Генератор бульбашок для підводних апаратів

Реферат: UA 99031 U UA 99031 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області суднобудування і може бути використана при проектуванні і створенні підводних апаратів. Багато років проводяться експериментальні та теоретичні досліди використання мікробульбашок, що інжектуються в примежовий шар, з метою зменшення опору тертя апаратів. Досліджено способи генерування мікробульбашок (генератори, в тому числі, для формування кавітації у потоці, генератори, що засновані на електрогідролізі, застосування промислових установок), методи інжекції мікробульбашок в примежовий шар (за допомогою щілин та пористої поверхні), типи поверхонь апаратів, на яких можна застосувати мікробульбашки (днище апарата, профіль крила, тіло обертання). В [1] розглянуті деякі питання застосування мікробульбашок для зниженню опору, що наведені вище. Зокрема розглянута форма днища віндсерфінгу з встановленими виступами в формі півкулі, на яких уздовж осі симетрії висвердлені циліндрові капіляри, що сполучені з атмосферою, а знизу в воді відкриті та направлені проти потоку під кутом 80°. За рахунок зниження тиску в місці розташування отвору капіляра у воді з нього всмоктуються в потік мікробульбашки. Недоліками цієї розробки є залежність розміру бульбашки та частоти її відриву від швидкості пересування віндсерфінгу та зростання гідродинамічного опору за рахунок зростання шорсткості днища віндсерфінгу. Відомо судно з системою подачі повітря на його днище [2], на якому поперечними рядами розташовані конусоподібні обтічні виступи з розміщеними за ними отворами, які через канали в корпусі повідомлені з атмосферою, причому виступи відносно один одного розташовані в шаховому порядку і нахилені під позитивним кутом до набігаючого потоку води. Місцеве звуження потоку води у звуженому каналі між бічними поверхнями виступів одного ряду призводить до місцевого збільшення швидкості потоку, що обтікає виступи наступного ряду і сприяє збільшенню підсосу повітря через відповідні отвори за цими виступами. Недоліками цієї розробки є зростання гідродинамічного опору за рахунок зростання шорсткості обтічної поверхні та невизначені розміри бульбашок, що генеруються на виході з отворів. Відомий також підводний апарат [3], у носовій частині вісесиметричного тіла якого є щілина, через яку інжектуються бульбашки повітря з генератора, розміщеного всередині корпусу апарата, а носова частина апарата, розміщена перед щілиною може коливатися в поздовжньому напрямку і може нахилятися в різні боки в поперечному напрямку так, що ширина щілини може змінювати свою величину в залежності від кута повороту в різних місцях щодо основного корпусу апарата. Недоліком цієї розробки є невідомі розміри бульбашок, що формуються генератором. Найбільш близьким за технічною суттю до корисної моделі "Генератор мікробульбашок для підводних апаратів", що заявляється, є прийнятий за прототип патент на винахід РФ [4], призначений для випуску повітряно-водяної мікробульбашкової суміші в придонній області водоймища перед водозабором у формі струменів, що підіймаються на поверхню водоймища. Пристрій для здійснення способу містить послідовно з'єднані водонапірну магістраль, повітрозабірний патрубок, циліндричний корпус з конфузором, дифузором і проточною камерою, в якому розташоване тіло кавітації, виконане у вигляді тіла обертання, причому воно може бути виконане зі зрізаним наконечником. Недоліком прототипу є складність конструкції в окремих місцях сполучення деталей апарата, окрім того, водонапірна магістраль в залежності від висоти водозабору має різну довжину підвідних труб, які мають відповідно і різну величину гідравлічного опору. При постійній потужності нагнітаючого насоса це приводить до залежності швидкості потоку в кавітаційному змішувачі від перемінних гідравлічних характеристик водонапірної магістралі, отже продуктивність запропонованої системи буде перемінною, а також кавітаційний режим роботи може при деяких параметрах потоку не виникати. Недоліком є також те, що в дифузорі швидкість водо-бульбашкової суміші зменшується, а тиск підвищується, все це може привести до схлопування бульбашок ще в дифузорі або за ним. У прототипі не передбачено розділяти бульбашкову суміш в залежності від розміру бульбашок. В основу корисної моделі поставлена задача розробки ефективної принципово нової конструкції генератора мікробульбашок для інжекції водо-бульбашкової суміші крізь щілину в пристінну область примежового шару швидкісних апаратів з метою суттєвого зниження опору тертя. Поставлена задача вирішується тим, що корпус генератора виконано в формі круглого циліндра перемінного радіуса по довжині, на вході в який всередині встановлено кільце із закріпленими поблизу внутрішній поверхні корпусу направляючими криволінійними лопатками, що займають частину вхідного діаметра корпусу і закручують вхідний потік, нижче по потоку корпус приймає форму сопла Лаваля (основного), в якому встановлено по центру поперечного 1 UA 99031 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 перерізу вісесиметричний кавітатор та закріплені поблизу внутрішньої криволінійної поверхні корпусу периферичні криволінійні кавітатори, що встановлені вздовж ліній струму закрученого потоку, причому всі кавітатори встановлені таким чином, що їх торцеві зрізані поверхні встановлено в місці розташування найменшого діаметра основного сопла Лаваля, а периферійні кавітатори закріплено на криволінійних платівках на відстані від стінки корпусу, що перевищує місцеву товщину примежового шару потоку, окрім того, в місці розташування найменшого діаметра основного сопла Лаваля в поверхні корпусу можуть бути виконано отвори, або перфорація, що з'єднані з автономною повітряною системою; на деякій відстані за основним соплом Лаваля усередині корпусу генератора встановлено обтічний циліндр, внутрішня поверхня якого виконана також в формі сопла Лаваля (вторинного), причому цей циліндр прикріплений до внутрішньої поверхні корпусу за допомогою обтічних криволінійних платівок, повернених у відповідності з напрямком закрученого потоку, що рухається за основним соплом Лаваля, окрім того, у вузькій частині вторинного сопла Лаваля встановлено таким же чином, як і у основного сопла Лаваля, вісесиметричний обтічний кавітатор, що конструктивно подібний до центрального кавітатора основного сопла Лаваля, але має менший розмір, причому позаду циліндра на деякій відстані встановлено центральну трубку, у яку надходить осьова частина потоку, що витікає із вторинного сопла Лаваля, а периферична частина цього витікаючого потоку змішується з закрученим потоком, що обтікає циліндр ззовні, і рухається у більшій по діаметру зовнішній трубі, яка є продовженням корпусу генератора мікробульбашок, при цьому нижче по потоку скрізь цю трубу герметично проходить центральна трубка; торцева частина всіх кавітаторів має втиснуту всередину поверхню, а поблизу торця на зовнішній кінцевий поверхні кавітаторів виконані криволінійні канали з кутовим поперечним перерізом у відповідності з напрямком зовнішнього закрученого потоку в місці установки кавітатора, причому з торця по периферії кавітаторів завдяки цим каналам сформовані голчасті виступи. При гарантованих умовах кавітаційного режиму течії в зоні мінімального діаметра сопла кавітатори можна встановлювати таким чином, щоб вони були повернені на 180°, при цьому їх торцева поверхня також розміщується в тому ж місці, а розташування вторинного сопла і трубки можуть бути регульованими по довжині в залежності від швидкості руху апарата. Для гарантованого генерування мікробульбашок заданого розміру в генераторі мікробульбашок можна встановлювати послідовно два чи більше внутрішніх циліндрів з вторинними соплами Лаваля. Суть корисної моделі пояснює креслення: Фіг. 1 представляє схему носової частини тіла обертання або підводного профілю крила, в якій розміщуються запропоновані генератори мікробульбашок для підводних апаратів. Фіг. 2 показує поперечний переріз конструкції запропонованої корисної моделі. Фіг. 3 ілюструє вигляд А спереду поперечного перерізу конструкції запропонованої корисної моделі (фіг. 2). Фіг. 4 представляє поперечний переріз Б-Б конструкції запропонованої корисної моделі (фіг. 2). Фіг. 5 представляє конструкцію кавітатора 3 запропонованої корисної моделі (фіг. 2). На фіг. 1 наведена носова частина 3 тіла обертання 1 або підводного крила, причому між ними розміщено щілину 2, скрізь яку в примежовий шар інжектується водо-бульбашкова суміш. В носовій частині 3 розміщені запропоновані генератори мікробульбашок 5, що мають носові отвори 4, канали 6 з водо-мікробульбашковою сумішшю та канали 7 з водо-бульбашковою сумішшю. На фіг. 2 наведено поперечний переріз конструкції запропонованого генератора мікробульбашок 1, у носовій частині якого встановлені направляючі криволінійні лопатки 2, що закручують вхідний потік (показано криволінійною стрілкою). Конструкція генератора мікробульбашок 1 виконана в формі сопла Лаваля, у вузькій частині якого встановлено по центру вісесиметричний кавітатор 3 та периферичні криволінійні кавітатори 4, що встановлені вздовж ліній струму закрученого потоку. Усередині корпусу 1 нижче по потоку за кавітаторами встановлено обтічне сопло Лаваля 5 на обтічних платівках 6, повернених у відповідності з напрямком закрученого потоку. У вузькій частині сопла Лаваля 5 встановлено осьовий кавітатор 3 меншого розміру. За соплом Лаваля 5 встановлено трубку, у яку надходить осьова частина потоку, що витікає із сопла. Периферична частина закрученого потоку, що витікає із сопла 5, змішується з закрученим потоком, що обтікає сопло 5, та рухається у трубі 8. На фіг. 3 наведено вигляд А на генератор мікробульбашок 1 (фіг. 2) з встановленими направляючими криволінійними лопатками 2. На фіг. 4 наведено поперечний переріз Б-Б генератора мікробульбашок 1 (фіг. 2) з встановленими осьовим кавітатор 3 та периферичними криволінійними кавітаторами 4. 2 UA 99031 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На фіг. 5 показано конструкцію осьового кавітатора 1, який складається з вісесиметричного тіла обертання з втисненою торцевій кромкою 3, а на зовнішній кінцевий поверхні кавітатора 1 виконані криволінійні канали з кутовим поперечним перерізом 2 у відповідності з напрямком зовнішнього закрученого потоку в місці установки кавітатора, причому з торця по периферії кавітаторів завдяки цим каналам сформовані голчасті виступи. Запропонований пристрій працює наступним чином. Носові отвори 4 згідно фіг. 1 розміщуються в районі максимальних значень розподілу тиску вздовж вибраної форми обтічного тіла. При цьому набігаючий потік має максимальний швидкісний напір в районі розташування носових отворів, а швидкість течії в отворах буде відповідати швидкості руху тіла. Згідно фіг. 2 на початку носової частині запропонованого генератора мікробульбашок 1 встановлено кільце з направляючими криволінійними лопатками 2, що закручують вхідний потік. Як показано на фіг. 3 направляючі лопатки займають тільки частину поперечного перерізу вхідної труби, що зменшує гідравлічні втрати. При наближенні до вузького місця сопла Лаваля потік повністю закручується по всьому поперечному перерізу, а його швидкість суттєво зростає і має максимальне значення в найбільш вузькому поперечному перерізі сопла і на деякій відстані за ним. В цьому районі розміщуються вісесиметричний кавітатор 3 та периферичні криволінійні кавітатори 4 (фіг. 2, 4) таким чином, що їх кінцеві перерізи розташовані в місці мінімального перерізу сопла. Криволінійні кавітатори 4 встановлені вздовж ліній струму закрученого потоку, що дозволяє підтримувати закрученість потоку та зменшити гідравлічні втрати. Крім того кавітатори 4 встановлені на пластинчатих криволінійних вертикальних опорах на відстані від внутрішньої поверхні сопла, яке перевищує місцеву товщину примежового шару. Це дозволяє розмістити ці кавітатори в основному потоці і забезпечити максимальну ефективність роботи кавітаторів. На фіг. 5 наведені форма і конструкція центрального вісесиметричного кавітатора 1, на зовнішній поверхні якого в районі торцевої частини виготовлені криволінійні трикутні проточки 2 у відповідності з напрямком закрученості основного потоку. Торцева поверхня 3 має циліндричне заглиблення таким чином, що формує зовнішню гостру кромку. Це дозволяє на торці мати систему голчатих кінцівок в напрямку закрученості основного потоку, що зменшує опір тертя та полегшує відрив бульбашок з кавітаторів. Відношення максимального діаметра на вході в генератор мікробульбашок до мінімального діаметру сопла в районі розташування кавітаторів розраховується таким, щоб в заданому діапазоні швидкостей руху апарата у відривній зоні за кавітаторами місцевий парціальний тиск газу, розчиненому у воді, був таким, щоб за торцями кавітаторів виникав кавітаційний режим обтікання, а із води інтенсивно виділялися бульбашки, які складалися із водяної пари та розчинених у воді газів. При цьому водо-бульбашкова суміш зривається з голок, розташованих на периферії торців кавітаторів, і закручується в набігаючому потоці таким чином, що формуються центральна закручена водо-бульбашкова завіса за центральним кавітатором 3 та окремі периферійні закручені водо-бульбашкові завіси за периферійними кавітаторами 4 (фіг. 2, 4). Таким чином усередині корпусу генератора мікробульбашок за кавітаторами розвиваються дві форми обертових циліндричних вихрових структур, що розширюються: суцільна центральна завіса та периферійна періодична завіса, що рухається поблизу внутрішньої поверхні корпусу генератора мікробульбашок. У всіх відомих циклонах і сепараторах при обертанні потоку уздовж 2 криволінійної внутрішньої поверхні їхнього корпуса виникає відцентрова сила F=mv /R, де m 2 маса точки, прискорення а=v /R, v - лінійна швидкість по траєкторії руху, R - радіус кривизни траєкторії. У вказаних двох формах вихрових структур в результаті впливу відцентрових сил відбувається сепарація водо-бульбашкових потоків - у напрямку до внутрішньої поверхні стінки корпусу рухається водо-бульбашкова суміш, що містить дрібні бульбашки (більш важка суміш), а до поздовжньої осі симетрії корпусу направляється водо-бульбашкова суміш, що містить великі бульбашки (більш легка суміш). Відсепарована водо-бульбашкова суміш, що сформована за периферійними кавітаторами в формі циліндричної завіси нижче по потоку наближується до обтічного сопла Лаваля 5 (фіг. 2), при цьому водо-бульбашкова обертова суміш, що містить дрібні бульбашки, обтікає корпус сопла Лаваля 5 зовні, а водо-бульбашкова обертова суміш, що містить великі бульбашки, рухається всередину корпуса сопла Лаваля 5. Одночасно водо-бульбашкова обертова суміш, що сформована за центральним кавітатором 3, рухається в напрямку сопла 5 у вигляді круглого водо-бульбашкового циліндра, що розширюється, на периферії якого розташовуються дрібні бульбашки, а всередині - великі бульбашки. Мікробульбашкова суміш розширюється і рухається в напрямку до внутрішньої поверхні корпуса 1, при цьому ця суміш частково проходить скрізь водо-бульбашкову обертову суміш, що сформована за периферійними кавітаторами 4 і містить великі бульбашки, а частково перемішується з ними і проходить всередину сопла 5. Таким чином всередині цього сопла 3 UA 99031 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 рухаються в основному суміші з великими бульбашками і частково з дрібними бульбашками. У вузькій частині сопла Лаваля 5 за осьовим кавітатором 3 набігаючий потік водо-бульбашкової обертової суміші ініціює кавітаційний режим і формування нової водо-бульбашкової суміші, що змішується із набігаючим потоком. За соплом 5 виникає також сепарація водо-бульбашкової суміші таким чином, що водо-бульбашкова обертова суміш, що містить дрібні бульбашки, рухається до внутрішньої стінки корпусу 1 і з'єднується з аналогічною сумішшю, що сформована за периферійними кавітаторами 4. Ця мікробульбашкова суміш рухається в трубі 8, а водобульбашкова обертова суміш, що містить великі бульбашки, рухається в трубі 7, яка в подальшому виходить назовні скрізь трубу 8. На фіг. 1 ці труби позначені відповідно цифрами 6 і 7, з яких потік водо-бульбашкової обертової суміші витікає скрізь щілину 2. Мікробульбашкова суміш, що витікає з трьох і більше відгалужень труби 8 формує в подальшому за щілиною повздовжні вихрові структури, які підвищують стійкість потоку і зменшують гідродинамічний опір тертя [1]. Водо-бульбашкова обертова суміш, що витікає скрізь трубу 7, також формує повздовжні вихрові структури, які менш ефективні в порівнянні з мікробульбашковою сумішшю. В обох випадках інжектування водо-бульбашкового потоку в примежовий шар у поєднанні з формуванням повздовжніх вихрових структур формує комбінований спосіб впливу на характеристики примежового шару і суттєво зменшує опір тертя [1]. В залежності від розміщення щілини вздовж корпусу апарата можлива автономна подача води в генератори мікробульбашок. В залежності від глибини занурення апарата можливо подавати повітря під тиском, що залежить від глибини руху, скрізь отвори, або перфорацію, розташовані в місці найменшого діаметру основного сопла Лаваля. Якщо за основу роботи прийняти фізичний механізм формування в соплі кавітаційного режиму течії, то кавітатори необхідно встановлювати таким чином, щоб вони розвертались на 180°, при цьому їх торцева поверхня розміщувалась в тому ж місці. Розташування сопла 5 і труби 7 можуть бути регульованими по довжині в залежності від швидкості руху апарата. Відомо [1], що максимальна ефективність зазначеного методу зменшення опору залежить від розміру бульбашок, які не повинні перевищувати 50 мікрон. Для отримання подібних розмірів мікробульбашок можливо встановлювати в генераторі мікробульбашок послідовно два чи більше сопла 5. Запропоновані генераторі мікробульбашок можливо встановлювати в необхідному місці вздовж довжини корпуса апарата. Порівняльний аналіз запропонованої конструкції з найбільш близьким аналогом-прототипом показує, що усуваються відзначені недоліки прототипу, а це приводить до зменшення витрат енергії на генерування водо-мікробульбашкової суміші, до підвищення якості отримання мікробульбашок, до формування комбінованого методу, що ефективно зменшує гідродинамічний опір рухомого тіла, до збільшення продуктивності роботи запропонованої корисної моделі, до істотного спрощення конструкції, до зменшення металоємності і експлуатаційних витрат. Джерела інформації: 1. Babenko V.V., Chun Н.Н., Inwon Lee. Boundary Layer Flow over Elastic Surfaces. Compliant Surfaces and Combined Methods for Marine Vessel Drag Reduction. - Amsterdam, Boston, Heidelberg, - London and others. Elsevier publishers. Butterworth-Heinemann: 2012-631 p. 2. Авторское свидетельство СССР № 1273292 МПК В63 Судно с системой подачи воздуха на его днище. Автор - А.Е. Недобежкин. Опубліковано 30 сентября 1986 г. 3. Деклараційний патент України № 65250 МПК B63G 8/42, В63В 3/13 ПІДВОДНИЙ АПАРАТ. Автори - Довгий С.А., Мороз В.В., Бабенко В.В., Поліщук С.В. Опубліковано 15.03.2004. Бюл. № 3. 4. Патент на изобретение РФ № 2144107 МПК Е02В Способ гидродинамической микропузырьковой рыбозащиты водозаборов и устройство для его осуществления. Автори Булгаков Б.Б. (UA), Булгаков А.Б. (UA), Банцевич З.Л. (RU), Преснов Г.B. (RU), Романцов В.П. (UA). Опубліковано 10.01.2000. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 1. Генератор мікробульбашок для підводних апаратів, виконаний у вигляді послідовно з'єднаних водонапірної магістралі, повітрозабірного патрубка, циліндричного корпусу з конфузором, дифузором і проточною камерою, в якому розташоване тіло кавітації, виконане у вигляді тіла обертання, причому воно може бути виконане зі зрізаним наконечником, який відрізняється тим, що корпус генератора виконано в формі круглого циліндра перемінного радіуса по довжині, на вході в який всередині встановлено кільце із закріпленими поблизу внутрішньої поверхні 4 UA 99031 U 5 10 15 20 25 30 35 корпусу направляючими криволінійними лопатками, що займають частину вхідного діаметра корпусу і закручують вхідний потік, нижче по потоку корпус приймає форму сопла Лаваля (основного), в якому встановлено по центру поперечного перерізу вісесиметричний кавітатор та закріплені поблизу внутрішньої криволінійної поверхні корпусу периферичні криволінійні кавітатори, що встановлені вздовж ліній струму закрученого потоку, причому всі кавітатори встановлені таким чином, що їх торцеві зрізані поверхні встановлено в місці розташування найменшого діаметра основного сопла Лаваля, а периферійні кавітатори закріплено на криволінійних платівках на відстані від стінки корпусу, що перевищує місцеву товщину примежового шару потоку, окрім того, в місці розташування найменшого діаметра основного сопла Лаваля в поверхні корпусу можуть бути виконані отвори, або перфорація, що з'єднані з автономною повітряною системою; на деякій відстані за основним соплом Лаваля усередині корпусу генератора встановлено обтічний циліндр, внутрішня поверхня якого виконана також в формі сопла Лаваля (вторинного), причому цей циліндр прикріплений до внутрішньої поверхні корпусу за допомогою обтічних криволінійних платівок, повернених у відповідності з напрямком закрученого потоку, що рухається за основним соплом Лаваля, окрім того, у вузькій частині вторинного сопла Лаваля встановлено таким же чином, як і у основного сопла Лаваля, вісесиметричний обтічний кавітатор, що конструктивно подібний до центрального кавітатора основного сопла Лаваля, але має менший розмір, причому позаду циліндра на деякій відстані встановлено центральну трубку, у яку надходить осьова частина потоку, що витікає із вторинного сопла Лаваля, а периферична частина цього витікаючого потоку змішується з закрученим потоком, що обтікає циліндр ззовні, і рухається у більшій по діаметру зовнішній трубі, яка є продовженням корпусу генератора мікробульбашок, при цьому нижче по потоку скрізь цю трубу герметично проходить центральна трубка; торцева частина всіх кавітаторів має втиснуту всередину поверхню, а поблизу торця на зовнішній кінцевий поверхні кавітаторів виконані криволінійні канали з кутовим поперечним перерізом у відповідності з напрямком зовнішнього закрученого потоку в місці установки кавітатора, причому з торця по периферії кавітаторів завдяки цим каналам сформовані голчасті виступи. 2. Генератор мікробульбашок для підводних апаратів за п. 1, який відрізняється тим, що при гарантованих умовах кавітаційного режиму течії в зоні мінімального діаметру сопла кавітатори можна встановлювати таким чином, щоб вони були повернені на 180°, при цьому їх торцева поверхня також розміщується в тому ж місці, а розташування вторинного сопла і трубки можуть бути регульованими по довжині в залежності від швидкості руху апарата. 3. Генератор мікробульбашок для підводних апаратів за п. 1, який відрізняється тим, що для гарантованого генерування мікробульбашок заданого розміру в генераторі мікробульбашок можна встановлювати послідовно два чи більше внутрішніх циліндрів з вторинними соплами Лаваля. 5 UA 99031 U 6 UA 99031 U 7 UA 99031 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8