Регулятор потока текучей среды

007421 Область техники Изобретение относится к соплам, диффузорам и трубкам Вентури. Его можно применить в любых практических ситуациях, где используются традиционные сопла, диффузоры и трубки Вентури. Уровень техники Сопла, диффузоры и трубки Вентури представляют собой каналы особого типа, используемые в потоках текучих сред. Применительно к целям данного изобретения, под соплом понимается канал с переменным поперечным сечением, рассчитанный таким образом, чтобы происходило ускорение потока текучей среды под действием перепада давления между точками впуска и выпуска. Под диффузором понимается канал с переменным поперечным сечением, рассчитанный таким образом, чтобы происходило замедление потока текучей среды вследствие повышения давления между точками впуска и выпуска. Наконец, под трубкой Вентури понимается канал, содержащий последовательно состыкованные участок с функцией сопла и участок с функцией диффузора. Сопла широко используют в гидравлических системах в качестве средства для ускорения потока текучей среды, и применяют их в самых разнообразных отраслях. Диффузоры используют для замедления потока текучей среды и также находят исключительно широкое применение. Что касается трубок Вентури, то их используют для получения в канале короткого участка с ускоренным потоком текучей среды. Согласно хорошо известному закону термодинамики, ускоренный поток текучей среды сопровождается понижением давления, поэтому во многих случаях применение трубок Вентури направлено на использование пониженного давления. Однако наряду с фактом широкого применения сопел, диффузоров и трубок Вентури хорошо известно и то, что на их эксплуатационные характеристики существенно влияют турбулентность и потери на трение. Эти факторы значительно ограничивают спектр возможного применения указанных устройств. Краткое изложение сущности изобретения Предметом изобретения является регулятор потока, выполненный с возможностью управления потоком текучей среды в указанном регуляторе и содержащий канал для потока, предназначенный для транспортировки указанной текучей среды, причем площадь поперечного сечения канала для потока изменяется по его длине, причем регулятор потока имеет, по меньшей мере, на некотором участке своей длины активную поверхность, обеспечивающую воздействие на поток текучей среды по каналу. В соответствии с одним из предпочтительных признаков изобретения активная поверхность обеспечивает создание вращательного движения текучей среды в канале потока вокруг оси потока текучей среды. В соответствии с другим предпочтительным признаком активная поверхность обеспечивает создание вихревого движения текучей среды в канале потока вокруг оси потока текучей среды. В соответствии с еще одним предпочтительным признаком конфигурация активной поверхности соответствует по меньшей мере одной логарифмической кривой, отвечающей принципу золотого сечения. В соответствии со следующим предпочтительным признаком кривизна активной поверхности является одномерной. В соответствии со следующим предпочтительным признаком кривизна активной поверхности является двумерной. В соответствии со следующим предпочтительным признаком кривизна активной поверхности изменяется в соответствии с принципом золотого сечения. В соответствии со следующим предпочтительным признаком кривизна активной поверхности соответствует логарифмической спирали. В соответствии со следующим предпочтительным признаком кривизна активной поверхности поперечна центральной оси канала потока текучей среды. В соответствии со следующим предпочтительным признаком кривизна активной поверхности может быть параллельна центральной оси. В соответствии со следующим предпочтительным признаком кривизна активной поверхности одновременно поперечна центральной оси и параллельна центральной оси, определяя при этом трехмерную поверхность, отвечающую практически или в большей части принципу золотого сечения. В соответствии со следующим предпочтительным признаком канал потока текучей среды имеет форму спирали. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления, конфигурация принимает форму логарифмической спирали, или волюты, или завитка ракушки. В соответствии со следующим предпочтительным признаком площадь поперечного сечения канала потока изменяется логарифмически практически или в большей части в соответствии с принципом золотого сечения. В соответствии со следующим предпочтительным признаком площадь поперечного сечения траектории потока изменяется таким образом, что это вызывает логарифмическое изменение пошаговой разности объемов канала потока.-1 007421 В соответствии со следующим предпочтительным признаком пошаговая разность объемов изменяется в соответствии с принципом золотого сечения. В соответствии со следующим предпочтительным признаком активная поверхность имеет форму,соответствующую наружной форме раковин брюхоногих или головоногих моллюсков. В соответствии с отдельными формами выполнения, активная поверхность соответствует наружной конфигурации раковин моллюсков рода Volutidea, Argonauta, Nautilus, Conidea или Turbinidea. В соответствии со следующим предпочтительным признаком активная поверхность имеет форму внутренней поверхности раковин брюхоногих или головоногих моллюсков. В соответствии с отдельными формами выполнения, активная поверхность имеет конфигурацию внутренней поверхности раковин моллюсков рода Volutidea, Conidea, Turbinidea, Argonauta или Nautilus. В соответствии со следующим предпочтительным признаком форма регулятора потока способствует получению, по существу, радиально ламинарного потока текучей среды. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления регулятор потока содержит сопло. В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления регулятор потока содержит диффузор. В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления регулятор потока содержит трубку Вентури. Сущность изобретения будет более понятна из нижеследующего подробного описания и ряда конкретных вариантов осуществления. Краткое описание чертежей Изложение сущности изобретения ведется со ссылками на прилагаемые чертежи, где на фиг. 1 приведена диаграмма, иллюстрирующая принцип золотого сечения или прогрессию Фибоначчи; на фиг. 2 представлено изометрическое изображение сопла согласно первому варианту осуществления; на фиг. 3 представлено изометрическое изображение сопла согласно второму варианту осуществления; на фиг. 4 представлено изометрическое изображение сопла согласно третьему варианту осуществления; на фиг. 5 представлено изометрическое изображение диффузора согласно четвертому варианту осуществления; на фиг. 6 представлена традиционная трубка Вентури в разрезе; на фиг. 7 представлено изометрическое изображение трубки Вентури согласно пятому варианту осуществления; фиг. 8 представлено изометрическое изображение трубки Вентури согласно шестому варианту осуществления. Подробное описание конкретных вариантов осущестления Предметом изобретения является регулятор потока, структура которого имеет конфигурацию, обеспечивающую изменение скорости потока текучей среды в процессе ее прохождения через регулятор. Каждый из вариантов осуществления касается регулятора потока, рассчитанного на изменение скорости потока текучей среды. Было обнаружено, что все текучие среды при движении под воздействием природных сил стремятся перемещаться в виде спиралей или вихрей. Эти спирали или вихри соответствуют в целом математической прогрессии, известной под названием "золотого отношения" или "последовательности Фибоначчи". Каждый из вариантов осуществления рассчитан на то, чтобы дать по большей части текучим средам возможность перемещения в соответствии с установившимся естественным порядком, благодаря чему будут уменьшены проблемы, связанные с турбулентностью и трением, наблюдаемыми обычно в устройствах, традиционно используемых для транспортировки текучих сред. Разработанные же ранее методы в меньшей степени согласуются с тенденциями, свойственными естественным потокам текучих сред. Большая часть поверхностей регулятора потока согласно каждому из описанных здесь вариантов осуществления выполнены в целом, по большей части, в соответствии с принципом золотого сечения,или отношения, либо таким образом, чтобы обеспечить расширение или сжатие объема текучей среды,циркулирующей через регулятор потока по большей части в соответствии с принципом золотого сечения, поэтому каждый из этих вариантов отличается тем, что регулятор потока образует канал для потока текучей среды, имеющий спиралевидную форму и отвечающий по меньшей мере в своей большей части,принципам золотого сечения, или отношения. Характеристики золотого сечения продемонстрированы на фиг. 1, где показана развертка спиральной кривой в соответствии с принципом золотого сечения, или отношения. По мере развертывания спирали увеличение радиуса кривой, измеряемого по равноугольным радиусам (например, Е, F, G, Н, I и J), остается постоянным. Это можно показать с помощью треугольно-2 007421 го представления каждого радиуса между всеми последовательностями согласно формуле a:b = b:a+b,которая приблизительно соответствует отношению 1:0,618, постоянному по всей кривой. Один из признаков, характеризующих каждый вариант осуществления, состоит в том, что кривизна поверхностей, образующих регулятор потока, принимает двумерную или трехмерную форму, которая эквивалентна вихревым линиям, или линиям, наблюдаемым во встречающихся в природе вихрях. Как правило, кривизна поверхностей соответствует, практически или в большей части, характеристикам золотого сечения, или отношения, так что любое изменение площади поперечного сечения регулятора потока также практически или по большей части соответствует этим характеристикам. В соответствии по меньшей мере с некоторыми из вариантов осуществления, кривизна активной поверхности соответствует логарифмической спирали. Кроме того, было обнаружено, что характеристики золотого сечения, или отношения, встречаются в природе в виде наружных и внутренних форм раковин животных, относящихся к типу моллюсков, классы брюхоногих и головоногих, поэтому один из общих признаков, характеризующих, по меньшей мере, некоторые из вариантов осуществления, состоит в том, что канал для потока текучей среды, определяемый регулятором потока, соответствует в целом наружной и внутренней форме раковин животных одного или нескольких родов, относящихся к типу моллюсков, классы брюхоногих или головоногих. Было также выявлено, что при направлении потока текучей среды по каналу с кривизной, которая практически или в большей части соответствует кривизне золотого сечения, или отношения, то поток текучей среды по поверхностям будет практически нетурбулентным и, как следствие этого, будет демонстрировать меньшую склонность к кавитации. В результате этого поток текучей среды по поверхности оказывается более эффективным, чем это имело место в предыдущих случаях, когда траектория не соответствовала, практически или по большей части, принципу золотого сечения. Благодаря уменьшению турбулентности в потоке текучей среды при ее прохождении по такому каналу, регуляторы потока согласно различным вариантам осуществления можно использовать для транспортировки текучих сред с более высокой эффективностью, чем это было возможно ранее при работе с традиционными регуляторами потока, имеющими аналогичные размерные характеристики. Следует отметить, что признаки вариантов осуществления не могут быть проиллюстрированы с помощью простых двумерных чертежей. Для того чтобы читатель мог лучше уяснить их сущность, наружные поверхности различных конструкций изображены на чертежах таким образом, чтобы они соответствовали внутренним поверхностям, как в случае, если бы стенки этих конструкций имели неизменную толщину. Благодаря этому удается дать некоторое представление о спиральных конфигурациях внутренних поверхностей. В реальных устройствах для управления потоком текучей среды конфигурация наружной поверхности не имеет значения для понимания сути конструкций, соответствующих вариантам осуществления, так что эта наружная поверхность может иметь конфигурацию самой простой поверхности типа конуса, тогда как внутренняя поверхность остается при этом сложной, как продемонстрировано на рассматриваемых чертежах. Конструкция согласно первому варианту осуществления имеет вид сопла, как показано на фиг. 2. Сопло 11 имеет корпус 21, выпускное отверстие 22 и впускное отверстие 23, которое может быть присоединено к какому-нибудь каналу (не показан) типа трубы, шланга и т.п., который является источником текучей среды под давлением. Корпус 21 сопла имеет внутреннюю поверхность 25, площадь поперечного сечения которой уменьшается по направлению к выпускному отверстию 22. Кроме этого, можно видеть, что в пространстве между впускным и выпускным отверстиями происходит скручивание внутренней поверхности сопла, имеющее комбинированный винтовой и спиральный характер. Как было показано выше, такое скручивание имеет форму, которая позволяет получить активную поверхность, соответствующую по меньшей мере в большей части характеристикам золотого сечения, или отношения. Ниже будет продемонстрировано, что в результате скручивания текучей среде, протекающей через сопло, сообщается вращательное движение вокруг продольной оси сопла, вследствие чего в текучей среде возникает вихревое движение. Вследствие указанного вихревого движения происходит существенное уменьшение турбулентности и трения в сопле по сравнению с теми, которые наблюдаются в традиционных соплах, имеющих простую внутреннюю поверхность конической формы. Конструкция согласно второму варианту осуществления имеет вид сопла типа показанного на фиг. 3. Она в значительной степени аналогична конструкции по первому варианту, поэтому одни и те же элементы обозначены на чертежах одинаковыми позициями. Второй вариант отличается от первого только конкретной конструкцией сопла в том отношении, что оно здесь относительно длиннее и характеризуется большим скручиванием. Изменяя параметры сопла, можно управлять формированием вихревого потока, выходящего из его выпускного отверстия. В некоторых случаях желательно, чтобы из выпускного отверстия выходил узкий вихревой поток, тогда как в других случаях может потребоваться расходящийся поток, что способствует перемешиванию выходящего вещества с окружающей текучей средой. Конструкция согласно третьему варианту осуществления имеет вид сопла типа показанного на фиг. 4. В соответствии с этим вариантом скручивание обтекаемых средой поверхностей вызывает поперечное отклонение направления потока относительно направления входящего потока. Такое изменение направ-3 007421 ления достигается без сколько-нибудь заметных потерь, поскольку внутренняя поверхность сопла имеет форму, соответствующую по меньшей мере в большей части характеристикам золотого сечения или отношения. В результате достигается практически полное отсутствие турбулентности. Следует иметь в виду, что возможно создание целой группы вариантов осуществления, благодаря которым выходной поток может быть направлен под углом относительно направления входного потока. Конструкция согласно четвертому варианту осуществления имеет форму диффузора, как показано на фиг. 5. Следует иметь в виду, что диффузор может содержать регулятор потока, практически идентичный соплу, однако, с противоположным направлением потока. В этом отношении диффузор по фиг. 5 аналогичен соплу, показанному на фиг. 2, но имеет внутреннюю поверхность 25, поперечное сечение которой увеличивается по направлению к выпускному отверстию 22. По этой причине и здесь тоже одни и те же элементы обозначены на чертежах одинаковыми позициями. Как и в случае с соплом, хотя диффузор по фиг. 5 вызывает в потоке текучей среды вихревое движение, имеется возможность точно регулировать характеристики выходного потока путем изменения конструктивных параметров диффузора с сохранением при этом такой внутренней поверхности, которая соответствовала бы по меньшей мере в большей части принципам золотого сечения или отношения. Выше применительно к известным конструкциям было отмечено, что происходит изменение площади поперечного сечения между впускными и выпускными отверстиями, в соплах она уменьшается, а в диффузорах увеличивается. В ходе дальнейшей разработки рассмотренных ранее конструкций было установлено, что целесообразно, по крайней мере в некоторых обстоятельствах, изменять шаг изменения объема регулятора вдоль канала прохождения текучей среды в соответствии с характеристиками золотого сечения, или отношения. Для реализации этого признака последующие варианты осуществления регуляторов потоков текучей среды, как было показано выше, выполняют с конфигурацией, соответствующей указанному ограничению. Вследствие этого объем текучей среды, проходящей через регулятор потока, расширяется или сужается, по большей части, в соответствии с принципами золотого отношения. Конструкция согласно пятому варианту осуществления имеет вид модифицированной трубки Вентури типа показанной на фиг. 7. Лучше всего оценить достоинства этой конструкции можно сравнив ее с традиционной трубкой Вентури, изображенной на фиг. 6. Как показано на фиг. 6, известная трубка Вентури 51 имеет впускное отверстие 52, выпускное отверстие 53 и суженную зону 54. У этой суженной зоны есть входной участок 55, выходной участок 56 и участок максимального сужения 57. Поток показан на чертеже линиями 58. Когда текучей среде подают во впускное отверстие 52 трубки Вентури 51, на нее оказывает воздействие входной участок 55, где диаметр канала для текучей среды постепенно уменьшается до достижения участка максимального сужения 57. Благодаря такой конструкции происходит увеличение скорости текучей среды в пределах канала. В соответствии с хорошо известными законами термодинамики, такое увеличение скорости движения текучей среды сопровождается уменьшением давления текучей среды. За участком максимального сужения 57 на поток текучей среды начинает действовать выходной участок 56,где диаметр канала для текучей среды постепенно увеличивается по направлению к выпускному отверстию 53. На выходном участке 56 происходит постепенное замедление потока текучей среды. Как известно, в трубках Вентури имеют место очень значительные потери энергии. Как говорилось выше, причиной этих потерь являются как трение, так и турбулентность. В частности, широко известно,что хотя эксплуатационные характеристики трубки Вентури можно улучшить посредством увеличения отношения входного диаметра к диаметру участка максимального сужения 57, в практических условиях любая выгода, полученная в результате подобного уменьшения участка максимального сужения, быстро сводится на нет из-за происходящего при этом роста потерь. Как показано на фиг. 7, модифицированная трубка Вентури 61 имеет впускное отверстие 62, выпускное отверстие 63, участок максимального сужения 64, входной участок 65 и выходной участок 66. Здесь сразу можно видеть, что эти участки соответствуют в целом соответствующим участкам традиционной трубки Вентури по фиг. 6. Однако в отличие от этой последней, входной участок 65 и выходной участок 66 имеют особую конструкцию, позволяющую вызывать перемещение текучей среды в соответствии с законами природы. Как было сказано выше, регулятор потока выполнен с каналом, имеющим кривизну, которая практически или в большей части соответствует кривизне золотого сечения или отношения. В результате индуцируется вихревой поток текучей среды, большая часть которого отвечает принципам золотого сечения или отношения. Потери энергии в таком вихревом потоке оказываются значительно меньше, нежели те, которые обусловлены работой известных трубок Вентури. Благодаря существенному снижению потерь энергии, создаваемых при работе модифицированной конструкции трубки Вентури согласно пятому варианту осуществления, рассматриваемое устройство можно использовать с большей эффективностью, чем это было возможно ранее. Прежде всего, становится возможным увеличение отношения площади впускного отверстия к площади участка максимального сужения. Благодаря этому возрастает относительный перепад давлений, который может создаваться между впускным отверстием и участком максимального сужения. Как следствие этого, удается расширить сферу применения предлагаемого устройства.-4 007421 Конструкция согласно шестому варианту осуществления имеет вид модифицированной трубки Вентури типа показанной на фиг. 8. Хотя она имеет несколько иной внешний вид, действует она практически так же, как и в случае с пятым вариантом, поэтому и здесь сходные элементы обозначены на чертежах одинаковыми позициями. В рассматриваемой конструкции тоже имеется канал, площадь поперечного сечения которого уменьшается в направлении от впускного отверстия к участку максимального сужения, а затем увеличивается по направлению к выпускному отверстию. Отличие шестого варианта от пятого заключается в том, что тогда как в конструкции согласно пятому варианту поток индуцирует вихрь, ось вращения которого совпадает с центральной осью впускного отверстия, в шестом варианте ось вращения вихря располагается, по существу, поперечно относительно центральной оси впускного отверстия. Ранее уже говорилось о том, что в соответствии с вариантами осуществления модифицированной трубки Вентури, площадь поперечного сечения канала изменяется вдоль траектории потока, уменьшаясь на его входном участке и увеличиваясь на выходном участке. Как и в примерах, относящихся к соплам и диффузорам, было обнаружено, что целесообразно, по меньшей мере, в некоторых обстоятельствах изменять пошаговое изменение объема регулятора вдоль канала для текучей среды в соответствии с характеристиками золотого сечения или отношения. Для реализации этого признака, последующие варианты осуществления модифицированных трубок Вентури, как было показано выше, имеют форму, соответствующую указанному ограничению. Вследствие этого объем текучей среды, проходящий по входному и выходному участкам трубки Вентури, сужается или расширяется в большей части в соответствии с золотым отношения. Было также установлено, что, по меньшей мере, в случае с некоторыми конфигурациями конструкций по разным вариантам осуществления удается получить, по существу, радиальный ламинарный поток, причем можно полагать, что это способствует повышению эффективности потока текучей среды в таких конструкциях. Следует иметь в виду, что объем изобретения не ограничивается объемом описанных выше конкретных вариантов осуществления. По всему тексту описания, если только контекст не подразумевает иного, слово "содержать" и его различные грамматические формы типа "содержит" или "содержащий" следует понимать как относящиеся к включению некоторого установленного целого или группы целых, а не к исключению какого бы то ни было другого целого или группы целых. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Регулятор потока, выполненный с возможностью управления потоком текучей среды в регуляторе, имеющий канал для потока, предназначенный для транспортировки указанной текучей среды, причем площадь поперечного сечения канала для потока переменна по его длине, и регулятор потока имеет, по меньшей мере, на некотором участке своей длины активную поверхность, обеспечивающую такое воздействие на поток текучей среды по каналу, которое вызывает вращательное движение текучей среды в канале. 2. Регулятор потока по п.1, в котором конфигурация активной поверхности практически соответствует по меньшей мере одной логарифмической кривой, отвечающей принципу золотого сечения. 3. Регулятор потока по любому из пп.1 или 2, в котором кривизна активной поверхности является одномерной. 4. Регулятор потока по любому из пп.1 или 2, в котором кривизна активной поверхности является двумерной. 5. Регулятор потока по любому из пп.1-4, в котором кривизна активной поверхности изменяется в соответствии с принципом золотого сечения. 6. Регулятор потока по любому из пп.1-5, в котором кривизна активной поверхности соответствует логарифмической спирали. 7. Регулятор потока по любому из пп.1-6, в котором кривизна активной поверхности поперечна относительно центральной оси траектории потока текучей среды. 8. Регулятор потока по любому из пп.1-6, в котором кривизна активной поверхности параллельна центральной оси. 9. Регулятор потока по любому из пп.1-6, в котором кривизна активной поверхности одновременно поперечна относительно центральной оси и параллельна направлению центральной оси, задавая таким образом трехмерную поверхность, отвечающую практически или в большей части принципу золотого сечения. 10. Регулятор потока по любому из предшествующих пунктов, в котором канал для потока текучей среды имеет форму спирали. 11. Регулятор потока по п.10, в котором спираль имеет форму логарифмической спирали, или волюты, или завитка ракушки.-5 007421 12. Регулятор потока по любому из пп.1-11, в котором площадь поперечного сечения канала для потока изменяется логарифмически практически или в большей части в соответствии с принципом золотого сечения. 13. Регулятор потока по любому из пп.1-12, в котором площадь поперечного сечения канала для потока изменяется таким образом, что пошаговая разность объемов изменяется в соответствии с принципом золотого сечения. 14. Регулятор потока по п.13, в котором пошаговая разность объемов изменяется в соответствии с принципом золотого сечения. 15. Регулятор потока по любому из предшествующих пунктов, в котором активная поверхность имеет форму, соответствующую наружной форме раковин брюхоногих или головоногих моллюсков. 16. Регулятор потока по п.15, в котором активная поверхность соответствует наружной конфигурации раковин моллюсков рода Volutidea, Argonauta, Nautilus, Conidea или Turbinidea. 17. Регулятор потока по п.16, в котором активная поверхность имеет конфигурацию внутреннего объема раковин животных, относящихся к типу моллюсков, класс брюхоногих или головоногих. 18. Регулятор потока по п.17, в котором активная поверхность имеет конфигурацию внутренней поверхности раковин моллюсков рода Volutidea, Conidea, Turbinidea, Argonauta или Nautilus. 19. Регулятор потока по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что содержит сопло. 20. Регулятор потока по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что содержит диффузор. 21. Регулятор потока по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что содержит трубку Вентури.