RU2760511C1

RU2760511C1 - Hydrodiode

Info

Publication number: RU2760511C1
Application number: RU2021114581A
Authority: RU
Inventors: Виктор Евгеньевич Щерба; Сергей Юрьевич Кайгородов; Александр Павлович Болштянский
Priority date: 2021-05-24
Filing date: 2021-05-24
Publication date: 2021-11-25

Abstract

FIELD: fluid flow control.

SUBSTANCE: invention relates to the field of control or regulation of fluid flow and can be used in various hydraulic systems, in which it is necessary to regulate the flow parameters at low and medium pressures, including as shut-off elements of periodic hydraulic machines (for example, in pumps). The hydrodiode has a housing containing upper (1) and lower (2) plates and side walls (3) and (4) tightened by threaded fasteners (5) to form a rectangular channel (6) for the passage of a liquid medium. In this channel, along it, on its two opposite sides (plates (1) and (2)), in the grooves (7), pairs of rigid plates (8) are installed, inclined at an angle α towards the forward flow and having an overhang length l. The distance between the two plates along the channel (6) is equal to l ⋅ cos α . The number of pairs of plates is in the range 4÷8. The tilt angle is in the range of 20÷40 degrees. When the flow passes directly, it practically does not encounter resistance, and the flow rate in the forward flow practically does not differ from the flow rate through the channel, the flow area of which is equal to the area of the channel (6) free of plates (8). In the reverse flow, part of the flow is deflected by the plates (8) towards the surface of the plates (1) and (2), rests against the pocket between the plates with the formation of a reverse flow and a vortex that impede the movement of the liquid, due to which the hydraulic resistance of the hydrodiode increases significantly.

EFFECT: dimensions, weight and manufacturing costs are reduced, and the diode capacity is increased.

3 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к области управления или регулирования расхода жидкости и может быть использовано в различных гидравлических системах, в которых необходимо регулировать параметры потоков при низких и средних давлениях, в том числе в качестве запорных органов гидравлических машин периодического действия (например, в насосах).The invention relates to the field of control or regulation of fluid flow and can be used in various hydraulic systems, in which it is necessary to regulate the flow parameters at low and medium pressures, including as shut-off elements of periodic hydraulic machines (for example, in pumps).

Известны гидравлические диоды (в дальнейшем - гидродиоды), содержащие канал с установленными в нем элементами, имеющими поверхности с наклоном в сторону прямого потока (см., например, Носов Е.Ю. Повышение эффективности работы гидропневматических агрегатов с катящимся ротором. Автореферат дисс. канд. наук., 2009 г., стр. 14, рис. 12).Known hydraulic diodes (hereinafter - hydrodiodes), containing a channel with elements installed in it, having surfaces inclined towards the direct flow (see, for example, Nosov E.Yu. Improving the efficiency of hydropneumatic units with a rolling rotor. . sciences., 2009, p. 14, fig. 12).

Наиболее близким к заявляемому техническому устройству является гидродиод, содержащий канал прямоугольного сечения для прохода жидкой или газообразной среды, в котором на двух противоположных сторонах канала установлены пары жестких пластин, наклоненных под углом в сторону прямого потока (см. Носов Е.Ю. Повышение эффективности работы гидропневматических агрегатов с катящимся ротором. Автореферат дис. канд. наук., 2009 г., стр. 12, рис. 6).Closest to the claimed technical device is a hydrodiode containing a rectangular channel for the passage of a liquid or gaseous medium, in which pairs of rigid plates are installed on two opposite sides of the channel, inclined at an angle towards the forward flow (see E.Yu. hydro-pneumatic units with a rolling rotor. Abstract of the thesis. Cand. Sci., 2009, p. 12, Fig. 6).

Недостатком известных конструкций является их низкая диодность (отношение расхода прямого потока к расходу потока в обратном направлении), особенно при работе на низких и средних давлениях жидкости, и существование неопределенности в оптимальном количестве пар таких пластин, что заставляет проектировщика использовать их большое количество, что, в свою очередь, увеличивает габариты, массу и технологическую сложность изготовления гидродиодов.The disadvantage of the known designs is their low diode capacity (the ratio of the flow rate of the forward flow to the flow rate in the opposite direction), especially when operating at low and medium fluid pressures, and the existence of uncertainty in the optimal number of pairs of such plates, which forces the designer to use a large number of them, which, in turn, increases the dimensions, weight and technological complexity of the manufacture of hydrodiodes.

Технической задачей изобретения является снижение материалоемкости, габаритов и технологической сложности изготовления гидродиодов, а также повышение их диодности при работе на низких и средних давлениях и жидкости.The technical objective of the invention is to reduce the consumption of materials, dimensions and technological complexity of the manufacture of hydrodiodes, as well as to increase their diode capacity when operating at low and medium pressures and liquids.

Данный технический результат достигается тем, что в известном гидродиоде, содержащем канал прямоугольного сечения для прохода жидкой среды, в котором на двух противоположных сторонах вдоль канала установлены пары жестких пластин, наклоненных под углом в сторону прямого потока, согласно изобретению, пластины установлены относительно друг друга на расстоянии В , определяемом по формуле В = l ⋅ cos α , где l - длина выступающей в канал части пластины, α - угол наклона плоскости пластин к стенке канала, в которую пластины вмонтированы. Кроме того, количество пар пластин, установленных в канале, может находиться в диапазоне 4÷8 штук, при этом меньшее число соответствует рабочей жидкости с высокой кинематической вязкостью, например, 24 мм²/с, а большее - с низкой кинематической вязкостью, например, 6 мм²/с, и угол наклона пластин, равный углу между плоскостью пластин и плоскостью стенки канала, в которую пластины установлены, может находиться в диапазоне 20÷40 градусов, при этом меньшее число соответствует рабочей жидкости с низкой кинематической вязкостью, а большее - с высокой кинематической вязкостью.This technical result is achieved by the fact that in the known hydrodiode containing a rectangular channel for the passage of a liquid medium, in which pairs of rigid plates are installed on two opposite sides along the channel, inclined at an angle towards the forward flow, according to the invention, the plates are mounted relative to each other on distance B , determined by the formula B = l ⋅ cos α , where l is the length of the part of the plate protruding into the channel, α is the angle of inclination of the plane of the plates to the wall of the channel, into which the plates are mounted. In addition, the number of pairs of plates installed in the channel can be in the range of 4 ÷ 8 pieces, while a smaller number corresponds to a working fluid with a high kinematic viscosity, for example, 24 mm ² / s, and a larger number - with a low kinematic viscosity, for example, 6 mm ² / s, and the angle of inclination of the plates, equal to the angle between the plane of the plates and the plane of the channel wall, in which the plates are installed, can be in the range of 20 ÷ 40 degrees, while the lower number corresponds to the working fluid with low kinematic viscosity, and the larger - with high kinematic viscosity.

Сущность изобретения поясняется чертежами. The essence of the invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показано продольное сечение гидродиода, а на фиг. 2 - его поперечное сечение плоскостью А-А.FIG. 1 shows a longitudinal section of a hydrodiode, and FIG. 2 - its cross-section by plane AA.

На фиг. 3 показан фрагмент конструкции с обозначениями размера выступающей части пластин и их расстоянием друг от друга.FIG. 3 shows a fragment of the structure with designations of the size of the protruding part of the plates and their distance from each other.

На фиг. 4 показан диод в процессе прохождения по нему потока жидкости в прямом направления (слева - направо), а на фиг. 5 - в обратном направлении (справа - налево).FIG. 4 shows a diode in the process of a liquid flow passing through it in the forward direction (from left to right), and in Fig. 5 - in the opposite direction (from right to left).

На фиг. 6 показан обобщенный график зависимости диодности D от угла α наклона пластин при течении маловязких жидкостей.FIG. 6 shows a generalized graph of the dependence of the diode D on the angle α of inclination of the plates in the flow of low-viscosity liquids.

На фиг. 7 показан обобщенный график зависимости диодности D от числа пар пластин N при работе гидродиода с маловязкими жидкостями.FIG. 7 shows a generalized graph of the dependence of diode D on the number of pairs of plates N during operation of the hydrodiode with low-viscosity liquids.

На фиг. 8 показан обобщенный график зависимости диодности D от оптимального расстояния между пластинами вдоль канала гидродиода, характерном как для вязких, так и для маловязких жидкостей.FIG. 8 shows a generalized graph of the dependence of diode D on the optimal distance between the plates along the hydrodiode channel, which is typical for both viscous and low-viscosity fluids.

Гидродиод (фиг. 1 и 2) имеет корпус, содержащий верхнюю 1 и нижнюю 2 плиты и боковые стенки 3 и 4, стянутые резьбовыми креплениями 5 с образованием канала прямоугольного сечения 6 для прохода жидкой среды. В этом канале вдоль него на двух его противоположных сторонах (плитах 1 и 2) в пазах 7 установлены пары жестких пластин 8, наклоненных под углом α (см. также фиг. 3) в сторону прямого потока. The hydrodiode (Fig. 1 and 2) has a housing containing upper 1 and lower 2 plates and side walls 3 and 4 tightened by threaded fasteners 5 to form a rectangular channel 6 for the passage of a liquid medium. In this channel along it on its two opposite sides (plates 1 and 2) in the grooves 7 there are pairs of rigid plates 8 inclined at an angle α (see also Fig. 3) towards the forward flow.

Угол α наклона пластин равен углу между плоскостью пластин 8 и плоскостью стенок канала (плит 1 и 2), в которые пластины 8 установлены. The angle α of inclination of the plates is equal to the angle between the plane of the plates 8 and the plane of the channel walls (plates 1 and 2) in which the plates 8 are installed.

Расстояние В между пластинами равно произведению l ∙ cos α , где l - длина выступающей в канал 6 части пластин 8, и α - угол наклона пластин. The distance B between the plates is equal to the product l ∙ cos α , where l is the length of the part of the plates 8 protruding into the channel 6, and α is the angle of inclination of the plates.

Гидродиод работает следующим образом (фиг. 4 и 5).Hydrodiode works as follows (Fig. 4 and 5).

При прямом прохождении потока (фиг. 4) линии тока (обозначены стрелками) практически не встречают сопротивление, и жидкость течет, огибая наклонные в сторону потока пластины. В связи с этим расход жидкости в прямом потоке практически не отличается от расхода через канал, проходное сечение которого равно площади канала 6, свободной от пластин 8.When the flow passes directly (Fig. 4), the streamlines (indicated by arrows) practically do not encounter resistance, and the liquid flows, bending around the plates inclined towards the flow. In this regard, the flow rate of the liquid in the direct flow practically does not differ from the flow rate through the channel, the flow area of which is equal to the area of the channel 6, free of plates 8.

При обратном течении жидкости (фиг. 5) часть потока жидкости (обозначена стрелками) отклоняется наклонными пластинами 8 в сторону поверхности плит 1 и 2, «упирается» в карман между пластинами с образованием обратного течения и вихря, препятствующих движению жидкости, из-за чего гидравлическое сопротивление гидродиода существенно превышает сопротивление течению жидкости в прямом потоке. В связи с этим, расход жидкости в обратном направлении кратно ниже расхода жидкости в прямом направлении.When the liquid flows back (Fig. 5), part of the liquid flow (indicated by arrows) is deflected by inclined plates 8 towards the surface of plates 1 and 2, "rests" on the pocket between the plates with the formation of a reverse flow and a vortex that impede the movement of the liquid, due to which the hydraulic resistance of the hydrodiode significantly exceeds the resistance to the flow of the liquid in the forward flow. In this regard, the liquid flow rate in the reverse direction is multiples of the liquid flow rate in the forward direction.

Вышеописанная работа гидродиода оценивается диодностью D , которая равна отношению расхода при прямом течении жидкости Q _ПР к расходу жидкости в обратном направлении Q _ОБ при одном и том же давлении на входе в гидродиод: D = Q _ПР / Q _ОБ . The above-described operation of the hydrodiode is estimated by the diode D , which is equal to the ratio of the flow rate in the forward flow of liquid Q _PR to the flow rate of liquid in the opposite direction Q _OB at the same pressure at the inlet to the hydro diode: D = Q _PR / Q _OB .

При этом следовало бы ожидать, что чем больше по длине канала гидродиода установлено пар пластин, тем сильнее отличаются прямой и обратный потоки, и диодность должна быть больше.In this case, one would expect that the more pairs of plates are installed along the length of the hydrodiode channel, the more the forward and reverse flows differ, and the diode must be greater.

Однако проведенными экспериментальными исследованиями установлено, что диодность практически перестает расти после установки в канале гидродиода определенного числа пар пластин, то есть диодность, например, при работе на невязких маслах типа И-5а и воде при количестве пар пластин 8-ми шт. больше, чем при установке 7-ми или менее пар пластин, но дальнейшее увеличение количества пар пластин практически этот параметр не увеличивает. Причем, снижение роста диодности начинает явно наблюдаться уже при увеличении количества пар пластин с 5-ти и далее. Оптимальное предельное количество работающих пар пластин зависит также от вязкости жидкости. Для наиболее вязких жидкостей типа 75W (трансмиссионное масло) предельное оптимальное количество пар пластин равно 4-м.However, it was found by experimental studies that the diode capacity practically ceases to grow after installing a certain number of pairs of plates in the hydrodiode channel, that is, diode, for example, when working on non-viscous oils of the I-5a type and water with 8 pairs of plates. more than when installing 7 or less pairs of plates, but a further increase in the number of pairs of plates practically does not increase this parameter. Moreover, a decrease in the growth of diode begins to be clearly observed already with an increase in the number of pairs of plates from 5 and further. The optimal limiting number of working pairs of plates also depends on the viscosity of the fluid. For the most viscous fluids of the 75W type (gear oil), the maximum optimal number of pairs of plates is 4.

Визуальное наблюдение через прозрачные стенки 3 и 4 за потоком жидкости в гидродиоде, в том числе с применением подкрашенной алюминиевой пудрой жидкости, позволило установить, что относительно высокое гидравлическое сопротивление гидродиода такой формы при течении обратного потока приводит к появлению мельчайших пузырьков воздуха (изображены на фиг. 5 в виде небольших окружностей). Visual observation through transparent walls 3 and 4 behind the fluid flow in the hydrodiode, including with the use of a liquid tinted with aluminum powder, made it possible to establish that the relatively high hydraulic resistance of the hydrodiode of this shape during the reverse flow leads to the appearance of tiny air bubbles (shown in Fig. 5 as small circles).

Воздух, который ранее находился в жидкости в растворенном состоянии, выделяется из нее в связи со снижением в ней давления из-за нарастающего гидравлического сопротивления. Этот процесс начинается примерно в зоне установки 4-5-й пар пластин 8 (для маловязких жидкостей), и далее развивается, что существенно влияет на физико-механические свойства жидкости и условия ее течения через препятствия, т.к. она теряет свою упругость. Это сначала снижает вихреобразование, а потом и сводит его на «нет». Air, which was previously in a liquid in a dissolved state, is released from it due to a decrease in pressure in it due to an increasing hydraulic resistance. This process begins approximately in the installation zone of the 4th-5th pair of plates 8 (for low-viscosity liquids), and then develops, which significantly affects the physicomechanical properties of the liquid and the conditions for its flow through obstacles, since it loses its elasticity. This first reduces vortex formation, and then reduces it to "no".

Это явление отражено на фиг. 7, где показано, что сначала при увеличении числа пар пластин N диодность растет, потом ее рост в зоне между четырех и шести пар пластин замедляется, и при N = 8 рост диодности практически прекращается.This phenomenon is reflected in FIG. 7, where it is shown that, first, with an increase in the number of pairs of plates N, the diode increases, then its growth in the zone between four and six pairs of plates slows down, and at N = 8 the growth of diode practically stops.

При исследовании жидкостей с высокой вязкостью этот эффект наблюдается уже на второй-третьей паре пластин. When studying liquids with high viscosity, this effect is observed already on the second or third pair of plates.

Зависимость между предельным оптимальным количеством пар пластин от вязкости жидкости является практически линейной.The relationship between the limiting optimal number of pairs of plates on the viscosity of the liquid is almost linear.

В связи с этим при изготовлении гидродиода данной конструкции достаточно ограничиться предельным оптимальным количеством пар пластин, что исключает неопределенность при проектировании и дает возможность снизить материалоемкость, габариты и затраты на изготовление гидродиода.In this regard, in the manufacture of a hydrodiode of this design, it is sufficient to restrict oneself to the maximum optimal number of pairs of plates, which eliminates the uncertainty in the design and makes it possible to reduce the material consumption, dimensions and costs of manufacturing the hydrodiode.

Экспериментальные исследования также показали, что существует явный оптимум по углу наклона пластин ϕ , что отражено на фиг. 6 в виде графика, из которого становится ясным, что в гидродиоде данной конструкции при работе на маловязких жидкостях оптимальным углом наклона пластин является угол, равный 20-ти градусам. При работе на жидкостях с большой вязкостью этот угол равен 40-ка градусам. Зависимость оптимального угла наклона пластин от вязкости жидкости практически линейная. Выполнение этого условия позволяет изготавливать гидродиоды с максимальной диодностью.Experimental studies have also shown that there is a clear optimum in the angle of inclination of the plates ϕ , which is reflected in Fig. 6 in the form of a graph, from which it becomes clear that in a hydrodiode of this design, when operating on low-viscosity liquids, the optimal angle of inclination of the plates is an angle equal to 20 degrees. When working on fluids with high viscosity, this angle is 40 degrees. The dependence of the optimal angle of inclination of the plates on the viscosity of the liquid is almost linear. Fulfillment of this condition makes it possible to manufacture hydrodiodes with maximum diode capacity.

Проведенные натурные опыты также выявили влияние расстояния между пластинами В на диодность, что отражено на графике, изображенном на фиг. 8. Установлено, что в гидродиоде такой конструкции оптимальным, обеспечивающим максимальную диодность расстоянием между пластинами, является расстояние В , определенное по формуле В = l ⋅ cos α , причем это условие не зависит от вязкости жидкости.The conducted field experiments also revealed the effect of the distance between the plates B on the diode, which is reflected in the graph shown in Fig. 8. It was found that in a hydrodiode of this design, the optimal distance between the plates providing the maximum diode capacity is the distance B , determined by the formula B = l ⋅ cos α , and this condition does not depend on the viscosity of the liquid.

Таким образом, следует признать, что поставленная техническая задача полностью выполнена, и предлагаемые конструктивные соотношения позволяют сделать гидродиод с минимальными габаритами, при минимальных затратах на материал и изготовить его с максимальной диодностью. Thus, it should be recognized that the technical task in question has been fully accomplished, and the proposed design ratios make it possible to make a hydrodiode with minimum dimensions, at minimum material costs, and to manufacture it with maximum diode capacity.

Claims

1. A hydrodiode containing a rectangular channel for the passage of a liquid medium, in which pairs of rigid plates are installed on two opposite sides along the channel, inclined at an angle towards the forward flow, characterized in that the plates are installed relative to each other at a distance B determined by the formula В = l⋅cos α , where l is the length of the part of the plate protruding into the channel, α is the angle of inclination of the plane of the plates to the wall of the channel, into which the plates are mounted.

2. The hydrodiode according to claim 1, characterized in that the number of pairs of plates installed in the channel is in the range of 4–8 pieces, while the smaller number corresponds to the working fluid with high kinematic viscosity, and the larger number corresponds to the low kinematic viscosity.

3. Hydrodiode according to claim 1, characterized in that the angle of inclination of the plates, equal to the angle between the plane of the plates and the plane of the channel wall, in which the plates are installed, is in the range of 20 ÷ 40 degrees, while a smaller number corresponds to a working fluid with low kinematic viscosity , and more - with high kinematic viscosity.