RU2634021C1

RU2634021C1 - Device for stabilising vortex flow

Info

Publication number: RU2634021C1
Application number: RU2016118130A
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Алексеенко; Юрий Степанович Попов; Сергей Иванович Шторк
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2017-10-23

Abstract

FIELD: machine engineering.

SUBSTANCE: device for stabilising vortex flow has a body with inlet and outlet branch pipes for vortex flow and a guide element located inside the body. The body is made in form of a hollow cylinder, which end flanges are provided with inlet and outlet branch pipes. The guide element is made in form of movable flat segments movably engaged with the body end flanges. An inner mechanism is provided for shifting the movable flat segments in a plane perpendicular to the vortex flow motion direction. The inner mechanism drive and additional branch pipe for introducing stabilising flow are mounted on side surface of the body. The inner mechanism is made in form of rotating cylindrical ring and locks which are rigidly fixed on movable flat segments and are kinematically joined with rotating cylindrical ring and the body end flanges.

EFFECT: improvement of technical and operational parameters of the device, providing smooth adjustment of the basic parameters of vortex flows, including high-enthalpy and cryogenic multiphase vortex flows.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к прикладной газодинамике, в частности к устройству для стабилизации вихревого потока.The invention relates to applied gas dynamics, in particular to a device for stabilizing a vortex flow.

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.The invention can be used in any industry where there is a need to obtain or use a vortex flow. For example, in vortex furnaces for burning a traditional type of fuel, as well as in cryogenic rocket carriers using various mixtures of liquefied cryogenic gases as fuel.

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.The use of translational-rotational motion of gas in vortex devices is dictated, first of all, by their effectiveness. Such devices are simple to manufacture and reliable in operation. However, when using a vortex flow, it is very important to maintain its main parameters (the ratio of the tangential and axial components of the velocity of the vortex flow) throughout its path, since any fluctuation or change in its parameters can lead to undesirable consequences. Namely, in vortex furnaces this leads to the burning or burning of the fuel used, and in a cryogenic rocket carrier, to a change in its thrust, and sometimes simply to disrupt the combustion process itself.

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.A device for stabilizing the vortex flow (RF patent No. 2471565, 2008, B04C 5/107), which is made in the form of a cylindrical rod mounted on a stabilizing plate and installed along the axis of the tubular body between its inlet and outlet pipes, is known. In this device, the vortex flow is stabilized by reducing its axial velocity and increasing, respectively, its tangential component, which, according to the author, serves as a good prerequisite for more efficient separation of solid inclusions from the vortex flow.

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.However, this method of using the vortex flow is very uneconomical and also completely unacceptable in devices using the vortex flow to intensify the process. For example, when intensifying the process of burning fuel in a cryogenic rocket carrier, it is desirable not only to maintain the main parameters of the vortex flow, but also to substantially increase them by choosing the optimal ratio of the tangential and axial components of the velocity of the vortex flow. In addition, the installation of such a device along the high enthalpy vortex flow is practically excluded due to the occurrence of purely thermal problems. Moreover, the absence of control elements in this device also negatively affects the separation process itself, since the dispersion of the concentration of solid particles in the vortex flow is always inevitable, and therefore, a decrease in the efficiency of its separation is inevitable. In the process of stabilization of vortex flows, the necessity of using control devices is very obvious due to the energy dissipation of the vortices themselves.

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.The closest set of principles to the claimed device should include the known method of stabilization of the vortex flow (RF patent No. 2174875 C2, 1999, B04C 5/04, B01D 45/12), including the introduction of a stabilizing gas through the tangential gap channels and stabilization due to changes axial and tangential velocity of stabilized flow. Moreover, in the process of stabilization, the living cross section of the stabilized flow is changed due to the displacement of the flat elements of the slotted channels in a plane perpendicular to the direction of motion of the stabilized flow.

Недостатком является то, что в нем предлагается только схема без каких-либо конструктивных решений и самой конструкции устройства.The disadvantage is that it only offers a circuit without any structural solutions and the design of the device itself.

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.The objective of the present invention is to remedy the above disadvantages and problems by implementing a new device for stabilizing the vortex flow. This problem is solved by achieving a technical result in the implementation of the claimed invention, which consists in obtaining a device for stabilizing the vortex flow with improved technical and operational parameters.

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.The problem is solved in that in the device for stabilizing the vortex flow, comprising a housing with inlet and outlet nozzles for a vortex flow and a guiding element located inside this housing, according to the invention, the housing is made in the form of a hollow cylinder, on the end flanges of which the input and output are fixed nozzles, and the guiding element is made in the form of movable flat segments movably conjugated with the end flanges of the housing, while for the displacement of the movable flat segments in the plane, perpendicular lar to the direction of motion of the vortex flow, the internal mechanism is provided, and on the side surface of the housing mounted drive mechanism and the internal pipe for the additional input of the stabilizing flow. The specified technical result is also achieved by the fact that the internal mechanism is made in the form of a rotating cylindrical ring and clamps, which are rigidly fixed to the movable flat segments and kinematically coupled to the rotating cylindrical ring and the end flanges of the housing.

На фиг. 1 показан общий вид устройства (в разрезе).In FIG. 1 shows a General view of the device (in section).

На фиг. 2 показано сечение А-А на фиг. 1 (привод внутреннего механизма и дополнительный патрубок для ввода стабилизирующего потока условно не показаны).In FIG. 2 shows a section AA in FIG. 1 (the drive of the internal mechanism and the additional pipe for introducing a stabilizing flow are not conventionally shown).

На фиг. 3 показан единичный плоский сегмент, сопряженный с фиксаторами и вращающимся цилиндрическим кольцом.In FIG. Figure 3 shows a single flat segment mated to latches and a rotating cylindrical ring.

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.The inventive device for stabilizing the vortex flow includes: a housing 1 (Fig. 1), made in the form of a hollow cylinder, end flanges 2, 3, on which the inlet pipe 4 and the outlet pipe 5 are placed, a guide element 6 made in the form of movable flat segments 7 (Fig. 2), a rotating cylindrical ring 8, clamps 9, clamps 10, actuator 11 (Fig. 1) of the internal mechanism and an additional pipe 12 (Fig. 1) for introducing a stabilizing flow.

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.The inventive device for stabilizing the vortex flow can be used in various installations, both to stabilize and to create a vortex flow. It can also be used as a mixer for producing multicomponent fuel or as a traction regulator in a cryogenic rocket carrier. It can also be used to intensify the combustion process of traditional hydrocarbon fuel in a vortex furnace or as a device for lowering hydraulic resistance when pumping multiphase media with a large inclusion of solid and viscous components (for example, crude oil with the inclusion of gas, water, sand and other solid particles) . In this case, regardless of the scope of its use, the operation of this device to stabilize the vortex flow can be conditionally divided into the following modes of its operation. The first is the standby mode, when the main vortex flow to be stabilized flows freely through this device without experiencing any resistance and without changing its parameters. This mode is the main one when pumping multiphase media due to the accumulation of precipitation. The second one is a pulsed or quasistationary mode of its operation, for example, when regulating the thrust of a cryogenic rocket carrier, when it is pulsed when a signal is supplied or simply from any program set in advance. And finally, the third is the stationary mode of its operation, when this device is used to intensify the combustion process of traditional hydrocarbon fuel in the combustion chamber of a conventional vortex furnace, or when it is used as a mixer for introducing additional reagents into the main stream.

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.Regardless of the operating modes, it operates as follows. The main vortex flow to be stabilized or regulated through the inlet pipe 4 (Fig. 1) enters the housing 1 and then, bypassing the guide element 6, through the pipe 5 is removed from the housing 1. In this case, the guide element 6, consisting of movable flat segments 7 (Fig. 2), is in its original position, namely, all movable flat segments 7 are tightly pressed against each other and to the end surfaces of the end flanges 2, 3 (Fig. 1). While in the stabilization mode, the guiding element 6 opens for a short period of time and passes part of the stabilizing flow into the housing 1. And since the movable flat segments 7 (Fig. 2) during their movement form tangential slotted channels, it stabilizes accordingly the flow swirls and pushes the main vortex flow closer to its axis. Subsequently, both vortex flows dissipate and, in the form of a single vortex flow, are removed from the device with altered axial and tangential components of the velocity of its vortex motion. In this case, the moving flat segments 7 (Fig. 2) can open at some predetermined frequency in a strict time interval, which is very beneficial for the regulation process itself. However, this does not exclude another mode of their opening, namely, their slow movement when a corresponding signal is supplied to the drive of the internal mechanism 11. So, for example, when adjusting the thrust, this period of time for their opening can vary from hundredths of a second to a minute or more, in while during the intensification of the process of traditional hydrocarbon fuel, this period of time can be calculated in hours or days. The very process of moving the movable flat segments 7 (Fig. 2) is carried out as follows: when a corresponding signal is supplied to the drive of the internal mechanism 11 (Fig. 1), the rotating cylindrical ring 8 (Fig. 2) rotates around its horizontal axis by a small angle . And since it is kinematically connected through the clamps 9 to the movable flat segments 7, the latter, in turn, also rotate around their axes defined by the clamps 10 by a small certain angle. Moreover, the small rotation angles of the rotating cylindrical ring 8 and the movable flat segments 7 can be immediately fixed or can begin to oscillate in this range of the angle of rotation with a predetermined frequency. The pulse mode of rotation of the movable flat segments 7 is sometimes energetically more beneficial than a simple slow opening and closing. With the pulsed action of the stabilizing flow on the stabilized vortex flow, the effect of water hammer is realized, which favorably affects devices designed for the urgent introduction of any high-speed reagent into the composition of the mixture. It should also be noted that in the stationary mode of operation of the device, the injection of the control flow forms an additional vortex flow, which squeezes the stabilized vortex flow from the moving flat segments 7. Due to this effect, a favorable situation is created when stabilizing high-enthalpy vortex flows, for example, directly in the vortex furnace or combustion chamber of a cryogenic rocket carrier. Moreover, as an actuator for displacing the rotating cylindrical ring 8 from its initial position, you can use both mechanical devices and electromagnetic drives (for example, a stepper motor or electromagnetic pusher), which will positively affect the operation of this device. Moreover, the movable flat segments 7 themselves can be made of solid heat-resistant materials with appropriate treatment of contact surfaces (for example, using detonation spraying technology), which will ensure their trouble-free operation with highly enthalpy and chemically active vortex flows. All of the above does not exclude the operation of this device at ultra-low temperatures, for example, the temperature of liquid hydrogen or liquid helium.

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.The technical effect of using the invention is as follows. The proposed device for stabilizing the vortex flow is very simple to implement and reliable during operation. With its help, it is possible to realize both the intensification of the combustion process and its stabilization in any facilities, including in astronautics, energy and the chemical industry. This device is also applicable for creating a vortex flow and can serve as a locking device (gate) in any energy complexes. Elements that provide overlapping in this device can be manufactured using any technology, including casting, stamping or hot sintering. But the main advantage of this device is that with its help it is possible to carry out smooth (without any pulsations and jumps) regulation of the main parameters of any vortex flow, including highly enthalpy and cryogenic multiphase vortex flows.

Claims

1. Device for stabilizing the vortex flow, comprising a housing with inlet and outlet nozzles for a vortex flow and a guiding element located inside the housing, characterized in that the housing is made in the form of a hollow cylinder, on the end flanges of which the inlet and outlet nozzles are fixed, and the guiding element made in the form of movable flat segments movably conjugated with the end flanges of the housing, while to displace the movable flat segments in a plane perpendicular to the direction of movement of the vortex flow and, the internal mechanism is provided, and on the side surface of the housing mounted drive mechanism and the internal pipe for the additional input of the stabilizing flow.

2. The device according to claim 1, characterized in that the internal mechanism for displacing the flat segments is made in the form of a rotating cylindrical ring and latches that are rigidly fixed to the movable flat segments and kinematically coupled to the rotating cylindrical ring and the end flanges of the housing.