NO122811B - - Google Patents

Description

Tillegg til patent nr, 118.008.

Foreliggende oppfinnelse vedrører en videreutvikling av den i patent 118 008 (hovedpatentet) beskrevne lyd-trykkbølge-generator som omfatter et munnstykke som konvergerer til et lite tverrsnitt og derpå divergerer, samt et hult resonatorkammer som . befinner seg foran munnstykkets utløpsåpning og er åpent mot denne åpning, hvilket munnstykke frembringer en gasstråle med overlydhastighet og som anvendes således at strålen ved munnstykkets ut-løpsåpning har en overlydhastighet og et trykk som er lavere enn trykket av det omgivende gassmedium.

Lyd-trykkbølge-generatoren ifølge hovedpatentet utmerker seg ved at diameteren av resonatorkammerets inngangsåpning er i det vesentlige lik diameteren av munnstykkets trangeste parti, og at forholdet mellom tverrsnittsarealet av munnstykkets utløpsåp- ning og munnstykkets trangeste sone er minst 1,5, fortrinnsvis 3,5, idet lengden og vinkelen er fastsatt således at det største Reynolds tall for den gass som strømmer nær den indre overflate av den divergerende del av munnstykket er mindre enn 1 000 000.

De problemer som man hele tiden må ha for øye ved konstruksjonen av konvergerende-divergerende dyser eller munnstykker, er å unngå at luft-grenselagene vokser for sterkt i tykkelse og å hindre at gassen løser seg fra munnstykkets indre vegger. Disse problemer er særlig store i munnstykkets divergerende del, hvor gasshastigheten er høy. Hvis disse problemer ikke løses på en tilfredsstillende måte, vil generatoren arbeide ustabilt, særlig når den skal virke over et forholdsvis stort område av inngangs-gass-trykk.

Oppfinnelsen utmerker seg ved at der mellom munnstykkets inngangsåpning og det divergerende utgangsavsnitt er anordnet et kanalavsnitt som har et jevnt, fortrinnsvis sirkulært tverrsnitt med i det vesentlige samme tverrsnittsareal som resonatorhulrommet og hvis vegg går over i det divergerende utgangsavsnitts vegg.

Et annet problem som oppstår ved lyd-generatorer som an-vender strålemunnstykker som passeres av gass med høy hastighet, består i at beliggenheten og størrelsen av de strømbølger som frembringes i munnstykkets utløpsåpning, ofte forandrer seg med en eller annen variasjon som kan oppstå i trykket av den tilførte gass' trykk. Da størrelsen og beliggenheten av pulsatoren i forhold til munnstykket avhenger av dimensjonene og beliggenheten av disse strømbølger, frembringer forandringene uønskede forandringer som igjen påvirker generatorens utgangseffekt og effektivitet.

Oppfinnelsen vil fremgå nærmere av følgende beskrivelse avtegningen, på hvilken fig. 1 viser i perspektiv en lyd-trykk-bølge-generator, fig. 2 viser et snitt etter linjen 2 - 2 på fig. 1, og fig. 3 viser et tilsvarende snitt av en annen utførelse.

Lyd-trykkbølge-generatoren i henhold til fig. 1 og 2 omfatter en munnstykkedel 10 som danner et konvergerende innløpsav-snitt 12, et i det vesentlige sylindrisk midt- eller stabiliserende avsnitt 13 og 'et divergerende utløpsavsnitt 14. En ikke vist trykkgass-kilde er over et rør 16 forbundet med munnstykkets eller dysens innløpsende, og til munnstykkets annen ende er der festet en pulsatorenhet 18 som omfatter et pulsatprkammer eller en for- dypning 20 som oppfanger den gasstråle som trer ut av munnstykket 10 og utsender lyd-trykkbølger, alt som beskrevet i hovedpatentet.

Det sylindriske stabiliserende parti 13 som danner en forbindelse mellom det konvergerende avsnitt 12 og det divergerende avsnitt 14, bevirker en betydelig økning av stabiliteten og av generatorens utgangseffekt og effektivitet. Dette parti 13 gjør det også mulig at generatoren kan arbeide over et forholdsvis bredt område av inngangstrykk, uten at den tidligere observerte reduk-sjon i effekt og effektivitet oppstår.

En av grunnene til dette antas å være at strømningslin-jeiie for gassen gjennom munnstykket rettes ut av dette avsnitt 13 og ikke avbøyes så brått som når de to avsnitt 12 og 14 støter direkte til hinannen. Dette bevirker en utjevning eller glatting som gjør seg gjeldende over hele munnstykkets lengde og nedsetter tendensen til turbulensdannelse i og en oppbygning av grenselag under gassens strøm langs overflaten av det divergerende avsnitt. Denne utjevningsvirkning reduserer også gassens tendens til å løse seg fra veggene i dette avsnitt.

En annen grunn til de forbedringer som fåes ved hjelp av oppfinnelsen, antas å ligge i at det plan, i hvilket gasstrykket er lik det omgivende mediums trykk (omgivelsens trykkplan), ved denne konstruksjon hindres i å bevege seg inn i munnstykkets konvergerende eller divergerende avsnitt og sålédes bevirker en av-bøyning av den gasstrøm som søker å øke grenselagets tykkelse og følgelig muligheten for at gassen skal løse seg fra munnstykkets indre vegger.

En annen fordel ved konstruksjonen fremgår når trykket av den tilførte gass varieres, enten tilsiktet over et mindre område, eller som følge av trykkforandringer av den art som vanligvis oppstår i trykkgass-kilder. Under disse forhold nedsettes en økende tendens til dannelsen av tykke grenselag og turbulens og dermed en løsning fra munnstykke-veggene. Generatorens utgangseffekt kan derfor med sikkerhet forutsies og vil være stabil til tross for sådanne variasjoner i inngangstrykket, i motsetning til den mer eller mindre tilfeldige og ikke på forhånd fastsettbare utgangseffekt som man ofte har ved munnstykker uten et sådant stabiliserende avsnitt. En sådan mangel på stabilitet antas å skyldes forskyvning av omgivelsens trykkplan.

Denne stabilitet og mulighet for å forutsi anordningens karakteristikker, synes å ha visse gunstige virkninger. Ønsket er å frembringe en generator, hvis lyd-utgangseffekt er forholdsvis stabil og kan forutsies til tross for de vanlige trykkvariasjoner som de fleste trykkgass-kilder som anvendes i industrien, oppviser. Som allerede nevnt ovenfor, kan generatorens utgangseffekt varieres på effektiv måte over et rimelig område av utgangsverdier på en stabil måte som på forhånd kan forutsies, ved at trykket av den til-førte gass varieres. Således vil generatorer som er utført og som arbeider i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse, gi en jevn utgangseffekt som på forhånd kan forutsies når generatoren arbeider med trykk av tilført gass på mellom 0,7 og 2,11 kg/cm<2>.

En annen fordel som oppnås er at generatorens effektivitet forbedres, særlig når der arbeides med forholdsvis høyt trykk av den tilførte gass, omkring 2,11 kg/cm . Generatorer, i hvilke stabiliseringsavsnittet i henhold til oppfinnelsen er innsatt mellom munnstykkets konvergerende og divergerende avsnitt, har f.eks. frembragt 50 % mer utgangseffekt enn uten et sådant stabiliserende avsnitt.

En annen vesentlig fordel er at frekvensen av den lyd-trykkbølge som frembringes av generatoren, er renere, dvs. de frem-bragte frekvenser faller innenfor et bånd som er smalere enn man tidligere kunne oppnå med anordninger av denne art, således at- utgangseffekten er i større grad fri for uvedkommende støy.

Forklaringen til disse virkninger antas å være at stabiliteten og muligheten for å kunne forutsi hvordan generatoren arbeider, også følges av en tilsvarende stabilitet i dimensjonen og beliggenheten av støtbølgene i strålen. Sjokkbølgens lengdeakse antas stort sett å falle sammen med munnstykkets lengdeakse, og bølgens form antas å holde seg forholdsvis symmetrisk til denne akse. Også avstanden fra munnstykkets utløpsende til de steder hvor støtbølgenes ytre begrensningsflater konvergerer, holder seg forholdsvis konstant, dvs. er ikke utsatt for hurtige vibrasjoner eller "flagrer". Ds pulsatorkammerét 20 bør være anordnet, sen-trert og dimensjonert så nøyaktig som mulig i forhold til beliggen- . heten og dimensjonen av denne støtbølge for oppnåelse av høyest mulig effektivitet, kan der i generatoren anvendes en pulsator med faste dimensjoner for å frembringe en lyd-trykkbølge-utgangseffekt som bare avviker ubetydelig fra de optimale verdier under variasjoner av trykk av den tilførte gass. En nedsettelse av vibrasjonene av støtbølgen har også den virkning å gi en "renere" frekvensfor-deling.

Lengden J av det stabiliserende avsnitt 13 bør ha en minimumsverdi som er lik den aksiale stillingsforskyvning av omgiv-elsenes trykkplan som ville oppstå ved et vanlig konvergerende-divergerende munnstykke, hvor det konvergerende og divergerende avsnitt har samme dimensjoner som for det foreslåtte munnstykke, når inngangstrykket varierer innenfor visse ventede grenser. Avstanden for denne aksiale forskyvning kan bestemmes ved hjelp av følgende ligninger som angir de munnstykkediametre, ved hvilke det omgivende trykkplan vil oppstå, når der først anvendes et maksimalt og derpå et minimalt ventet inngangstrykk; derpå beregnes den aksiale avstand mellom de punkter på munnstykkets akse, hvor disse dia-metre befinner seg.

I disse ligninger er A tverrsnittsarealet av munnstykket på et hvilket som helst sted langs dets lengdeakse, A- tverrsnittsarealet i det punkt hvor gassens Mach-tall er 1,0, M den strømmende gass<1>Mach-tall på et hvilket som helst sted på munnstykkets lengdeakse, hvor munnstykkets tverrsnittsareal er A og trykket av den strømmende gass er P, k forholdet mellom den spesifikke varme av gasstrømmen på de forskjellige steder langs munnstykkets lengdeakse, Po det absolutte trykk av gassen ved munnstykkets innløp (stagnasjonstrykket), og P det absolutte trykk av gassen i munnstykket på et hvilket som helst sted langs munnstykkets lengdeakse.

I praksis gjøres lengden J av det stabiliserende avsnitt 13 noe større enn den ovenfor nevnte minimumsverdi. Forholdet mellom stabiliseringsavsnittets lengde J og det divergerende avsnitts 12 lengde L ligger vanligvis mellom 1/3 og 1/2. Munnstykker med et forhold J til L på 1/3 har vist seg særlig gunstige.

Pulsatorkammerét 20 i pulsatorenheten 18 holdes i den ønskede avstand fra munnstykket 10 ved hjelp av to benlignende elementer 22 som er festet til en ringformet del 24 som er forsynt med innvendige gjenger 26 og påskrudd munnstykket 10. Denne gjen-geforbindelse kan anvendes til innstilling av avstanden mellom pulsatorenheten 18 og munnstykket 10.

Det konvergerende avsnitts 12 lengde I og konvergerings-vinkel a, samt det divergerende avsnitts 14 lengde L og diverger-ingsvinkel b som er nødvendig for å gi den foretrukne utgangseffekt fra generatoren, kan alle bestemmes ved hjelp av ligningene (1) og (2) i overensstemmelse med de prinsipper som er beskrevet i hovedpatentet. Som også beskrevet i hovedpatentet bestemmes avstand Y mellom munnstykkets utløp og pulsatoren 20 innløp samt pulsatorens dybde Z med sikte på å oppnå optimal virkning.

Pulsatorhulrommet 20 har form av et sylindrisk hull, hvis bunn 28 er konisk formet. Denne koniske form medvirker også til å forbedre generatoren, idet frekvensen av de lydbølger som utgår fra pulsatoren 20 da vil falle innenfor et i det vesentlige smalere bånd enn ved tidligere anordninger av lignende art. Dette kan og-så uttrykkes på den måte at den utgående lyd-trykkbølge blir "renere" og således inneholder mindre støy.

Når denne pulsator med konisk formet bunn benyttes sammen med et munnstykke som inneholder et stabiliserende avsnitt i henhold til oppfinnelsen, vil pulsatoren frembringe en lyd-trykk-bølge som har en meget tilfredsstillende frekvenskarakteristikk, idet både munnstykkets stabiliserende avsnitt og pulsatorens koniske bunn virker sammen til å frembringe "renere" bølger.

Bunnens 28 konusvinkel c bør ligge mellom 90 og 150°, og en vinkel på 120° har vist seg særlig tilfredsstillende. Det antas at denne koniske bunn oppfanger og reflekterer de trykkbølger som frembringes av gasstrømmen gjennom munnstykket 10, på en sådan måte at frembringelsen av lyd-trykkbølger av uønskede frekvenser, i større eller mindre grad elimineres.

Lyd-trykk-generatoren på fig. 3 omfatter et hus 30 som inneholder et rørformet avsnitt 32 med innvendige vegger 34, et par fremadragende ben 36 som forbinder den rørformede del 32 med et endeparti 38 som inneholder et pulsatorhulrom 40.

En sylindrisk munnstykkedel 42 er skrudd inn i det rør-formede parti 32 og har en aksial passasje som omfatter et rett sylindrisk, stabiliserende avsnitt 44 som etterfølges av et divergerende avsnitt 46. Munnstykket er over et rør 48 med gjenget endeparti 50 forbundet med en ikke vist trykkgasskilde.

Fig. 3 viser en lyd-bølge-generator av enklere utførelse enn de ovenfor beskrevne; for det første er bearbeidelsen av avsnit-tene 44 og 46 enklere, idet delen 42 kan fremstilles som et særskilt element og føres inn i hylsedelen 32 når den er ferdig fremstilt,

og for det annet er delen 32 utført uten konvergerende avsnitt tilsvarende avsnittet 12 på fig. 1 og 2. Dette betinger en ytterlig-ere forenkling av munnstykket.

Den minste verdi for det stabiliserende avsnitts 44 lengde K kan bestemmes som beskrevet i forbindelse méd lengden J på fig. 1. Forholdet mellom det stabiliserende avsnitts lengde K og det divergerende avsnitts lengde N ligger vanligvis mellom 1/3 og 1/2. Et forholdK:N på 1/3 har vist seg særlig egnet. Da den gass som strømmer inn i det stabiliserende avsnitt 44 har et Mach-tall på 1,0, kan det divergerende avsnitts 46 lengde N og vinkel d bestemmes på samme måte som verdiene L og b for avsnittet 14 på fig. 1. På lignende måte kan de optimale verdier for dimensjonene Q og R for pulsatoren 40 bestemmes fra de samme forutsetninger som beskrevet i hovedpatentet.

Arbeidskarakteristikkene for tre utførelser av munnstykker som er konstruert og drives i overensstemmelse med utførelsene på fig. 1 og 2, fremgår av nedenstående tabell. Trykket av den tilførte luft og utgangseffekten for hver av enhetene ble prøvet fra meget lave verdier (0,28 kg/cm<2>henholdsvis 400 W) i henhold til eksempel 1, til forholdsvis høye verdier (2,11 kg/cm 2 henholdsvis 1400 W) i henhold til eksempel 3.

Her betyr PQ den tilførte lufts trykk, TQden tilførte lufts tempe-

ratur, a og b konvergerings- henholdsvis divergeringsvinkelen, I,

J og L lengden av henholdsvis det konvergerende, det sylindriske og det divergerende avsnitt, Y avstanden fra munnstykkets utløp til pulsatorens inngang, Z pulsatorens dybde, P„ gasstrykket ved munnstykkets utløp, M^, hastigheten ved munnstykkets utløp, A^, arealet av munnstykket ved utløpet. Utgangseffekten ble målt ved kilden.

Lignende resultater ble oppnådd ved prøver av generato-

rer konstruert i overensstemmelse med utførelsen ifølge fig. 3.

Claims (4)

1. Lydbølgegeneratorer bestående av et munnstykke som kon-

vergerer til et lite tverrsnitt og derpå divergerer, samt et hult resonatorkammer som befinner seg foran munnstykkets utløpsåpning og er åpent mot denne åpning, hvilket munnstykke frembringer en gasstråle med overlydhastighet og som anvendes således at strålen ved munnstykkets utløpsåpning har en overlydhastighet og et trykk som er lavere enn trykket av det omgivende gassmedium, i henhold til patent 118 008, karakterisert ved at der mellom munnstykkets inngangsåpning og det divergerende utgangsavsnitt (14, 46) er anordnet et kanalavsnitt (13, 44) som har et jevnt, fortrinnsvis sirkulært tverrsnitt med i det vesentlige samme tverrsnittsareal som resonatorhulrommet og hvis vegg går over i det divergerende utgangsavsnitts vegg.

2. Generator i henhold til krav 1, karakterisert ved at resonatorhulrommet (20, 40) har konisk utformet bakvegg (28).

3. Generator i henhold til krav 2, karakterisert ved at bakveggens konusvinkel er mellom 90° og 150°, fortrinnsvis 120°.

4. Generator i henhold til et av kravene 1-3, karak- terisert ved at munnstykket med resonatoren (38) er utfor met i den ene ende av et hus (30), hvis annen ende er direkte forbundet med et rør (48) for tilførsel av gass under trykk til munn-, stykket.