способ снижения уровня колебаний давления жидкости в потоке, обтекающем объект, и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ снижения уровня колебаний давления жидкости в потоке, обтекающем объект, включающий размещение на поверхности объекта в зоне колебаний давления жидкости упругой оболочки с изменяемым объемом, отличающийся тем, что при помощи упругой оболочки создают динамический гаситель колебаний давления жидкости в потоке, обтекающем объект, представляющий собой упругоинерционную колебательную систему с изменяемыми параметрами колебаний объема упругой оболочки, для чего в оболочку помещают эластичное вещество, в котором создают полость и заполняют ее газом, при появлении колебаний давления жидкости в потоке, обтекающем объект, возникают вынужденные колебания объема упругой оболочки в противофазе колебаниям давления жидкости в потоке, после чего изменяют частоту и амплитуду колебаний объема упругой оболочки до совпадения инициируемых ею колебаний давления окружающей оболочку жидкости с частотой и амплитудой колебаний давления жидкости в самом потоке, обтекающем объект, чем снижают уровень этих колебаний.

2. Устройство снижения уровня колебаний давления жидкости в потоке, обтекающем объект, содержащее упругую оболочку, закрепленную на поверхности объекта в зоне колебаний давления жидкости в потоке, обтекающем объект, отличающееся тем, что упругая оболочка заполнена веществом, в котором выполнена полость, соединенная трубопроводом через регулируемый дроссельный элемент с емкостью, подключенной к системе впуска-выпуска сжатого газа, при этом емкость выполнена с возможностью изменения объема и/или давления газа в ней.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что изменение объема газа в емкости осуществляется поршнем, размещенным внутри емкости и снабженным приводом для его перемещения.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что изменение объема газа в емкости осуществляется уровнем жидкости внутри емкости, для чего емкость дополнительно соединена с системой подачи-выпуска жидкости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к судостроению, а также к гидромашиностроению, конкретнее к средствам снижения сопротивления жидкости движению подводных и надводных объектов или снижению сопротивления потоку при обтекании им неподвижных объектов.

Изобретение может использоваться для снижения сопротивления надводных и подводных судов, торпед и прочих подводных и надводных объектов, их движителей и деталей, а также для снижения уровня вибраций их корпусов и уровня подводного шума.

Кроме того, изобретение может использоваться для снижения сопротивления гидротурбин, гидравлических систем и устройств, а также для снижения уровня их вибраций и подводного шума.

Известно, что в потоке жидкости при обтекании подводных объектов, а также подводных частей надводных объектов возникают колебания давления жидкости.

Например, в результате работы механизмов в системах охлаждения, смазки и подачи топлива к судовым двигателям возникают колебания давления среды (пульсации давления).

Аналогично возникают периодические пульсации давления при работе судовых движителей и гидротурбин [5, 6]. Они создают в жидкости возмущения и колебания давления, которые в силу конечности числа их лопастей носят периодический характер. Эти возмущения, воздействуя на корпус и выступающие детали, вызывают их интенсивную вибрацию и создают подводный шум. Кроме того, снижается эффективность самого движителя или гидротурбины, так как энергия бесполезно расходуется на пульсационные потери.

Колебания давления жидкости в потоке, обтекающем подводные объекты и подводные части надводных объектов, являются вредным явлением:

- они вызывают вибрации корпусов судов, гидротурбин и их деталей, а также вибрации трубопроводов гидравлических систем;

- вызывают подводный шум;

- снижают эффективность гидродинамических устройств на величину пульсационных потерь.

Известен способ снижения пульсаций поля скоростей в турбулентном пограничном слое, состоящий в том, что на корпус подводного объекта наносят многослойное покрытие [1].

Покрытие состоит из нескольких слоев резины общей толщиной 2-3 мм, а именно:

- гладкого верхнего слоя, воспринимающего давление набегающего потока;

- среднего эластичного с гибкими вертикальными столбиками и демпфирующей силиконовой жидкостью, гасящего пульсации давления и вихри в пограничном слое потока;

- нижнего, примыкающего к корпусу подводного объекта.

Снижение уровня колебаний давления жидкости в пограничном слое достигается за счет того, что средний эластичный слой меняет под давлением воды свою форму и, гася таким образом возникающие на поверхности тела вихри, уменьшает сопротивление трения.

Основными недостатками данного способа являются малая долговечность покрытия, обусловленная невозможностью обеспечить необходимую прочность при приемлемых гасящих характеристиках покрытия, а также то, что с увеличением размеров объекта эффективность покрытия уменьшается. Кроме того, данный способ не позволяет активно воздействовать на процессы, происходящие в потоке жидкости.

Также известен способ покрытия корпусов движущихся подводных объектов многокамерными резиновыми оболочками [2]. В камеры оболочек попеременно нагнетают и откачивают воздух с таким расчетом, чтобы создать "бегущую волну". Этот вариант "мягкой" и одновременно "активной" оболочки, по замыслу авторов, должен активно воздействовать на пульсации давления жидкости в пограничном слое и стабилизировать течение потока жидкости вблизи поверхности подводного объекта.

Основным недостатком данного способа является то, что на его осуществление требуются дополнительные и значительные энергетические затраты.

Известно устройство гребного винта, содержащее в кавитационных зонах упругие оболочки [3].

Устройству присущи следующие недостатки:

- устройство узкоспециализировано и направлено только на борьбу с кавитацией и кавитационной эрозией;

- устройство не позволяет активно воздействовать на процессы, происходящие в потоке;

- малая долговечность устройства, обусловленная невозможностью обеспечить необходимую прочность оболочки при приемлемых гасящих характеристиках.

Наиболее близким к настоящему изобретению (прототипом) является способ, основанный на установке в зонах кавитации на поверхности винта упругих оболочек, которым сообщают колебания с целью предотвращения пленочной кавитации, и устройство, реализующее указанный способ [4].

Согласно указанному устройству-прототипу упругие оболочки, установленные в зонах кавитации на поверхности гребного винта, снабжены приводами их колебаний.

Недостатками данного способа и устройства является:

- значительные дополнительные энергетические затраты на создание колебаний упругих оболочек;

- узкоспециализированное применение, направленное только на борьбу с пленочной кавитацией;

- возможность появления резонансных режимов и разрушения устройства.

Задача данного изобретения - снижение уровня колебаний давления жидкости в потоке, обтекающем подводный объект или подводную часть надводного объекта (далее объекта), а именно

- снижение уровня вибраций указанных объектов;

- снижение сопротивления жидкости движению в ней объектов или снижение сопротивления объектов обтеканию их потоком жидкости на величину пульсационных потерь;

- снижение уровня подводного шума.

Поставленная задача достигается размещением на поверхности объекта в зоне колебаний давления жидкости в потоке, обтекающем объект, упругой оболочки и заключается в том, что при ее помощи (упругой оболочки) создают динамический гаситель колебаний (или виброгаситель) [7], представляющий собой упругоинерционную колебательную систему с изменяемыми параметрами собственных колебаний объема упругой оболочки, или резонатор, способный совершать вынужденные колебания объема упругой оболочки под действием внешней силы, для чего в упругую оболочку помещают эластичное вещество, выполняющее роль инерционного элемента колебательной системы, в котором создают полость и заполняют ее сжатым газом, выполняющим роль упругого элемента колебательной системы. Колебания давления жидкости в потоке, обтекающем объект, возбуждают вынужденные колебания объема упругой оболочки в противофазе этим колебаниям, после чего, изменяя параметры упомянутой колебательной системы, изменяют частоту и амплитуду колебаний объема оболочки до совпадения характеристик инициируемых ею колебаний давления жидкости, окружающей оболочку, с частотой и амплитудой колебаний давления жидкости в самом потоке, обтекающем объект, чем снижают уровень этих колебаний.

Данный способ реализуется в новом устройстве, включающем упругую оболочку, закрепленную на объекте в зоне колебаний давления жидкости в потоке, обтекающем этот объект. Для создания упругоинерционной колебательной системы упругая оболочка заполнена эластичным веществом, выполняющим роль инерционного элемента, в котором выполнена газовая полость, соединенная трубопроводом через дроссельный элемент, c изменяемым сопротивлением, с емкостью, подключенной к системе впуска-выпуска сжатого газа. Сжатый газ, заполняющий полость, трубопровод и емкость выполняет роль упругого элемента. Для возможности изменения частоты собственных колебаний объема упругой оболочки емкость выполнена с возможностью изменения объема и давления газа в ней, а для возможности изменения амплитуды собственных колебаний применен дроссельный элемент с изменяемым сопротивлением перетеканию газа через него.

Изменение объема газа в емкости осуществляется или перемещением поршня, или уровня жидкости внутри емкости, для чего предусмотрен или поршень с приводом для его перемещения, или уровень жидкости, изменяемый при помощи системы подачи-выпуска жидкости в емкость.

Изменение давления газа в полости осуществляется впуском сжатого газа в емкость или выпуском его из емкости, для чего предусмотрена система впуска-выпуска сжатого газа.

Существенным отличием данного способа и устройства является то, что для работы динамического гасителя колебаний не требуется никакой иной энергии, кроме энергии самих колебаний потока.

На фиг. 1, 2 и 3 изображено устройство для снижения уровня колебаний давления жидкости в потоке, обтекающем объект.

На фиг. 1 изображено устройство, в котором изменение объема емкости осуществляется перемещением поршня, приводимого в движение ручным или иным приводом.

На фиг. 2 изображено устройство, в котором изменение объема емкости осуществляется изменением (перемещением) уровня жидкости, подаваемой от системы подачи-выпуска жидкости.

На фиг. 3 изображено устройство для гашения колебаний давления жидкости, текущей в трубопроводе гидравлической системы.

Способ снижения колебаний давления жидкости в потоке, обтекающем объект, заключается в том, что при помощи упругой оболочки создают динамический гаситель колебаний давления жидкости в потоке, обтекающем объект, представляющий упругоинерционную колебательную систему с изменяемыми параметрами колебаний объема упругой оболочки, для чего оболочку снабжают инерционным элементом, соединенным с упругим элементом с изменяемыми характеристиками упругости. При появлении колебаний давления жидкости в потоке, обтекающем объект, возникают вынужденные колебания объема упругой оболочки в противофазе колебаниям давления жидкости в самом потоке. Изменяя упругие свойства упругого элемента и коэффициент демпфирования колебательной системы, изменяют частоту и амплитуду вынужденных колебаний объема упругой оболочки до совпадения инициируемых ею колебаний давления окружающей оболочку жидкости с частотой и амплитудой колебаний давления жидкости в самом потоке, чем снижают уровень этих колебаний.

Устройство, реализующее способ, содержит упругую оболочку 1 с изменяемым объемом. Упругая оболочка может быть изготовлена из любого эластичного материала: каучука, резины или любого иного синтетического материала, а кроме того, может быть изготовлена в виде сильфона или поршня, колеблющегося в жидкости, выступая из корпуса объекта, также из любого упругого материала.

Упругая оболочка 1 заполнена эластичным веществом 2. Эластичное вещество 2 выполняет в устройстве две функции:

- является инерционным элементом упругоинерционной системы, то есть обладает массой, которую перемещает упругая оболочка 1 при своих перемещениях и колебаниях;

- а также сжимает (деформирует) упругий элемент системы.

В предлагаемом устройстве роль эластичного вещества 2 может выполнять каучук, мягкая резина, силикон, жир или какая-либо жидкость, то есть любое несжимаемое вещество, легко изменяющее форму под действием нагрузки. Возможен вариант, когда упругая оболочка 1 и эластичное вещество 2 составляют единую конструкцию (т.е. представляют собой единое целое). Возможен вариант устройства, в котором сильфон или поршень при колебаниях объема сжимают непосредственно газ, находящийся внутри них. В этом случае роль эластичного вещества будет выполнять сам корпус и его масса.

Упругая оболочка 1 располагается на объекте 3 в зоне колебаний давления жидкости в потоке, обтекающем этот объект.

Внутри эластичного вещества 2 находится полость 4, соединенная трубопроводом 5 через дроссельный элемент 6 с емкостью 7. Полость 4, трубопровод 5, дроссельный элемент 6 и емкость 7 заполнены сжатым газом.

Объем газа в емкости 7 может изменяться. Объем изменяют, например, перемещением поршня 8, как изображено на фиг. 1. В этом случае поршень 8 перемещают приводом поршня 9 вручную или механически. В варианте, изображенном на фиг. 2, объем газа изменяют уровнем жидкости 8 при помощи системы подачи-выпуска жидкости 9.

Изменение давления газа в устройстве осуществляется системой впуска-выпуска сжатого газа 10.

Устройство работает следующим образом.

Устройство служит гасителем колебаний давления жидкости в потоке, обтекающем объект 3, так как упругая оболочка 1 при своих колебаниях совершает колебания объема в противофазе колебаниям давления жидкости в этом потоке.

Устройство представляет собой упругоинерционную систему, способную совершать гармонические колебания на собственной частоте колебаний подобно гире, подвешенной на упругой пружине, то есть является колебательной системой, где роль инерционного элемента выполняет масса эластичного вещества 2, упругой оболочки 1 и присоединенные массы окружающей жидкости, а роль упругого элемента выполняет сжатый газ, заполняющий полость 4, трубопровод 5 и емкость 7.

Теоретически возможно устройство, в котором роль упругого элемента выполняет не газ, а любое упругое вещество или пружина.

Устройство, кроме того, является резонатором с изменяемыми параметрами колебаний, способным совершать вынужденные гармонические колебания объема упругой оболочки 1 под действием внешней силы, которой являются, в данном случае, колебания давления жидкости в потоке, обтекающем объект 3.

Изменение частоты собственных, а также вынужденных колебаний объема упругой оболочки 1 осуществляется изменением упругих свойств колебательной системы 1, 2, 4, 5, 6, 7 и производится изменением объема газа в емкости 7.

Изменение амплитуды вынужденных гармонических колебаний объема упругой оболочки 1 осуществляется изменением коэффициента демпфирования колебаний и производится изменением внутреннего трения колебательной системы 1, 2, 4, 5, 6, 7 путем изменения сопротивления дроссельного элемента 6.

Изменение давления газа в полости 4 осуществляется подачей или выпуском газа от системы впуска-выпуска сжатого газа 10 в емкость 7 и предназначено для изменения давления в полости 4 при изменении статического давления жидкости или динамического давления скоростного напора потока, натекающего на объект 3.

Уменьшение уровня колебаний давления жидкости в потоке, обтекающем объект 3, происходит следующим образом.

Колебания давления жидкости в потоке, обтекающем объект 3, являются по отношению к резонатору 1, 2, 4, 5, 6, 7 вынуждающими колебаниями и вызывают вынужденные колебания объема упругой оболочки 1 в противофазе вынуждающим колебаниям. Это обусловлено тем, что при повышении давления жидкости в потоке объем упругой оболочки 1 уменьшается, и наоборот. При этом в пространстве вокруг объекта 3 возникают две системы колебаний:

- колебания давления жидкости самого потока, обтекающего объект 3;

- колебания давления жидкости, инициированные колебаниями объема упругой оболочки 1 в окружающем оболочку 1 пространстве.

При этом оба вида колебаний, в соответствии с вышесказанным, будут происходить в противофазе друг другу и, как это следует из теории колебаний, уменьшать друг друга. При полном совпадении всех характеристик (параметров) обоих видов колебаний, то есть их частот и амплитуд, результирующее колебание становится равным нулю, и колебания давления жидкости в потоке, обтекающем объект 3, исчезают полностью.

Изменяя параметры колебаний резонатора 1, 2, 4, 5, 6, 7 добиваются таких колебаний объема упругой оболочки 1, при которых инициируемые ею колебания давления жидкости в окружающем пространстве становятся максимально близкими по частоте и амплитуде параметрам колебаний давления жидкости в самом потоке, обтекающем объект 3, чем добиваются максимального снижения уровня этих колебаний, то есть их гашения.

Настройка параметров колебаний объема упругой оболочки 1 производится следующим образом.

При вынужденных колебаниях объема упругой оболочки 1 эластичное вещество 2, перемещаясь, сжимает и разжимает газ в полости 4, трубопроводе 5 и в емкости 7 в такт вынужденным колебаниям объема упругой оболочки 1. Часть газа при этом будет перетекать из полости 4 по трубопроводу 5 через дроссельный элемент 6 в емкость 7 и обратно также в такт этим колебаниям. (При этом колебания объема упругой оболочки 1 и колебания давления газа в устройстве будут происходить в противофазе друг другу.) По этой причине для изменения параметров колебаний объема упругой оболочки 1 изменяют объем газа в емкости 7 и изменяют сопротивление дроссельного элемента 6 так, как упоминалось выше.

В случае периодических, но не гармонических колебаний давления жидкости в потоке, обтекающем объект 3, гасят каждую из гармоник этих колебаний в отдельности. Для этого в зоне колебаний потока устанавливают необходимое (по числу гармоник колебаний, которые необходимо ликвидировать) устройств и настраивают каждое на характеристики соответствующей гармоники. При этом в одной упругой оболочке допустимо создавать несколько полостей 4, соединяя каждую с отдельной емкостью 7 или с одной общей емкостью 7.

В случае необходимости данное устройство может быть дополнено системой контроля и автоматического управления, тогда для изменения объема емкости 7 и сопротивления дроссельного элемента 6, а также для изменения давления газа в полости 4 устройство должно быть дополнено соответствующими механическими или электрическими приводами к регулирующим элементам.

Как видно из описания, для работы устройства не требуется никакая иная энергия, кроме энергии колебаний давления жидкости самого потока, обтекающего объект 3.

Список литературы

1. С. И. Логачев "Транспортные суда будущего". Л.-д Судостроение, 1976, стр.109.

2. И. Б. Литенецкий "Бионика. Пособие для учителей". М-ва, Просвещение, 1976, стр.189.

3. Патент Франции 2036582.

4. Авторское свидетельство СССР 1736838.

5. Морской энциклопедический справочник. Под редакцией акад. Н.Н.Исанина. Л-д, Судостроение, 1986, стр.75.

6. В. Ф.Бавин, Н.Ю. Завадовский, Ю.Л.Левковский, В.Г. Мишкевич "Гребные винты. Современные методы расчета". Л-д, Судостроение, 1983.

7. Р.Бишоп "Колебания" М-ва, Наука, Гл. редакция физ.-мат. лит-ры, 1986, стр.170.