Ускоритель потока жидкости

Ускоритель потока жидкости

Реферат

Изобретение относится к гидродинамике водных транспортных средств, а именно касается конструирования жидкостных реактивных двигательно-движительных комплексов, в том числе водометных движителей для судов, подводных аппаратов и других плавающих средств. Может быть применено на других видах транспорта, в трубопроводном транспорте, а также для производства энергии. Направлено в первую очередь на снижение расхода энергии для движения транспортных средств.

Известны водометные и прямоточные газоводометные судовые движители [1]. Разгон воды в водоводе или проточной части указанных движителей обеспечивается с помощью рабочего органа - осевого насоса (или гребного винта) или центробежного насоса, а также путем использования энергии сжатого воздуха.

Главный недостаток такого рабочего органа заключается в необходимости затраты большого количества энергии для его работы. Кроме этого во многих водометных движителях вал двигателя проходит через обшивку корпуса судна и/или водовода. При этом увеличивается гидравлическое сопротивление движению воды в водоводе движителя, снижается его КПД.

Известны способы и устройства снижения расхода топлива путем создания дополнительной (корпусной) силы тяги водометных движителей. Для этого в водоводе движителя устанавливают гидродинамические тела, при обтекании которых водным потоком возникает корпусная сила тяги. Этого же результата можно добиться путем задания соответствующей гидродинамической формы внутренней поверхности обшивки водовода движителя [2-4 и др.].

Недостаток указанных устройств - сравнительно небольшое снижение энергии при неизменной скорости хода судна, незначительное повышение его КПД, в целом большой расход энергии для движения судна.

Известен ускоритель текучей среды, содержащий, по крайней мере, два сопла на одной оси, при этом, по меньшей мере, одно сопло жестко или с возможностью осевого перемещения соосно введено в следующее по ходу движения текучей среды сопло с образованием между соплами полости, причем не менее чем одна полость сообщена с устройствами подачи и отсоса текучей среды, по меньшей мере, в одной полости размещены средства ионизации текучей среды, во всех полостях установлены датчики давления, а во входном и выходном реактивном соплах - датчики скорости [5]. Устройство принято за прототип.

Недостатки ускорителя текучей среды - в основном может быть применен только для ускорения газа (воздуха) при любых положениях устройства в пространстве. В то же время для ускорения движения жидкости (воды, смеси воды с газами, нефтепродуктов и т.п.) конструкция ускорителя газа (воздуха) может быть использована только при вертикальном ее расположении, и при этом конструкция ускорителя симметрична относительно вертикальной оси. В этом случае в каждой поперечной плоскости ускорителя процесс воздействия на жидкость, в частности, процесс эжектирования жидкости из полостей будет равномерным. При наклонном к вертикали или горизонтальном расположении центральной оси ускорителя, жидкость стремится заполнить все находящиеся внизу объемы, симметрия процессов воздействия на жидкость нарушается. Создать вакуумированные полости в верхней части устройства гораздо легче, чем в нижней. Конструкция ускорения газа для ускорения жидкости оказывается нерациональной.

Технический результат изобретения - существенное снижение затрат энергии для движения судна (не менее чем на 70-80%), следовательно, возможность повысить скорость хода и/или дальность плавания, снизить запасы топлива, увеличить КПД реактивного двигателя-движителя.

Технический результат достигается тем, что ускоритель потока жидкости включает в себя, по крайней мере, два герметичных между собой сопла на одной оси, при этом, по меньшей мере, одно сопло жестко или с возможностью осевого перемещения соосно введено в следующее по ходу движения текучей среды сопло с образованием между соплами полости, причем не менее чем одна полость сообщена с устройствами подачи и отсоса текучей среды для регулировки скорости (мощности) на выходе ускорителя, по меньшей мере, в одной полости размещены средства ионизации текучей среды, обеспечивающие ее ионизацию в полости и движение в ускорителе с эжекцией текучей среды через входное сечение, во всех полостях установлены датчики давления, а во входном и выходном реактивном соплах - датчики скорости.

По изобретению в качестве текучей среды используется жидкость (жидкость с газами, воздухом). В полости, в которой предусмотрены отсос и подача текучей среды, дополнительно размещены электроды для осуществления в текучей среде электрогидравлических ударов. При этом ускоритель снабжен блоком формирования электрогидравлического удара, выходы которого соединены с электродами.

Ускоритель может быть размещен горизонтально, причем из известной симметричной конструкции ускорителя потока газа (воздуха) используется только верхняя часть, отсекаемая горизонтальной плоскостью, параллельной плоскости, проходящей через центральную ось устройства.

Конструкция ускорителя рассчитывается на задаваемую максимальную скорость (мощность) потока текучей среды на его выходе. При этом меньшие значения скорости получают путем варьирования величины вакуума в полостях с помощью устройств подачи и отсоса текучей среды, изменения амплитуды и/или частоты процессов ионизации текучей среды, а также электрогидравлического удара в текучей среде.

Общая схема ускорителя жидкости изображена на чертеже.

Ускоритель потока жидкости содержит размещенные соосно сопло 1 с входным сечением 2 и критическим сечением 3, сопло 4 с критическим сечением 5 и полость 6 между этими соплами, далее по ходу движения жидкости следуют сопло Лаваля 7 с критическим сечением 8 и сопло Лаваля 9 с критическим сечением 10 и выходным соплом 11. Между соплами 4 и 7 имеется полость 12, между соплами 7 и 9 расположена полость 13. При этом сопла 1 и 4, а также 4 и 7, 7 и 9 соединены между собой герметично. К полостям 6, 12 и 13 подсоединены устройства 14 отсоса и подачи текучей среды внутрь этих полостей. В полости 6 помещены блоки 15 ионизации текучей среды и клапаны 16, а также электроды 17, соединенные с блоком формирования электрогидравлического удара (на чертеже не показан). Датчики и блок управления также не показаны.

Устройство работает следующим образом.

Возможны два варианта работы ускорителя: с помощью внешнего устройства для процесса первоначального разгона жидкости в ускорителе и без него. При наличии, например, насоса, подают на вход ускорителя жидкость под давлением, а далее ее разгоняют внутри ускорителя.

При работе ускорителя без внешнего устройства вначале соединяют ускоритель с внешней средой (жидкостью). Полости заполняются жидкостью (возможно появление в полости воздушной подушки). Далее проводят ионизацию текучей среды в полости 6 с использованием одного или нескольких средств ионизации 15, размещенных в полости, и/или проводят электрогидравлические удары определенной амплитуды и частоты между электродами 17 с помощью блока их формирования. В результате ионизации и ударного воздействия молекулы и атомы жидкости частично разрушаются с выделением большого количества тепла и кинетической энергии [6]. При закрытых клапанах 16 поток расширенной текучей среды (жидкости и газов) в полости 6 вылетает к центральной оси устройства, эжектируя при этом жидкость из внешней среды через входное сечение 2. Далее клапаны 16 открываются и в полость 13 поступает текучая среда из внешней среды или из источника текучей среды. При необходимости производят отсос текучей среды (жидкости, газа) из полости 13. После этого клапаны закрываются. Частота выполнения таких операций (пульсаций) регулируется и может быть достаточно высокой, чтобы обеспечить квазинепрерывный характер работы ускорителя. Когда скорость потока текучей среды (жидкости и газов), идущей из полости 6, с учетом эжектируемой жидкости (через сопло 1) между сечениями 5 и 8, будет достаточной для эжекции текучей среды из полости 12, в последней возникнет некоторое разрежение. Оно будет способствовать повышению перепада давлений между сечениями 3 и 5 и тем самым увеличению скорости истечения и расхода текучей среды через входное сечение 2. Это в свою очередь приведет к усилению вакуумирования полости 6. Такие процессы будут происходить до тех пор, пока не перестанет повышаться степень вакуума в полости. Здесь возможны два исхода. Первый, когда величиной вакуума в полостях 12 и 13 не управляют, тогда скорость потока будет наибольшей при технически возможной степени вакуума (за счет самовакуумирования [7]). Второй исход, когда, наоборот, величину вакуума назначают и поддерживают в полостях 12 и 13 искусственно, скорость потока при этом будет управляемой. При установлении постоянной скорости потока на выходе ускорителя 11 частоту пульсаций постепенно уменьшают вплоть до полного выключения. Ускоритель начинает работать только за счет засасывания в сопла 12 и 13 жидкости из внешней среды вакуумом этих полостей. После прекращения пульсаций возникает разрежение и в полости 6. При дальнейшем вакуумировании полостей 6, 12 и 13 в выходном сопле 11 возникнет устойчивый поток жидкости. При этом насос, другое внешнее устройство подачи текучей среды в ускоритель для разгона, если он использовался, отключают.

Регулировка скорости (мощности) потока текучей среды на выходе из ускорителя в реальном времени проводится путем управления величиной вакуума в полостях 6, 12 и 13. Для этого предусмотрены устройства 14 для отсоса текучей среды и подачи текучей среды в полости. Регулировка скорости (мощности) потока на выходе ускорителя может быть осуществлена также изменением частоты пульсаций процессов ионизации текучей среды и/или электрогидравлических ударов в полости 6. Наконец, можно изменять расстояния между соплами. Для управления работой ускорителя используются показания датчиков давления, размещенных в полостях, датчиков скорости потока на выходе и входе из ускорителя, а также показания устройств 14, поступающие в блок управления его работой.

Рассмотренный режим работы движителя не единственный. Возможен вариант работы, при котором подача в полость (впрыскивание) и ионизация текучей среды в полости 6, а также процесс электрогидравлического удара в текучей среде в полости проводятся непрерывно. В этом случае энергия, выделяемая при разложении атомов и молекул текучей среды в полости 6, будет дополнять, усиливать энергетический эффект движения текучей среды, полученный от вакуумирования полостей 12 и 13 ускорителя.

Затраты энергии на работу ускорителя сравнительно небольшие. Энергия тратится на первоначальный разгон текучей среды внутри ускорителя до заданной скорости, на ионизацию текучей среды в полости 6, осуществление электрогидравлического удара, компенсацию потерь на трение и др. Отсос или подача текучей среды в вакуумированные полости, имеющие небольшие объемы, потребуют сравнительно малые затраты топлива. Кроме этого энергия расходуется на работу механизмов открытия-закрытия клапанов 16. Поддержание же задаваемой скорости потока текучей среды (жидкости с газами) на выходе ускорителя осуществляется, главным образом, за счет вакуума в полостях ускорителя.

Использованные источники информации

1. Л.С.Артюшков, А.Ш.Ачкинадзе, А.А.Русецкий. Судовые движители: Учебник. - Л.: Судостроение, 1988. - 296 с., ил. (17 с.).

2. Патент РФ №2228879, опубл. 2004 г.

3. Патент РФ №2240951, опубл. 2004 г.

4. Патент РФ №2247058, опубл. 2005 г.

5. Патент РФ №2285636, опубл. 2006 г.

6. Е.И.Андреев, О.А.Ключарев, А.П.Смирнов, Р.А.Давиденко. Естественная энергетика. - СПб: Нестор, 2000. - 122 с.

7. Патент WO 03/25379, кл. 7 F2К 7/00, опубл. 2003 г.

Ускоритель потока жидкости, содержащий, по меньшей мере, два сопла на одной оси, при этом, по меньшей мере, одно сопло соосно введено в следующее по ходу движения текучей среды сопло с образованием между соплами полости, причем не менее чем одна полость сообщена с устройствами подачи и отсоса текучей среды, по меньшей мере, в одной полости размещены средства ионизации текучей среды, отличающийся тем, что в полости с устройствами подачи и отсоса текучей среды размещены электроды для осуществления электрогидравлических ударов в текучей среде, которые соединены с выходами блока формирования электрогидравлических ударов в текучей среде.