WO/1997/023300 | RECOIL GAS FEED SYSTEM FOR A DETONATION GUN |
WO/1986/004272 | APPARATUS FOR POWDER SPRAYING, OPERATING WITH A FLAME JET |
JPS5499693 | IMMERSION SONDE |
KISTERNII YURIY IVANOVYCH (UA)
SAKUN OLEKSANDR VALERIOVYCH (UA)
SENDEROWSKI CEZARY ANDRZEJ (PL)
KISTERNII YURIY IVANOVYCH (UA)
SAKUN OLEKSANDR VALERIOVYCH (UA)
SENDEROWSKI CEZARY ANDRZEJ (PL)
US6978616B1 | 2005-12-27 | |||
US2319773A | 1943-05-18 | |||
US20020139106A1 | 2002-10-03 | |||
US20070245712A1 | 2007-10-25 | |||
DE3614098A1 | 1987-10-29 |
GABRIEL D. ROY ET AL.: "GASEOUS AND HETEROGENEOUS DETONATIONS: SCIENCE TO APPLICATIONS", 1999, ENAS, Moscow, article N.N. SMIRNOV ET AL.: "Deflagration to detonation transition in gases and its application to pulsed detonation devices", pages: 65 - 94, XP055580525
Формула изобретения 1 . Пульсирующее компрессионно-детонационное устройство, вклю- чающее поршневой компрессор, состоящий, по меньшей мере, из цилиндра, в котором расположено не менее одного поршня с приводом для возвратно- поступательного движения, впускного патрубка, соединенного с цилиндром, клапанной системы, расположенной во впускном патрубке, систему подачи топлива, подача которого осуществляется, по мень- шей мере, в цилиндр поршневого компрессора, детонационную трубу, с открытым торцом, связанным с внешней ат- мосферой и зарытым торцом, соединенным с цилиндром поршневого ком- прессора, отличающееся тем, что площадь Splst0n поршня поршневого компрес- сора в поперечном сечении и минимальная площадь SDT поперечного сечения внутреннего канала детонационной трубы соответствуют соотношению: piston . С DT piston где с - критическая скорость звука в газовой среде в детонационной трубе перед началом сжатия газа в поршневом компрессоре, Upiston - скорость движения поршня во время сжатия газа в поршневом компрессоре. 2. Пульсирующее компрессионно-детонационное устройство по п.1 , отличающееся тем, что содержит систему искрового зажигания с не менее одной свечой зажигания, в которой разрядные электроды размещены в ци- линдре поршневого компрессора и/или в детонационной трубе. 3. Пульсирующее компрессионно-детонационное устройство по пп.1 - 2, отличающееся тем, что содержит систему подачи окислителя под избыточным давлением, по меньшей мере, в цилиндр поршневого компрес- сора. 4. Пульсирующее компрессионно-детонационное устройство по пп.1 - 3, отличающееся тем, что содержит клапан, расположенный между цилиндром поршневого компрессора и детонационной трубой. 5. Пульсирующее компрессионно-детонационное устройство по пп.1 - 4, отличающееся тем, что содержит нагнетатель продувочного газа в детонационную трубу. 6. Пульсирующее компрессионно-детонационное устройство по пп.1 - 5, отличающееся тем, что включает систему импульсного впрыска мелких частиц и/или капельножидкой среды в детонационную трубу. 7. Пульсирующее компрессионно-детонационное устройство по пп. 1 - 6, отличающееся тем, что включает кривошипно-шатунный меха- низм для осуществления возвратно-поступательного движения поршня. |
Область техники.
Изобретение относится к технике периодического получения импульс- ных высокоскоростных потоков горячих газов, а также ускорения твердых частиц и капельножидкой среды в пульсирующих детонационных устройст- вах. Предложенное пульсирующее компрессионно-детонационное устройст- во может быть использовано, преимущественно, для детонационного напы- ления, в пульсирующих детонационных двигателях, для задач вибрационной очистки, дробления, пескоструйной обработки, получения аэрозолей, в газо- вых детонационных лазерах, в устройствах разминирования на основе воз- действия ударной волны на взрыватель мины.
Предшествующий уровень техники.
Детонационное (сверхзвуковое) сгорание топлива по сравнению с де- флаграционным (дозвуковым) сгоранием позволяет более эффективно преоб- разовывать энергию сгорания топлива в кинетическую энергию потока газа. Известны устройства [1 , 2], в которых используется такое преобразование. Данные устройства, по меньшей мере, содержат детонационную трубу с за- крытым и открытым торцами, управляемые клапана и свечу зажигания, кото- рые расположены с закрытого торца детонационной трубы, а также систему подачи горючей смеси в детонационную трубу. Вышеописанные устройства работают следующим образом. Через управляемые клапана осуществляется заполнение детонационной трубы горючей газовой смесью, которая способна детонировать. При этом, давление газовой смеси в трубе соответствует дав- лению среды у открытого торца трубы. После заполнения детонационной трубы газовой смесью клапана закрываются, и осуществляется зажигание смеси. Это приводит к возникновению детонации в трубе с последующим взрывным сгоранием смеси и направленному выходу продуктов взрыва из детонационной трубы. После это цикл повторяется. В таких пульсирующих детонационных устройствах достигнута часто- та циклов детонации более 100 Гц. Это обеспечило достаточно высокую про- изводительность таких устройств и они нашли практическое применение в технологии детонационного напыления покрытий.
Однако, вышеописанные устройства, как правило, используют кисло- род в качестве окислителя, что повышает стоимость работ и ограничивает область их применения. Например, использовать кислород в авиационных пульсирующих детонационных двигателях не является целесообразным. Ис- пользование воздуха вместо кислорода в известных устройствах приводит к чрезмерному увеличению габаритов этих устройств и снижению периодич- ности пульсаций. Также такие устройства достигли своего технического пре- дела по температуре плавления напыляемых порошковых материалов. Для использования в напылении более тугоплавких материалов с температурой плавления около 3000 °С и выше требуется повышение выходных характери- стик пульсирующих детонационных устройств.
Известно пульсирующее детонационное устройство [3]. Данное уст- ройство содержит поршневой и детонационный двигатели. Детонационную трубу, которая является элементом детонационного двигателя и конструк- тивно соединена с цилиндром поршневого двигателя. Поршневой двигатель состоит из цилиндра, в котором расположен поршень для привода криво- шипно-шатунного механизма, впускных и выпускных патрубков с впускным и выпускным клапанами, системы подачи горючей смеси в цилиндр двигате- ля, системы подачи окислителя (воздуха) под избыточным давлением, систе- мы зажигания.
В начальный период движения поршня в направлении от нижней мёрт- вой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ) осуществляется продувка цилиндра и детонационной трубы свежим воздухом от системы подачи воз- духа. При дальнейшем движении поршня к ВМТ через открытый впускной клапан осуществляется заполнение цилиндра двигателя и детонационной трубы топливовоздушной смесью, подаваемой под давлением системой по- дачи горючей смеси. Перейдя ВМТ при начальном движении поршня к НМТ, впускной клапан закрывается и осуществляется зажигание топливовоздуш- ной смеси в цилиндре двигателя. Параметры детонационной трубы подобра- ны таким образом, что в трубе происходит переход горения в детонацию при начальном давлении топливовоздушной смеси в трубе, практически равном давлению у открытого торца трубы, то есть атмосферному. Детонация смеси приводит к росту давления газа в детонационной трубе и в цилиндре двига- теля. При этом совершается механическая работа за счет расширения про- дуктов детонации, обеспечивающая вращения коленчатого вала двигателя в период дальнейшего движения поршня к нижней мертвой точке (НМТ). Часть продуктов детонации выходит из детонационной трубы через ее от- крытый торец. Далее цикл повторяется.
Благодаря соединению детонационной трубы с цилиндром поршневого двигателя улучшилось смесеобразование в детонационной трубе за счет ин- тенсификации вихревых потоков при движении поршня. Это позволило по- высить частоту пульсаций детонационных устройств, работающих на топли- вовоздушных смесях.
Однако, в вышеописанном устройстве детонационная труба использу- ется для получения детонации и совершения механической роботы продук- тами взрыва. При таком устройстве поршневой двигатель обеспечивает пре- образование энергии взрыва в механическую работу. В детонационной трубе начальное давление горючей смеси у закрытого торца до момента зажигания смеси очень мало отличается от давления среды у открытого торца трубы, т.е. атмосферного давления. В результате, известное техническое решение не обеспечивает повышение выходных параметров детонационной волны.
Известно пульсирующее детонационное устройство [4], которое приня- то за прототип. Устройство включает поршневой компрессор, состоящий из цилиндра, в котором расположен поршень, впускного и выпускного патруб- ков с впускным и выпускным клапанами. При этом, впускной и выпускной патрубки соединены с цилиндром. Также устройство включает детонацион- ную трубу, соединенную с цилиндром поршневого компрессора через выпу- скной патрубок и трубопровод. Детонационная труба имеет открытый торец, связанный с внешней атмосферой и зарытый торец, соединенный с цилин- дром поршневого компрессора через трубопровод и выпускной патрубок. Устройство включает систему подачи топлива, которое подаётся в цилиндр поршневого компрессора. А также систему искрового зажигания со свечей зажигания, установленной в детонационной трубе и обратный клапан, отде- ляющий детонационную трубу от трубопровода.
Вышеописанное устройство работает следующим образом. Топливо- воздушная смесь из поршневого компрессора поступает по трубопроводу в детонационную трубу. После заполнения детонационной трубы смесью осу- ществляется ее воспламенение при помощи свечи зажигания. В результате сгорания топливно-воздушной смеси под действием нарастающего давления происходит закрытие обратного клапана, разделяющего детонационную тру- бу от трубопровода. После чего в детонационной трубе происходит переход горения в детонацию и последующий выход продуктов взрыва из трубы. Да- лее процесс повторяется.
Преимуществом данного устройства является качественная подготовка топливовоздушной смеси за счет ее нагрева и качественного смесеобразова- ния в компрессоре. Этим достигается улучшение, стабильности выходных па- раметров данного пульсирующего детонационного устройства.
Однако, при подаче топливовоздушной смеси по трубопроводу от ком- прессора к детонационной трубе давление смеси у закрытого торца трубы практически выравнивается с давлением среды у отрытого торца трубы. Это связано с процессом расширения сжатого газа в трубопроводе. В результате чего не обеспечивается улучшение параметров детонационного устройства.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать пульси- рующее детонационное устройство для повышения его выходных параметров (плотности, температуры истекающих продуктов детонации и импульса дав- ления), а также увеличение скорости твердых частиц и капельножидкой сре- ды, ускоряемых в потоке продуктов детонации. Усовершенствование должно осуществляться путём проектирования конструкции устройства при задан- ных параметрах его работы с оптимальным соотношением площади поршня к площади поперечного сечения внутреннего канала детонационной трубы. Это соотношение должно превосходить соотношение критической скорости истечения газовой среды перед началом сжатия газа в компрессоре к скоро- сти движения поршня во время сжатия газа в компрессоре.
Раскрытие предлагаемого изобретения.
Поставленная задача решается в предложенном пульсирующем ком- прессионно- детонационном устройстве, которое также как и устройство, принятое за прототип, содержит поршневой компрессор, состоящий, по меньшей мере, из цилиндра, в котором расположено не менее одного поршня с приводом для возвратно-поступательного движения. Устройство также включает впускной патрубок, соединенный с цилиндром поршневого ком- прессора и клапанную систему, расположенную во впускном патрубке. Так- же устройство содержит систему подачи топлива, подача которого осуществ- ляется, по меньшей мере, в цилиндр поршневого компрессора и детонацион- ную трубу с открытым торцом, связанным с внешней атмосферой и закры- тым торцом, соединенным с цилиндром поршневого компрессора.
В отличие от прототипа, в предлагаемом устройстве площадь S pist0 n поршня поршневого компрессора в поперечном сечении и минимальная площадь S DT поперечного сечения внутреннего канала детонационной трубы соответствует соотношению:
с
piston С
°DT ^ и piston
где с - критическая скорость истечения газовой среды в детонационной трубе перед началом сжатия газа в поршневом компрессоре, U p i ston - скорость движения поршня во время сжатия газа в поршневом компрессоре. Так как в заявляемом устройстве обеспечивается сжатие горючей смеси у закрытого торца трубы, то за счет сжатия могут быть достигнуты условия для самовоспламенения смеси.
Для надежного воспламенения горючей смеси и/или при недостаточной степени сжатия устройство может включать систему искрового зажигания с не менее одной свечой зажигания, в которой разрядные электроды размеще- ны в цилиндре поршневого компрессора и/или в детонационной трубе.
Для улучшения выходных характеристик, заявляемое устройство мо- жет дополнительно включать систему подачи окислителя под избыточным давлением, по меньшей мере, в цилиндр поршневого компрессора. Подача окислителя под избыточным давлением улучшает продувку цилиндра ком- прессора свежим зарядом . В случае подачи кислорода, как окислителя вместо воздуха, происходит возрастание температуры и давления продуктов детона- ции, за счет чего улучшаются выходные параметры установки.
Для улучшения смесеобразования предлагаемое устройство может быть оснащено клапаном, который расположен между цилиндром поршнево- го компрессора и детонационной трубой. Выполнение данным клапаном функции обратного клапана позволяет улучшить заполнение цилиндра ком- прессора новой порцией газа через впускной патрубок при движении поршня от ВМТ к НМТ.
Заявляемое устройство может включать нагнетатель продувочного газа в детонационную трубу. Это позволяет улучшить условия заполнения трубы газом с низкой критической скоростью истечения, что позволяет снизить требования к средней скорости движения поршня.
Патентуемое устройство может включать систему импульсного впры- ска мелких частиц и/или капельножидкой среды в детонационную трубу. Это позволяет обеспечить ускорение впрыскиваемой среды в потоке продуктов детонации. Предложенное устройство может быть оснащено кривошипно- шатунным механизмом для осуществления возвратно-поступательного дви- жения поршня.
Исполнение конструкции устройства согласно вышеуказанного соот- ношения обеспечивает многократное повышение начального давления горю- чей смеси у закрытого торца детонационной трубы и в трубе по отношению к давлению у открытого торца трубы. Вследствие чего и происходит улучше- ние выходных параметров устройства. Нарастание давления и плотности газа происходит в случае уменьшения объема газа за счет его сжатия. В локаль- ном объеме в пространстве это происходит в случае, если количество газа, втекающего в объем, превосходит количество газа, истекающего из объема. В патентуемом устройстве уменьшение объема газа происходит у закрытого торца трубы. Но при этом совершается истечения газа из этого объема через детонационную трубу. Повышение давления газа у закрытого торца детона- ционной трубы и в трубе по отношению к давлению у открытого торца трубы возможно в случае, если скорость уменьшения объема газа у закрытого торца трубы за счет движения поршня в цилиндре компрессора превысит объемный расход газа, истекающего из детонационной трубы. Скорость уменьшения объема газа в цилиндре поршневого компрессора зависит от скорости движе- ния поршня и его площади. Количество газа, истекающего из трубы, ограни- чивается подвижностью молекул и площадью детонационной трубы в попе- речном сечении. Так как плотности газа у закрытого и открытого торцов тру- бы могут отличаться, то условие сжатия газа становится связанными с массо- вым расходом. Массовый расход газа в цилиндре компрессора, вызванный движением поршня, может быть представлений в виде Q piston U pj S t 0 n S piston , а массовый расход газа, истекающего из детонаци- онной трубы, не может превышать Q DT =p air cS DT , где p mix - плотность газа в цилиндре компрессора, p a i r - плотность газа, истекающего из трубы. Поэтому для сжатия газа у зарытого торца трубы и в трубе необходимо, чтобы Q pisl on > QDT Сопротивление течению газа в трубе и неравномерное распределение скорости газа вдоль сечения трубы приводят к уменьшению расхода газа, ис- текающего из трубы. Использование конструкции компрессора со встречно движущимися поршнями, а также увеличение плотности газа у закрытого торца трубы, за счет сжатия, повышают массовый расход газа, вызванный движением поршня. Из условия соотношения расходов, с учетом влияния элементов конструкции на расход газа, следует соотношение площади S piston поршня поршневого компрессора в поперечном сечении к минимальной площади S T поперечного сечения внутреннего канала детонационной трубы, при котором обеспечивается сжатие газа в детонационной трубе в виде:
^ piston ^
. >
При этом, в случае использования кривошипно-шату иного механизма для возвратно-поступательного движения, средняя скорость движения поршня определяется соотношением:
S - n
U p j sl0U где Ь— ход поршня, м;
п— частота вращения коленчатого вала компрессора, мин .
Критическая скорость истечения газовой среды рассчитывается ражению:
, 2 Y RT
(γ + ΐ)μ
где γ - показатель адиабаты газовой среды;
Т - температура заторможенного потока газовой среды;
R - универсальная газовая постоянная,
μ - молярная масса газа.
Таким образом, в предлагаемом устройстве повышается начальное дав- ление горючей смеси у закрытого торца детонационной трубы и в трубе по отношению к давлению у открытого торца трубы, чем достигается улучше- ние выходных параметров устройства (плотности, температуры истекающих продуктов детонации и импульса давления). А также происходит увеличение скорости твердых частиц и капельножидкой среды, ускоряемых в потоке продуктов детонации.
Лучшие примеры выполнения предлагаемого изобретения.
Суть изобретения поясняется графическими материалами. На фиг. 1 изображен один из вариантов предложенного пульсирующего компрессион- но-детонационного устройства с одним поршнем, впускным патрубком и впускным клапаном в крышке компрессора.
На фиг. 2 представлен вариант предложенного компрессионно- детонационного устройства с двумя встречно движущимися поршнями и клапанным устройством на основе впускных окон в цилиндре компрессора.
На фиг. 3 представлен вариант предложенного компрессионно- детонационного устройства с искровым зажиганием.
Рассмотрим один из вариантов выполнения пульсирующего компрес- сионно-детонационного устройства (см. фиг.1). Устройство включает порш- невой компрессор 1 с цилиндром 2 и поршнем 3, размещенным в цилиндре 2. Для возвратно-поступательного движения поршня 3 используется кривошип- но-шатунный механизм 4, соединенный с внешним приводом (на фиг.1 . не показан). К верхней части цилиндра 2 присоединена крышка компрессора 5 с впускным патрубком 6 и клапаном 7. Система подачи топлива 8 соединена с впускным патрубком 6. Конструкция системы подачи топлива 8 на фиг.1 не представлена. Подача топлива может осуществляться как непосредственно в цилиндр 2 компрессора, так и во впускной патрубок 6 компрессора. Детона- ционная труба 9 соединена с цилиндром 2 поршневого компрессора 1 через патрубок 10 в крышке 5. Патрубок 10 является элементом детонационной трубы 9.
Исходя из диаметра поршня 3 равного Dp lst0 n, площадь S pist0 n поршня поршневого компрессора 1 в поперечном сечении равна Sp lst0 n = π D pisto n/4. Для детонационной трубы 9 круглого сечения площадь поперечного сечения внутреннего канала детонационной трубы равна S D T = π d 2 D i 4, где do T - внутренний диаметр трубы. При этом, соотношение площадей задано таким образом, что в процессе работы компрессионно- детонационного устройства
ВЫПОЛНЯеТСЯ уСЛОВИе S plst on/SDT > c/4U pis ton- Вариант выполнения патентуемого пульсирующего компрессионно- детонационного устройства, представленного на фиг.2, отличается от уст- ройства, изображенного на фиг. 1 , наличием двух поршней 3 в компрессоре 1 , которые движутся встречно друг другу. Клапанное устройство формируется за счет выполнения впускных патрубков 6 в виде впускных окон, которые периодически перекрываются в процессе движения поршней 3. Система по- дачи топлива 8 может обеспечивать подачу топлива как через один, так и че- рез два впускных патрубка, а также непосредственно в цилиндр компрессора.
Вариант выполнения пульсирующего компрессионно-детонационного устройства, представленного на фиг.З, отличается от устройства, изображен- ного на фиг. 1 , только наличием искровой системы зажигания со свечами за- жигания 1 1 .
По всем вышеописанным вариантам исполнения, патентуемое устрой- ство работает следующим образом. За счет внешнего привода пор- шень/поршни 3 приводится к возвратно-поступательному движению в ци- линдре 2 компрессора 1 . Внешний привод связан с кривошипно-шатунным механизмом 4, обеспечивающим возвратно-поступательное движение. В процессе движения поршня 3 от В Т к НМТ открывается впускной клапан 7, и в цилиндр 2 компрессора 1 нагнетается горючая газовая смесь через впуск- ной патрубок 6 в крышке 5 с помощью системы подачи топлива 8. После достижения НМТ впускной клапан 7 закрывается. За счет заданного соотно- шения указанных площадей при дальнейшем движении поршня 3 от НМТ к ВМТ с заданной скоростью происходит сжатие горючей смеси в цилиндре 2 компрессора 1 и в детонационной трубе 9, элементом которой является пат- рубок 1 0. Это приводит к повышению плотности, температуры и давления в горючей смеси у закрытого торца детонационной трубы 9 и в самой трубе. С приближением поршня к ВМТ осуществляется самовоспламенение горючей смеси за счет ее сжатия. Далее происходит быстрый переход горения в дето- нацию в детонационной трубе 9 (в устройствах по фиг.1 и 2). В устройстве (см. фиг. 3) осуществляется принудительное зажигание смеси или прямое элетроразрядное инициирование детонации свечами зажигания 1 1. Выход продуктов детонации из трубы 9 осуществляется за короткое время, пока поршень находится вблизи ВМТ. Далее процесс повторяется.
За счет заданного соотношения указанных площадей при заданном ре- жиме работы компрессионно-детонационного устройства достигается повы- шение максимальных значений температуры и давления в детонационной трубе, которые не были достигнуты в известных аналогичных устройствах при одинаковых внешних давлениях атмосферной среды. Также обеспечива- ется увеличение импульса давления, скорости истечения продуктов детона- ции и частиц, ускоряемых в потоке продуктов детонации. В результате по- вышения частоты пульсаций за счет сокращения времени и длины участка перехода горения в детонацию в детонационной трубе повышается продук- тивность устройства.
Промышленная применимость.
Были проведены испытания опытного образца пульсирующего ком- прессионно-детонационного устройства (по фиг.З) с диаметром поршня ком- прессора - 95 мм, диаметром детонационной трубы - 20 мм и ее длиной - 600 мм. Устройство работало на смеси атмосферного воздуха с LPG топли- вом. Детонация возникала, когда скорость поршня превышала Up lsl(m > 7 м/с, а труба наполнялась воздухом, где с « 300 м/с. Скорость ударной волны у от- крытого торца трубы достигала 1700 м/с. Частота пульсаций устройства со- ставила 23-24 Гц.
По результатам проведенных измерений, при средней скорости поршня около 10 м/с давление у закрытого торца трубы за счет сжатия увеличивалось в 2,5-3 раза по отношению к давлению у открытого торца трубы. После ини- циирования детонации давление у закрытого торца трубы возрастало в 10-15 раз по отношению к давлению у открытого торца трубы.
В технологии детонационного напыления патентуемое устройство, ра- ботающее на горючей смеси углеводородного топлива с воздухом, обеспечи- вает ускорение напыляемого порошка до скорости не менее 800 м/с с произ- водительн остью не менее 6 кг/ч.
В пульсирующих детонационных двигателях предложенное устройст- во может быть использовано в качестве системы периодического иницииро- вания детонации на топливовоздушных смесях с частотой до 100 Гц.
Воздействие ударных волн, выходящих из детонационной трубы в предложенном устройстве, с частотой пульсаций 25-100 Гц обеспечивает вибрационную очистку, например, вагонов-коптеров. Ударное воздействие может быть использовано для дробления различных руд.
Ускорение абразивных частиц в сверхзвуковом потоке, создаваемом патентуемым устройством, с высокой производительностью обеспечивает пескоструйную обработку.
Периодическое нагревание и быстрое охлаждение двуокиси углерода с молекулярным азотом в результате расширения продуктов детонации может быть использовано для создания детонационных С0 2 лазеров газодинамиче- ского типа.
Под воздействием ударных волн, выходящих из пульсирующего ком- прессионно-детонационного устройства, на взрыватели мин нажимного дей- ствия обеспечивается их взрывное уничтожение.
Источники информации.
1 . Патент США No US714563 от 2.08.1955.
2. Патент США JSfe US6505462 от 14.01.2003.
3. Патент США Х« US6978616 от 27.12.2005. W
4. N. N. Smirnov, V. F. Nikitin, A. P. Boichenko, M.V. Tyurnikov and. V. Baskakov, Deflagration to detonation transition in gases and its application pulsed detonation devices // Gaseous and Heterogeneous Detonations: Science Applications, ENAS Publishers Ltd, 1999, p.65-94 (прототип).