насадок шестеренко

Формула изобретения

Насадок, состоящий из герметично соединенных между собой сверхзвуковых сопел Лаваля, критическое сечение каждого из которых не меньше критического сечения первого по ходу движения газа сверхзвукового сопла Лаваля, отличающееся тем, что первое сопло коаксиально введено в последующее с образованием между ними эжектируемой полости и выполнено сужающимся.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике концентрирования аэрозольных частиц, а также к технике напыления аэрозоля на изделия, может быть применено в качестве импактора для контроля степени запыленности приготовительных цехов и в различных отраслях промышленности, где необходимо разогнать поток газа до больших скоростей.

Прототип

Известно авторское свидетельство СССР 1426642, дополнительное к 1242248, в котором насадок, состоящий из сверхзвуковых сопел Лаваля, соединенных между собой герметично, снабжен по меньшей мере одним дополнительным сверхзвуковым соплом Лаваля, критическое сечение которого выбрано меньшим критического сечения предыдущего по ходу движения продукта сверхзвукового сопла Лаваля, но не меньшим критического сечения первого сверхзвукового сопла Лаваля.

Известен способ концентрирования частиц аэрозоля в центральной части разгоняемого потока, когда газ, содержащий частички аэрозоля, под действием перепада давления принудительно прокачивают через полость, выполненную в виде сверхзвукового эжектора.

У вышеприведенного прототипа недостаток в том, что необходим сверхзвуковой перепад давления для создания в первом сопле сверхзвуковой скорости.

Аналог 1

Известно авторское свидетельство СССР 1242248, в котором насадок, содержащий соосно установленные сверхзвуковые сопла Лаваля, критическое сечение каждого из которых не меньше критического сечения предыдущего по ходу движения аэрозоля сверхзвукового сопла Лаваля, причем сверхзвуковые сопла связаны между собой с образованием герметичного соединения. Известен способ концентрирования частиц аэрозоля в центральной части разгоняемого потока, когда газ, содержащий частички аэрозоля, под действием перепада давления принудительно прокачивают через полость, выполненную в виде сверхзвукового эжектора.

Однако вышеуказанный аналог для своей работы требует перепад давления, обеспечивающий сверхзвуковое истечение воздуха аэрозоля в первом сверхзвуковом сопле, что не всегда экономически оправдано.

Аналог 2

Известно авторское свидетельство СССР 1388097, в котором аэрозольный концентратор снабжен по меньшей мере одним дополнительным насадком, причем первое по ходу движения аэрозоля сверхзвукового сопла каждого насадка меньше критического сечения первого сверхзвукового сопла Лаваля каждого предыдущего насадка. В этом устройстве известно, что в одном из вариантов входное сопло сделано расширяющимся, а в другом варианте выходное сопло насадка выполнено сужающимся.

У вышеприведенного аналога 2 недостаток тот же, что и у предыдущего устройства - необходимость создания перепада давления, обеспечивающего в первом сопле первого насадка сверхзвуковую скорость.

Технической задачей изобретения является снижение энергозатрат.

Для достижения вышеуказанной технической задачи насадок Шестеренко, состоящий из герметично соединенных между собой сверхзвуковых сопел Лаваля, критическое сечение каждого из которых не меньше критического сечения первого по ходу движения газа сверхзхвукового сопла Лаваля, отличается от известных тем, что первое сопло коаксиально введено в последующее с образованием между ними эжектируемой полости и выполнено сужающимся (дозвуковым).

Предлагаемый насадок изображен на чертеже.

Насадок Шестеренко состоит из сужающегося сопла 1 с критическим сечением 2, сверхзвукового сопла Лаваля 3 с критическим сечением 4 сверхзвукового сопла Лаваля 5 с критическим сечением 6. Сопло 1 и сверхзвуковое сопло 3 между собой соединены с герметичными соединениями при помощи болтов 7 и с гайками 7а, а сверхзвуковые сопла 3 и 5 соединены герметичным соединением при помощи болтов 8 с гайками 8а.

На чертеже изображены также отсекатель 9 с критическим сечением 10 и отражатель 11.

Сопло 1 коаксиально введено в сверхзвуковое сопло 3 с образованием между ними полости 12. Герметизация между соплами обеспечивается за счет сжатия болтами 7 и 8 и гайками 7а и 8а резиновых прокладок 13 и 14.

Насадок Шестеренко работает следующим образом.

За счет перепада давления поток воздуха (аэрозоля) поступает в насадок, проходя сначала сопло 1, а затем последовательно сверхзвуковые сопла 3 и 5.

Критическое сечение 2 является наименьшим в насадке и скорость потока газа в этом сечении на режиме запуска наибольшая.

Когда перепад давления достаточен, чтобы на участке между критическими сечениями 2 и 4 разогнанная струя воздуха аэрозоля работала как эжектор, в полости 12 создается сначала небольшое разрежение. Следует отметить, что расстояние между критическими сечениями 2 и 4, а также зазор между стенками сопел 1 и 3 подбираются такими, чтобы эффект эжекции был наилучшим.

В результате разрежение в полости 12 создает больший перепад давления в сопле 1, чем он существует на входе и выходе насадка. Следовательно, скорость истечения из критического сечения 2 увеличивается вместе с увеличением расхода газа (аэрозоля). Так как критические сечения 4 и 6 не меньше (а лучше чуть больше) критического сечения 2, то запирания струи в насадке не происходит, а разогнанная струя в критическом сечении 2 по инерции выходит из критического сечения 6. Увеличение скорости истечения потока в критическом сечении 2 ведет к усилению вакуумирования полости 12. Взаимное увеличение вакуумирования полости 12 и скорости в критическом сечении 2 продолжается до тех пор, пока в критическом сечении 2 не возникнет скорость, равная звуку, после чего увеличение расхода газа (аэрозоля) как и увеличение скорости через критическое сечение 2 прекратится, а увеличение вакуумирования полости 12 приведет к перерасширению струи газа (аэрозоля) за критическим сечением 2. В результате возникнет сверхзвуковой поток в виде перерасширенной бочки за критическим сечением 2.

Из вышесказанного следует, что источник принудительного прокачивания газа создает только дозвуковую скорость с небольшим расходом газа. Дальнейшее увеличение скорости внутри насадка и расхода газа через него происходит в результате увеличения вакуумирования полости 12. Согласно логике, источник принудительного прокачивания уже не играет никакой роли, так как газ засасывается в сопло 1 вакуумом полости 12, т.е. засасывается сквозь лопасти вентилятора (или компрессора), которые можно выключить.

Профиль сверхзвукового сопла Лаваля 3 перед критическим сечением 4 обеспечивает угол скачков уплотнения по отношению к набегающему сверхзвуковому потоку, не превышающий 60^o, что исключает переход сверхзвуковой скорости в дозвуковую в сверхзвуковом сопле Лаваля 3. До возникновения сверхзвукового потока во внутреннем пространстве сверхзвуковых сопел Лаваля 3 и 5 между критическими сечениями 4 и 6 происходило торможение, а затем разгон дозвукового потока. Сверхзвуковое сопло 5 перед критическим сечением 6 профилировано аналогично сверхзвуковому соплу Лаваля 3, когда косые скачки уплотнения по отношению к набегающему сверхзвуковому потоку не превышают 60^o, что исключает переход сверхзвуковой скорости в дозвуковую в сверхзвуковом сопле 5. Как только между критическими сечениями 2 и 4 возникает сверхзвуковой поток, в пространстве между критическими сечениями 4 и 6 начинает двигаться сверхзвуковой поток, который в свою очередь за счет эжекции практически мгновенно создает в этом пространстве вакуум, обеспечивая тем самым наибольшее расширение потока в сверхзвуковом сопле 3 и создание на выходе в нем местной наибольшей скорости, т.е. гиперозвуковой скорости.

Следует при этом заметить, что критическое сечение 4 может быть меньше, равным или больше критического сечения 6. Подбор соотношений этих сечений зависит как от различного применения насадка в тех или иных условиях, так и от различных параметров газа и первоначального перепада давления в насадке, а также зависит от условий, связанных со степенью запыленности потока газа, размера частиц аэрозоля и многих других параметров. Если насадок используется в качестве аэрозолеконцентрирующего устройства, то внутри насадка частички аэрозоля концентрируются около оси потока за счет инерционных сил, а также возникающих скачков уплотнения перед критическими сечениями 4 и 6 в сверхзвуковых соплах Лаваля 3 и 5 значительно усиливают эффект очищения периферийной части потока аэрозоля. Отсекателем 9 за счет дополнительного вакуумирования (не показано) центральная часть потока отводится для дальнейшей обработки или на фильтр, или в другое место. Остальная часть воздуха, очищенная от частичек аэрозоля, отводится в сторону отражателем 11.

Следует отметить, что сверхзвуковая часть сопла 5, которая идет после критического сечения 6 по ходу аэрозоля, может быть выполнена в зависимости от технических задач, либо как у сверхзвукового сопла Лаваля, либо как у сверхзвукового сопла Шестеренко по авторскому свидетельству СССР 899151, либо полностью отсутствовать.

В последнем случае сопло 5 оканчивается критическим сечением 4 (на чертеже показано только сопло Лаваля).

Следует отметить, что во всех случаях использования насадка устойчивый режим работы обеспечивается вакуумированием полости 12 и вакуумированием внутреннего пространства сверхзвуковых сопел Лаваля 3 и 5 между критическими сечениями 4 и 6, в котором поток разгоняется до гиперзвуковых скоростей и затормаживается до сверхзвуковых скоростей перед критическим сечением 6, которое в свою очередь является сверхзвуковым или звуковым барьером для любых возмущений извне. Критическое сечение 2 также является звуковым барьером. Это все обеспечивает внутри насадка устойчивый режим работы.

Технический эффект заключается в том, что способ концентрирования частиц аэрозоля в центральной части разгоняемого потока, когда газ под действием перепада давления принудительно прокачивают через полость, выполненную в виде сверхзвукового эжектора, отличается от известного тем, что в первом по ходу движения газа критическом сечении принудительным перепадом давления создают дозвуковую скорость потока, которым в эжекторном режиме вакуумируют полость и который вакуумом этой полости сначала разгоняют до скорости звука, а затем внутри этой же полости разгоняют до сверхзвуковой скорости, что позволяет использовать насадок Шестеренко в различных отраслях промышленности.

Технический эффект также заключается в том, что при достаточном перепаде давления, когда можно создать только эффект эжекции на дозвуковой скорости, в полости 12 создаются условия для постепенного нарастания дозвуковой скорости в сечении 2, а затем перерасширения потока с образованием сверхзвуковой скорости и перехода работы насадка на устойчивый сверхзвуковой режим, обеспечивая высокую концентрацию частиц аэрозоля за счет скачков уплотнения около оси потока. Снижение энергозатрат расширяет диапазон применения аэрозолеконцентрирующего насадка.