide (Fig. 8). The pressure pulse from the gas flowing out of 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. When the rotor is rotated through an angle nδ = 2π / (n + 1) or 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 = (n + 1) ω p - in the forward and ω = (n-1) ω p - in the opposite direction.
Перейдем от угловой скорости ротора и круговой частоты колебаний соответственно к частотам вращения и колебаний. Получаем, что частота вращения ротора 2 (фиг.1, 2) связана с частотой акустических колебаний статора 1 (фиг.1, 2) аналогичным образом:We proceed from the angular velocity of the rotor and the circular vibration frequency, respectively, to the rotation and vibration frequencies. We get that speed rotor 2 (figure 1, 2) is associated with the frequency of acoustic vibrations of the stator 1 (figure 1, 2) the same way:
f=ν/(n+1) - для сирены на прямой бегущей волне иf = ν / (n + 1) - for a siren on a direct traveling wave and
f=ν/(n-1) - для сирены на обратной бегущей волне,f = ν / (n-1) - for a siren on a reverse traveling wave,
где n - число отверстий статора 1.where n is the number of holes of the
Для резонансного возбуждения частота ν должна быть близка одной из собственных частот, в данном случае - низшей.For resonant excitation, the frequency ν should be close to one of the eigenfrequencies, in this case, the lowest.
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.6) 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 oscillations of a viscous heat-conducting compressible liquid medium in the resonator (Fig.6) shows that the first (main) resonance provides the greatest amplification of the oscillations. 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), заполняющем ротор, α=α(ρ) - первый (низший) корень трансцендентного уравнения частот:where c is the speed of sound in the fluid (gas) filling the rotor, α = α (ρ) is the first (lowest) 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 кольцевого резонатора к наружному 0<ρ<1. На фиг.4 первый нижний индекс i у функции αik(ρ) обозначает, что это - i-й по порядку возрастания корень уравнения (2), а второй нижний индекс k показывает число пар узлов возбуждаемой формы колебаний в тангенциальном направлении. Так, i=1 соответствует первому (низшему) корню уравнения, 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 ring resonator to the outer 0 <ρ <1. In Fig. 4, the first subscript i of the function α ik (ρ) means that this is the ith root of equation (2) in order of increase, and the second subscript k shows the number of pairs of nodes of the excited waveform in the tangential direction. So, i = 1 corresponds to the first (lower) root of the equation, 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 ones monotonically decrease with increasing ρ (and asymptotically approaching α = 1), which is required for matching the siren (pathogen) with an acoustic camera (resonator).
Построены точные решения уравнения частот (2) кольцевого резонатора αik(ρ) как функции отношений внутреннего радиуса к наружному ρ (фиг.9), необходимые для определения собственных частот колебаний.The exact solutions of the frequency equation (2) of the ring resonator α ik (ρ) are constructed as a function of the ratio of the inner radius to the outer ρ (Fig. 9), which are necessary for determining the natural vibration frequencies.
Итак, обеспечив условие выполнения резонанса в статоре 1 (фиг.1, 2), получаем одновременное протекание двух процессов в нем: акустических вибраций (фиг.10-12) и течения (фиг.13, 14). Эпюры колебательных давлений и ускорений приведены на фиг.10-12, а скоростей течений - на фиг.13, 14. Эпюры течений содержат области повышенных скоростей, направленных в сторону выходных патрубков. Именно в этих зонах расположены форсунки 6 (фиг.1, 2) для впрыска дисперсной фазы в кольцевой резонатор 1. Наложение на течение высокочастотной вибрации и является механизмом производства высококачественной дисперсной системы.So, providing the condition for resonance in the stator 1 (Fig. 1, 2), we obtain the simultaneous flow of two processes in it: acoustic vibrations (Fig. 10-12) and flow (Fig. 13, 14). The diagrams of vibrational pressures and accelerations are shown in Figs. 10-12, and the flow velocities are shown in Figs. 13, 14. The diagrams of the currents contain regions of increased velocities directed towards the outlet pipes. In these zones,
Для проведения проектного анализа и расчета конструктивных параметров по вышеприведенным расчетным формулам построены номограммы сирены-диспергатора (фиг.15, 16). По ним наиболее легко подбирать ее основные конструктивные параметры: резонансные частоты колебаний обрабатываемой дисперсной системы, частоты вращения ротора, наружный и внутренний радиусы статора - резонансной камеры озвучивания и числа отверстий статора. Например, задаемся резонансной частотой колебаний ν и отношением внутреннего и внешнего радиусов резонатора ρ. Тогда по кривой ν(R) определяем соответствующий наружный радиус R, а по семейству прямых ν(f) подбираем комбинацию перфорации n и числа оборотов ротора f. Из номограмм видно, что для реально встречающихся практических систем параметры сирены легко реализуются. Так, в качестве привода вполне возможно использование самых распространенных низкооборотных асинхронных электродвигателей.To carry out design analysis and calculation of structural parameters according to the above calculation formulas, nomograms of the dispersant siren are constructed (Fig. 15, 16). It is most easy to select its main structural parameters from them: resonant frequencies of oscillations of the processed disperse system, rotor rotational frequencies, outer and inner radii of the stator - the resonant sounding chamber, and the number of stator holes. For example, we set the resonant vibrational frequency ν and the ratio of the internal and external radii of the resonator ρ. Then, from the curve ν (R), we determine the corresponding external radius R, and from the family of lines ν (f) we select a combination of perforation n and the number of rotor revolutions f. It can be seen from the nomograms that for real-life practical systems, 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 сирены-диспергатораAn example of calculating the parameters of a dispersant siren
Пусть обрабатываемой средой является ТВС, и требуется возбудить частоту ее обработки ν=500 Гц в кольцевом резонаторе с отношением внутреннего радиуса к наружному ρ=0.5.Let the processed medium be a fuel assembly, and it is required to excite its processing frequency ν = 500 Hz in a ring resonator with a ratio of internal radius to external ρ = 0.5.
Тогда по кривой ν(R) фиг.15, 16 находим необходимый наружный радиус резонаторной камеры: R=15 см. По семейству прямых ν(f) или по формулам:Then, along the curve ν (R) of Fig. 15, 16 we find the necessary external radius of the resonator chamber: R = 15 cm. According to the family of lines ν (f) or according to the formulas:
f=ν/(n+1)f = ν / (n + 1)
- для сирены на прямой вращающейся волне и- for a siren on a direct rotating wave and
f=ν/(n-l)f = ν / (n-l)
для сирены на обратной вращающейся волне, получаем возможные комбинации числа отверстий статора n и числа оборотов ротора f.for a siren on a reverse rotating wave, we obtain possible combinations of the number of stator holes n and the rotor speed f.
Из представленной таблицы видно, что для реальных практически важных случаев достаточно большого числа отверстий статора частота вращения ротора, обеспечивающая резонансное возбуждение вращающейся волны как прямой, так и встречной, одна и та же.It can be seen from the presented table that for real practically important cases of a sufficiently large number of stator openings, the rotor rotation frequency, which provides resonant excitation of a rotating wave, either direct or counter, is the same.
Итак, благодаря увеличению частоты вращения акустической волны ν в n±1 раз относительно частоты вращения ротора f и возбуждению низкочастотных двухузловых собственных форм колебаний кольцевого резонатора легко достигаются резонансные режимы в статоре при самых небольших частотах вращения ротора f, что и дает весьма простое надежное эффективное устройство для получения высококачественных дисперсных систем.Thus, due to an increase in the frequency of rotation of the acoustic wave ν by n ± 1 times relative to the frequency of rotation of the rotor f and the excitation of low-frequency two-node eigenmodes of oscillation of the ring resonator, resonant modes in the stator are easily achieved at the smallest frequencies of rotation of the rotor f, which gives a very simple reliable effective device for high quality dispersed systems.
Использованная литератураReferences
1. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Изд-во иностр. л-ры, 1957, 726 с.1. Bergman L. Ultrasound and its application in science and technology. M .: Publishing house of foreign countries. L-Ry, 1957, 726 p.
2. Свияженинов Е.Д. Гидроакустическая сирена. Патент на изобретение №2284229. Приоритет 28.04.04 (прототип).2. Sviyazheninov E.D. Hydroacoustic siren. Patent for invention No. 2284229. Priority 04/28/04 (prototype).
3. 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.3. Sviyazheninov E. D. Spectral methods for solving problems of oscillations of dissipative mechanical and electrodynamic systems with distributed parameters / dis ... doc. tech. Sciences, St. Petersburg, 1994, 432 p.
Claims (1)
f=ν/(n+1) - для диспергатора на прямой волне,
f=ν/(n-1) - для диспергатора на обратной волне,
,
где ν - частота создаваемых акустических колебаний в резонаторе, совпадающая с его низшей собственной частотой;
f - частота вращения ротора;
n - число отверстий статора;
R - внешний радиус резонатора;
с - скорость звука в дисперсной среде, поступающей в резонатор;
α=α(ρ) - низший корень трансцендентного уравнения частот:
,
где J1, N1 - соответственно функции Бесселя и Неймана первого порядка;
ρ - заданное отношение внутреннего радиуса кольцевого резонатора к наружному R. Dispersant siren, including a coaxially mounted cylindrical stator in the form of a ring acoustic resonator and a rotor, in adjacent surfaces of which through holes are evenly spaced around the circumference - windows, the number of which on the stator n and rotor n ± 1 differs by one for the implementation of the resonance line (associated , relative to the direction of rotation of the rotor) of the rotating acoustic wave - in the case of n + 1 or reverse (oncoming) - for n-1, the drive for uniform rotation of the rotor and the tangential output nozzles n and a stator in the direction of the corresponding rotating waves to output the disperse system, characterized in that for pumping the dispersed medium the siren rotor is equipped with an impeller, the blades of which are located between the windows, so that the number of blades is equal to the number of windows, and nozzles are made for the dispersed phase injection on the end surface of the stator , while the device parameters are selected from the expressions:
f = ν / (n + 1) - for a direct wave dispersant,
f = ν / (n-1) - for a backward-wave dispersant,
,
where ν is the frequency of the generated acoustic vibrations in the resonator, which coincides with its lowest natural frequency;
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 dispersed medium entering the resonator;
α = α (ρ) is the lowest root of the transcendental equation of frequencies:
,
where J 1 , N 1 - respectively, the Bessel and Neumann functions of the first order;
ρ is the given ratio of the inner radius of the ring resonator to the outer R.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007137419/28A RU2351406C1 (en) | 2007-10-09 | 2007-10-09 | Siren-dispersant |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007137419/28A RU2351406C1 (en) | 2007-10-09 | 2007-10-09 | Siren-dispersant |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2351406C1 true RU2351406C1 (en) | 2009-04-10 |
Family
ID=41014825
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007137419/28A RU2351406C1 (en) | 2007-10-09 | 2007-10-09 | Siren-dispersant |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2351406C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2679666C1 (en) * | 2018-04-10 | 2019-02-12 | Евгений Дмитриевич Свияженинов | Generator of resonant rotating acoustic waves |
-
2007
- 2007-10-09 RU RU2007137419/28A patent/RU2351406C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2679666C1 (en) * | 2018-04-10 | 2019-02-12 | Евгений Дмитриевич Свияженинов | Generator of resonant rotating acoustic waves |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6974305B2 (en) | Roto-dynamic fluidic systems | |
EP2918945A1 (en) | Method and apparatus for heating liquids | |
UA57185C2 (en) | Method and device for resonance excitation of liquids, method and plant for fractionating of hydrocarbon liquids | |
AU2018207118A1 (en) | Method and apparatus for heating and purifying liquids | |
RU2351406C1 (en) | Siren-dispersant | |
WO2012164322A1 (en) | Cavitation equipment to produce heated liquids, and procedure for the operation thereof | |
US10240774B2 (en) | Method and apparatus for heating and purifying liquids | |
RU2358812C1 (en) | Siren of opposite resonance waves picked up from single uniform-length rotor | |
RU2361683C1 (en) | Siren of opposite resonant waves picked up from single rotor, which is homogeneous in length | |
RU2344001C2 (en) | Alarm for oncoming resonant waves | |
RU2284229C2 (en) | Sonar syren | |
RU132148U1 (en) | JET PUMP | |
RU1768269C (en) | Rotor apparatus | |
RU2679666C1 (en) | Generator of resonant rotating acoustic waves | |
US2248459A (en) | High frequency sound generator | |
RU2591974C1 (en) | Rotor-pulsation apparatus | |
RU2350856C1 (en) | Heat and mass and energy exchange method and device for realisation thereof | |
RU2434674C1 (en) | Device for physicochemical treatment of fluids | |
US3344766A (en) | Rotating liquid whistle | |
US20060029491A1 (en) | Roto-dynamic fluidic systems | |
RU2335705C2 (en) | Method of operating steam boilers and hydrodynamic generator to this effect | |
RU175742U1 (en) | Hydroacoustic unit with flow modulation | |
RU2408439C1 (en) | Single-tone siren for counter-propagating waves | |
RU2374007C1 (en) | Axial alarm | |
RU2304261C1 (en) | Method and device for heat and mass exchange |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20101010 |