Способ преобразования потока сплошной среды и устройство для его осуществления

п 9)РЦ 15.Р 1 ОБРЕТ н обми за- опь- ечного рася ось моное се- дного хность нками ом. 2 ВЫХОДНЫХ СЕЧЕНИИ, врацения. Каналканалов и торцовымсп,6 зл ф-лы,5 ип Комитет Российской Федераци о патентам и товарным знака ОПИСАНИЕК ПАТЕНТУ(7 б) Кикнадзе Геннадий Иракпиевич; Гачечиладзе Иван Александрович, Олейников Валерий Григорьв(М) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОТОКА СПЛОШНОЙОБЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОЮУЩЕСТВ.ЛЕНИЯСущноаь изобретения: подаот сппошную среду в осесимметричное пространство по множеаву . траекторий. Каждая траектория имеет вид винтовой линии с монотонно убывакхцим яр ходу движения потока радиусом Площадь поперечного сече- ния каждого отдельного потока, движущегося по траектории, плавно уменьшается по ходу движения потока Полученные потоки объединяют в одищий поток Винтовая линия имеет вид опиСывмый в цилиндрических координатах заданнывисймостями. Цпя преобразования потока испзуют множество каналов замкнутого поперсечения, имеющих входные сечения, располОжные во втускной полости, и выходные сечения,положеннье в выпускной полости. Продольнакаждого канала Имеет вид винтовой линии стонно уменьшакхцимся.радиусом Поперечночение каждого канала плавно убывает от вхосечения до выходного. Геометрическим меканапов является поверОбразован оболочкой, стеОграиичивающим элемент(ИО )ООЙх =3,7 10Вео 5 10,(1) (2) Изобретение относится к энергетике и,в частности, касается способа и устройствадля преобразования потока сплошной среды,Изобретение может быть использовано 5в ветроэнергетике, в различных гидравлических и газодинамических системах, напри-.мер, при использовании энергии воды. параили газа для производства механическойэнергии, а также везде, где требуется создать закрученный поток и обеспечить пропуск больших расходов сплошной средычерез малые поперечные сечения с высокойэффективностью, т.е, с малыми гидравлическими потерями. Кроме того, изобретениеможет найти поименение в двигателях внутреннего сгорания, различных горелочных итопочных устройствах и технологическихустановках, в газовых лазерах и устройствах,использующих плазму. Изобретение также 20может найти применение в экспериментальных установках для исследования природных явлений, связанных с изучениемдинамических явлений в сплошных средах,в частности, при исследованиях атмосферных процессов, таких как возникновение иразвитие смерчевых потоков.Известны способы преобразования турбулентного потока сплошной среды, при которых преобразуют поток, например, путем 30создания безотрывного течения, что приводит к снижению и упорядочению вихреобразования в нем (патент США В Зб 16693, кл,О 01 Р 1/00, 1971). При этом возможна линеаризация косвенных показателей потока, 35т.е, обеспечивается линейная зависимость.частоты прецессии вихревой составляющейот расхода для линеаризации показанийрасходомера, но не обеспечивается снижение гидравлических потерь и качественное 40преобразование течения, которое по существу остается турбулентным,Известен способ ламинаризации турбулентного потока сплошной среды, при котором площадь поперечного сечения 45турбулентного потока сплошной средыплавно уменьшают по ходу движения потока, имеющего прямолинейную продольнуюось (Рате, Ч.СНеаб, М,В., Вечегз 1 оп о 1ТагЬц 1 ем, о 1 ав 1 паг Р 1 ов, .1 г. о 1 Р 1 о 1 б 50Месбап 1 са, 19 б 8, ч,34, р,371), При этом действительно обеспечивается ламинаризациятурбулентного потока. Однако при такомспособе ламинаризация возможна только вслучае, если выполняются следующие соотношения где т - кинематическая вязкость сплошной среды;О(х) - зависимость линейной скорости потока от координаты х вдоль продольной оси потока;.Вер - число Рейнольдса по эквивалентному диаметру сечения потока.Указанные условия ограничивают пропускаемый расход по верхнему пределу ввиду того, что ламинаризация обеспечивается лишь при определенных приращениях линейной скорости потока на выбранной длине участка магистрали, на которой происходит кратное в пределах порядка величины ее изменение. Так, например, для турбулентного потока воздуха при скорости порядка 10 м/с расстояние, на котором поперечное сечение потока изменяется в 2 раза, не должно превышать 0,3 м, Однако по . условию (2) такая длина может быть использована только в определенном диапазоне Веп. Указанный способ ламинаризации ограничен определенными геометрическими и расходными параметрами турбулентного потока, что не позволяет универсально применять его в различных областях техники.КроМе того, хотя получаемый ламинаризованный поток характеризуется пониженным сопротивлением и сниженными потерями, его энергетическая структура существенно не изменяется, т.е, такой поток характеризуется лишь пониженным вихре- образованием, но не обладает качественно новыми свойствами. Следует отметить динамическую нестабильность указанного способа ламинаризации, поскольку при любых внешних возмущающих факторах(колебания расхода, вибрации, колебания температуры и вязкости) происходит нарушение процесса ламинаризации, что приводит к возобновлению вихреобразования со всеми вытекающими отрицательными последствиями, например к потере устойчивости, выражающейся в вибрации стенок канала. В ряде технических применений этот недостаток может оказаться решающим,Предлагаемый способ и устройство не имеют прототипа.В основу изобретения положена задача создания способа и устройства для преобразования потока сплошной среды, при которых траекторию и поперечное сечение потока изменяют так и поток формируют так, чтобы получить из турбулентного потока течение, обладающее новыми свойствами по сравнению как с ламинарным, так и с турбулентным потоком,Для этого в способе преобразования потока сплошной среды сплошную среду под 2002328ают в осесимметричное пространство по множеству траекторий, каждая из которых имеет вид винтовой линии с монотонно убывающим по ходу движения потока радиу-сом, при этом площадь поперечного 5 сечения каждого отдельного потока, движущегося по указанной траектории; плавно уменьшают по ходу движения потока, и обьединяют полученные потоки в один общий 0 поток,При таком способе обеспечивается затухание вторичных вихревых течений. Это приводит к устойчивой ламинаризации и созданию НОВОГО типа потока иэ множества ламинаризованных потоков, что обусловлено конфуэорностью винтовых траекторий и силами инерции, возникающими при движении по таким траекториям. Ламинариэация отдельных потоков и объединение 15 20 полученных ламинаризованных потокоМ в один общий поток обеспечивают формирование течения, которое не является ни ламинарным,ни турбулентным в традиционном понимании. Это происходит 25 вследствие того, что эффективная вихревая вязкость среды, движущейся в этом течении, аномально мала, а само течение представляет собой смерчеобразный поток, характеризующийся устойчивостью к возтурбулентного потока, равномерности профиля осевой скорости по сечению потока и притаком распределении вращательной составляющей скорости потока, при котором 35 отсутствует ее.резкое отличие от скоростей в других частях поперечного сечения, При этом полученный поток также обладает повышенной устойчивостью к внешним воздействиям еще и потому, что силы инерции в потоке превалируют над силами, обусловленными вязкостью движущейся среды.При этом обеспечивается резкое сниже 40 ние сопротивления каналов движению та ких потоков, т.е. снижение гидравлических потерь, что приводит к увеличению пропускной способности каналов и транспортных магистралей для газов, жидкостей, их двух 50 фаэных и многокомпонентных смесей и повышению эффективности их движения и/или использования для преобразования энергии. Монотонное уменьшение радиуса винтовой траектории потока обеспечивает рост аэимутальной составляющей скорости пОтока, что приводит к интенсификации закрутки потока.Траектория потока предпочтительно имеет вид винтовой линии, описываемой в действию внешних факторов. 8 таком потоке происходит формоизменение егопоперечного сечения при большей, чем у цилиндрических координатах следующимизависимостями(4) где г, р и Е - цилиндрические координаты;дрчу - вращательная и радиальная составляющие скорости в начале траектории;йо и В - радиальные координаты начала и коняа траектории;и - степень изменения радиуса винтовой линии;С и О - константы, характеризующие траекторию.При этом ОбеспечиваетСя минимизация гидравлических потерь и снижение вихре- образования.Траектория потока может иметь вид винтовой линии с монотонно увеличиваюЩимся по ходу потока шагом. При этом уменьшается степень закрутки потока, что приводит к снижению вращательной составляющей его скорости.Траектория потока может иметь вид винтовой линии с монотонно уменьшающимся по ходу потока шагом. При этом обеспечивается дополнительная закрутка потока, что приводит к увеличению вращательной составляющей его скорости.Поставленная задача решается также с помощью устройства для преобразования потока сплошной среды, содержащего множество каналов замкнутого поперечного сечения, имеющих входные сечения, расположенные во впускной полости устройства, и выходные сечения, расположенныев выпускной полости устройства, при этом продольная ось каждого канала имеет вид винтовой линии с монотонно уменьшающимся радиусом, поперечное сечение каждого канала плавно убывает от входного сечения до выходного, а геометрическим местом выходных сечений каналов является поверхность Вращения.Применение указанного устройстваобеспечивает эффективное закручивание потока при резком снижении сопротивления каналов его движению, т.е. при снижении гидравлических потерь, что приводит к эффективному преобразованию перепада давления В энергию вращения преобразованного потока и увеличению пропускной способности каналов или транспортных магистралей. Это происходит благодаря затуханию вихревых течений в каналах чкаэанной формы, что приводит к устойчи 2002128чвой ламинаризации и созданию нового типа потока из множества ламинаризованных потоков,Продольная ось каждого 1-го канала предпочтительно имеет вид винтовой линии, описываемой в цилиндрических координатах следующими зависимостями (3) и(5)С и О - константц, характеризующие каждый 1-й канал,Продольная ось каждого канала может иметь вид винтовой линии с монотонно увеличивающимся по ходу потока шагом, При этом уменьшается сепень закрутки потока, что приводит к снижению вертикальной составляющей скорости потока и обеспечивает плавное сопряжение устройства с вцпуСкным трактом.Продольная ось каждого канала может иметь вид винтовой линии с монотонно уменьшающимся по ходу патока шагом, При этом обеспечивается дополнительная закрутка потока, что приводит к увеличению вращательной составляющей его скорости и обеспечивает плавное сопряжение устройства с впускным трактом,Каналы могут быть расположены по меньшей мере в две ступени, при этом одна из стенок канала каждой следующей ступени образована одной иэ стенок канала предыдущей ступени,В этом случае появляется возможность увеличения расхода сплошной среды, проходящей через устройство, а следовательно, и мощности, отбираемой от потока сплошной среды при том же поперечном габарите устройства,Каналы образованы оболочкой в виде поверхности вращения и стенками, расположенными между внутренней поверхностью оболочки и торцовым ограничивающим элементом, при этом форма торцового ограничивающего элемента описывается в цилиндрических координатах следующей зависимостью2(е) где Е - константа, определяющая габариты торцовога ограничивающего элемента.При такой конструкции, уменьшается образование вторичных вихревых течений, что повышает эффективность устройства.На фиг.1 изображено предлагаемое устройство, предназначенное для осуществления способа преобразования потока сплошной среды, частичнцй разрез; нфиг,2 - вариант расположения продольной оси одного из каналов устройства, имеющей вид винтовой линии с монотонно убывающим по ходу потока шагом; на фиг.З - вариант конструкции предлагаемого устройства с частичным разрезом с радиальным подводом потока сплошной среды; на фиг.4 - прадальный разрез части предлагаемого устройства с многоступенчатой системойканалов; на фиг,5 - вид сверху боковых сте.нок одного из каналов многоступенчатой системы каналов,10 Предлагаемый способ преобразованиятурбулентнога потока сплошной среды осуществляют следующим образом (фиг.1).Множество турбулентных потоков сплошной среды подают в осесимметричное пространство по множеству траекторий А-А 1 - Н - Н 1(фиг,1)= каждая из которых имеет вид винтовой линии, при этом площадь пойеречного сечения ЯА-Ян каждого отдельного потока плавно уменьшают по ходу движенйя потока, объединяют полученные потоки в один общий поток, обозначенныйстрелкой 3. Каждая траектория А - А 1 - Н - Н 1 (фиг,1) потока предпочтительно имеет вид винтовой линии, описываемой в цилиндрических траектории А-А 1 - Н-Н 1 обеспечивается затухание вторичных вихревых течений, что приводит к устойчивой ламинаризации и созданию из множества ламинаризированнцх потоков нового типа потока А который не является ни ламинарным, ни турбулентным в традиционном понимании благодаря тому, что силы инерции превалируют над силами, обусловленными вязкостью движущейся среды, так как каждый поток движется по траектории А-А 1 - Н-Н 1, а его поперечное сечение ЯА-Ян плавно уменьшается. При этом эффективная вихревая вязкость этого потока аномально мала, поток является смерчеобразным, характерйзующимся повышенной устойчивостью к воздействию внешних факторов и,формоизменениям поперечного сечения потока. В таком потоке происходят формоизменения 50 его поперечного сечения при большей, чем у турбулентного потока, равномерности профиля осевой скорости по сечению потока и при таком распределении вращательной составлвощей скорости потокапри котором отсутствует ее резкое отличие по оси вращения от скоростей в других частях поперечного сечения. При этом полученный поток также обладает повышенной устойчивостью к внешним воздействиям еще и потому, что силы инерции в потоке координатах зависимостями (3), (4).ЗО- При прохождении каждого потока попревалируют над силами, обусловленными вязкостью движущейся среды.Этот новый поток 1 также обеспечивает новый эффект дополнительного разрежения вдоль своей оси и эффект подсоса по каждой траектории А-А 1 - Н-Н множества потоков, Это увеличивает пропускную способность тракта.Как показано на фиг,1, предлагаемое устройство для преобразования турбулентного потока сплошной среды содержит корпус 1, в котором образована впускная полость 2, открытая с торца для впуска потока сплошной среды в эту камеру. В корпусе образована система каналов 3. Эти каналы образованы оболочкой 4 в виде поверхности вращения(например, гиперболоида) и стенками 5, расположенными между внутренней поверхностью оболочки 4 и торцовым ограничивающим элементом 6, При этом образуются каналы 3 замкнутого сечения, разумеется, что указанные каналы могут быть образованы и другим путем, например в виде отдельных трубопроводов, что не влияет на достижение цели изобретения.Каждый канал 3 имеет входное сечение 7, расположенное во впускной полости 2, и выходное сечение 8, расположенное.в выпускной полости 9, при этом продольная ось 0-0 каждого канала 3 имеет вид винтовой линии с монотонно убывающим от впускной полости 2 осесимметричной выпускной полости 9 радиусом г(гтг 2гз), как показано на фиг.2, и с возрастающим по ходу движения потока шагом (не показано). Поперечное сечение каждого канала 3 плавно убывает от входного сечения 7 до выходного сечения 8.Продольная ось каждого первого канала предпочтительно имеет вид винтовой линии, описываемой в цилиндрических координатах зависимостями (3) и (5).Геометрическим местом концевых выходных сечений 8 каналов 3 является поверхность вращения 10,В варианте конструкции, представлен-. ном на фиг.2, продольная ось 01-01 канала имеет вид винтовой линии с монотонно убывающим по ходу потока шагом 1(г 1т 2), При этом обеспечивается плавное сопряжение устройства с впускным трактом (не показано).В варианте конструкции предлагаемого устройства для лреобразования потока сплошной среды, представленном на фиг.З. используется радиальный подвод потока сплошной среды, В этом варианте устройства, предлагаемое устройство для преобразования потока сплошной среды содержит корпус 1, в котором образована впускнаяполость 2. открытая с периферии для впускапотока сплошной среды в камеру. В корпусеобразована система каналов 11 и 12, Эти5 каналы образованы оболочкой 13 в виде поверхности вращения (наприте о, гиперболоида) и стенками 14 и 15, расположеннымимежду внутренней поверхностью оболочки13 и торцовым ограничивающим элементом10 16. при этом образуются каналы 11 и 12замкнутого сечения, у которых стенка 14одного канала 11 является стенкой канала12, а стенка 15 канала 12 является стенкойканала 11, Разумеется, что указанные кана 15 лы могут быть образованы и другим путем,например в виде отдельных трубопроводов,что не влияет на достижение цели изобретения.Форма торцовых ограничивающих зле 20 ментов 6 и 16(фиг,1 и 3) выбирается обтекаемой, при этом целесообразно, чтобы форматорцового ограничивающего элемента описывалась в цилиндричЕских координатах зависимостью (6).25 На фиг.4 показано устройство с многоступенчатой системой каналов 11, 12; 11 а,12 а; 11 Ь, 12 Ь, На фиг.4 показаны толькоканалы в продольном разрезе и нижняя ограничивающая поверхность торцового эле 30 мента 6. На фиг.5 условно показаныбоковые стенки 17 одного из каналов 11 а, Востальном устройство, представленное нафиг.4 и 5, аналогично устройству, описанному выше со ссылкой на фиг.1,35 Предлагаемое устройство, представленное на фиг.1, работает следующим образом.При поступлении потока сплошной среды во впускную полость 2 поток распреде 40 ляется по системе каналов 3 и такимобразом разделяется на множество потоков. Для впуска потока, например воды, до-.статочно установить корпус 1 устройстванепосредственно в русло реки или канала45 либо разместить его в трубопроводе (не показан). Отдельные потоки сплошной средыдвигаются по каналам 3 уменьшающегосяпоперечного сечения по винтовым траекториям, в результате чего происходит их ква 50 зиламинаризация с затуханием поперечныхи вихревых составляющих потоков, На выходе из выходных сечений 8 каналов 3 квазиламинарные потоки объединяются в одинпоток. При этом совмещение потоков, выхо 55 дящих из каналов 3, происходит в зоне, образованной поверхностью вращения. 10.благодаря чему потоки на испытывают дополнительных искажений, которые могутбыть вызваны резкими изменениями их траекторий. Очевидно, что в данном варианте2002128 конструкции устройства осевые линии каналов 3 могут быть расположены по винтовым линиям с убывающим по ходу движения потока шагом, что приводит к уменьшению закрутки потоков и снижению степени за. вихрения результирующего потока, При этом появляется возможность более плав-. ного сопряжения с выпускным трактом, Следует также отметить, что винтовые линии, по. которым расположены оси каналов 3, могут 10 строиться с учетом приведенных математических зависимостей.В варианте выполнения каналов 3, представленном на фиг.З, устройство, показанное на фиг,1, работает аналогичным об разом с той лишь разницей, что благодаря увеличенной закрутке потоков, вцходящих из каналов 3, результирующий поток 3 имеет увеличенную вращательную. составляющую скорости. 20Вариантконструкции устройства, пред-, ставленный на фиг.З, работает так же, как и варианты, описанные со ссылкой нафиг.1 и 2, с той лишь разницей, что впуск потока сплошной среды осуществляется радиально 25 40 ства, и выходные сечения, расположенные 50 55 Ф о р мул а изобретен и я 1.Способ преобразования потока сплошной средц путем подачи сплошной среды в осесимметричное пространство по множеству траекторий, каждая из.которых имеет вид винтовой линии с монотонно убывающим по ходу движения потока радиусом, при этом площадь поперечного сечения каждого отдельного потока, движущегося по указанной траектории, плавно уменьшают по ходу движения потока, и объединяют полученные потоки в один общий поток, отличающийся тем, что траектория потока имеет вид винтовой линии, описываемой в цилиндрических координатах следующими зависимостями: у = - + О(г - Я),С 3г 2где г, р и г - цилиндрические координаты;Чо, Чщ - вращательная и радиальная составляющая скорости в начале канала;В 0 и Й - радиальная координата начала иконца оси канала;Сь О - константы, характеризующиекаждый 1-й канал;и - показатель закрутки канала,2,Способ по п.1, отличающийся тем,что траектория потока имеет вид винтовой относительно корпуса 1, Это может оказаться необходимым по конструктивным соображениям, когда. такой подвод сплошной среды является более предпочтительным,Вариант конструкции устройства, представленный на фиг.4 и 5, работает аналогичным образом с той лишь разницей. что поток сплошной среды подвергается квазиламинаризации во множестве ступеней каналов 11, 12; 11 а, 12 а; 11 Ь, 12 Ь. благодаря чему возрастают расход сплошной среды и энергия потока, получаемого при слиянии потоков, выходящих из каналов 11 и 12. Разумеется, что в любом из описанных вариантов конструкции устройства в соответствии с изобретением в выпускной полости устройства может быть размещен любой известный механизм для преобразования энергии получаемОго потока в механическую энергию, например рабочее колесо турбины или крыльчатка.(56) Авторское свидетельство СССРМ 1539382, кл. Е 03 О 3/04, 1990. линии с монотонно увеличивающимся по ходу потока шагом 1.З,Способ по п.1, отличающийся тем, что траектория потока имеет вид винтовой линии с монотонно уменьшающимся по ходу потока шагом с.4.Устройство для преобразования потока сплошной среды, содержащее оболочку, впускную.и выпускную полости и множество каналов замкнутого поперечного сечения, имеющих входные сечения, расположенные во впускной полости устройв выпускной полости устройства, при этом продольная ось каждого канала имеет вид винтовой линии с монотонно уменьшающимся радиусом, поперечное сечение каждого канала плавно убывает от входного сечения до выходного сечения, а геометрическим местом выходных сечений каналов является поверхность вращения, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит торцевой ограничивающий элемент, при этом канал образован оболочкой, стенками каналов и торцевым ограничивающим элементом, причем продольная ось каждого канала имеет вид винтовой линии, описываемой в цилиндрических координатах следующими зависимостями:2002128 14 иг 2 = - + 0(г - Я),С . згде г, у и 2 - цилиндрические координаты,"Чо, Чд - вращательная и радиальная составляющие скорости в начале траектории;Во, В - радиальные координаты начала и. конца траектории;п - степень изменения радиуса винтовой линии; 10С и 0 - константы, характеризующиетраекторию,Б.Устройство по п.4, отличающеесятем, что продольная ось каждого каналаимеет вид винтовой линии с шагом 1, моно- "5тонно уменьшающимся по ходу потока.6.Устройство по п.4, отличающееся тем, что продольная ось каждого канала имеет вид винтовой линии с шагом 1, монотонно увеличивающимся по ходу потока,7.Устройство по пп.4 - б, отличаащееея тем, что каналы расположены по меньшей мере.в две ступени, при это. одна из стенок канала каждой следующей ступени образована одной иэ стенок каждого канала предыдущей ступени,8.Устройство по пп.4 - 6, отличающееся тем, что форма торцевого ограничиванщего элемента описывается в цилиндрических координатах зависимостью"Е2= - ,г 2где Е - константа, определяющая габариты торцевого ограничивающего элемента, 20021282002128 12 Заказ 3165 Тираж . ПодНПО "Поиск", Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб писное ательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 роизводствен Составитель Г. КикнадзеРедактор М, Стрельникова Техред М, Моргентал, Корректор А. Козориз