Кавитатор
CAVITATOR

Изобретение относится к области конструкции устройств для генерации кавитационных явлений для последующего их использования в кавитационных технологиях, включая установки для уничтожения микро- и макробиологических объектов в водной среде (обеззараживания воды, подводной охоты, ликвидации/нейтрализации боевых пловцов, разведчиков и диверсантов), генерирования акустических шумов в военно-морских целях (глушения акустических устройств противника, акустической маскировки) и т.д.
Известен кавитатор, в состав которого входят устройство создания высокоскоростной струи газосодержащей воды в окружающей водной среде с возможностью кавитационного эффекта согласно принципу Бернулли, сопровождающегося гидроакустическим шумом, и устройство предварительного дополнительного насыщения струеобразующего объема воды газами [1. RU 174490 U1, МПК B05D 1/34, опубл. 17.10.2017].
Он предназначен (далее из первоисточника) «для генерации кавитационных явлений для последующего их использования в кавитационных технологиях, связанных с переработкой вязких нефтей, нефтепродуктов, каменноугольной смолы, а также в разработках нефтегазовых месторождений. Полезная модель может быть использована в нефтехимической промышленности, теплоэнергетике, в конструкциях установок для очистки воды и в системах подготовки углеводородных топлив к сжиганию. Задачей, на решение которой направлена [полезная] модель, является повышение кавитационного эффекта».
В данном кавитаторе используется сопло Лаваля с оригинальным развитием его оконечного конусного участка, а именно - навивки каналов по конусообразной поверхности. При подаче жидкости, например равной плотности воды, под давлением 6 МПа после обтекателя со скоростью 12 м/с в каналы, происходит ее двойное закручивание: спирально за счет выступов и винтообразно. За счет центростремительных сил и сужения площади поперечного сечения каналов происходит возрастание скорости движения потока жидкости в каналах. Происходит и дополнительное «обогащение жидкости окружающим воздухом. Создаются дополнительные условия автомодельного режима для усиления кавитационного эффекта и формирования акустической волны, развернутой на 90° относительно продольной оси кавитатора. При прохождении жидкости через сужение сопла, а затем при расширении в диффузоре, в потоке жидкости возникают вихреобразования, отрывные течения и кавитация.
К недостаткам такого кавитатора (естественно, под углом зрения заявляемого изобретения) можно отнести конструктивную сложность проточной части на основе сопла Лаваля, с технологически сложным и дорогостоящим изготовлением его диффузорной профильной части, а также весьма ограниченные возможности «обогащения» жидкости газами.
Достаточно близким аналогом является «Способ обеззараживания воды путем уничтожения водных организмов и устройство для его осуществления», в котором осуществляют забор воды из открытого водного объекта, проведение ее через протяженную систему трубопроводов различного диаметра, с конфузорами, в которой напор давления воды уменьшается до отметки ниже атмосферного давления, при этом в воду вводят газ (в частности, озон) [2. RU 2433087 С2, МПК C02F 1/36, C02F 1/457, C02F 1/78, B63В 13/00, опубл. 10.11.2011].
Однако, в этом аналоге прямоток забортной воды осуществляется гидронасосом с электроприводом, а устройство насыщения воды газом является независимой от указанной гидросистемы пневмосистемой. Кроме того, обеззараживание воды предусматривает уничтожение мелко- и микробиологических объектов, причем внутри устройства, что в принципе исключает высокие уровни кавитационных колебаний (шумов).
С позиций приоритетно рекомендуемого назначения заявляемого изобретения (подводное оружие оглушающего и летального действия), представляют интерес известные на сегодняшний день подводные пистолеты и ружья.
Однако, подавляющее их большинство использует для поражения цели механическое воздействие метаемого снаряда (гарпуна, стрелы, пули, иглы), а поступление из устройства в окружающую водную среду воздух и пороховые газы всячески исключаются конструкторами как нежелательное в данном случае явление [3. RU 2008609 С1, МПК F41B 11/08, опубл. 28.02.1994; 4. RU 2106592 С1, МПК F41C 9/06, опубл. 10.03.1998; 5. Ширяев Д.И. Подводный пистолет Б-VI-307 (опытный) // Солдат удачи. - 2003.. - №11; 6. Кораблин В. Против подводных диверсантов и террористов // Arms DTR. - 2005. - №3; 7. Ардашев А.Н. Оружие специальное, необычное, экзотическое. М.: АСТ-Астрель, 2001. 319 с. - С. 160-177 (Раздел «Подводное оружие боевых пловцов»)].
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого изобретения по назначению и совокупности существенных признаков может быть принят кавитатор («Устройство для подводного гидровоздушного массажа»), в состав которого входят устройство создания высокоскоростной струи газосодержащей воды в окружающей водной среде с возможностью кавитационного эффекта согласно принципу Бернулли, сопровождающегося гидроакустическим шумом, и устройство предварительного дополнительного насыщения струеобразующего объема воды газами [8. RU 94002297/14 А1, МПК А61Н 9/00, опубл. 10.07.1996].
В нем устройство создания высокоскоростной струи выполнено в виде прямоточной трубы, входным концом соединенной с источником воды под давлением выше статического давления окружающей водной среды (нагнетательной магистралью гидронасоса), а выходным концом сообщающейся с окружающей водной средой, а устройство предварительного дополнительного насыщения струеобразующего объема воды газами выполнено в виде полости, коаксиальной по отношению к упомянутой трубе, входным концом подключенной к источнику воздуха под давлением, а на выходе - с упомянутой прямоточной трубой (а значит - со струеобразующим объемом водно-воздушной смеси). При этом на выходе прямоточной трубы установлено сопло Лаваля, а воздушный тракт подключен к гидравлическому на выходе цилиндрического участка сопла Лаваля.
Однако, устройство-пототип, во-первых, будучи узкоспециализированным кавитатором, предназначено для гидромассажа человеческого тела в водной среде в лечебно-профилактических целях и вряд ли пригоден в заявленном виде (при столь слабых уровнях кавитации), напротив, для ликвидации или оглушения рыбы и, тем более - морских диверсантов. Гидронасос не в состоянии в принципе придать струеобразуещему объему воды ускорение, необходимое для указанного технического результата, а также для ряда других физических эффектов. Этот же недостаток, но в отношении «обогащения» воды воздухом и в несколько меньшей мере, справедлив и для источника воздуха под давлением (компрессора и/или ресивера).
Во-вторых, в устройстве-прототипе два основных устройства - создания струи и ее обогащения воздухом используют разные текучие среды и, соответственно, два различных источника этих сред под давлением, что усложняет кавитатор, обусловливает завышенные его массогабаритные и стоимостные показатели.
В-третьих, имеют место очевидные проблемы энергообеспечения приводов обоих насосов.
В-четвертых, если даже производить водозабор из окружающей водной среды, то обеспечение устройства для неоднократной его работы воздухом остается также проблематичным.
В совокупности перечисленные недостатки прототипа определяют его недостаточно высокие технико-эксплуатационные (тактико-технические) и экономические характеристики. В частности - относительно низкиепоказатели удельной мощности (силы звука при кавитации) и компактности.
Задачей (проблемой), на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение технико-эксплуатационных (тактико-технических) и экономических характеристик кавитатора, включая повышение удельной мощности (силы звука при кавитации) и компактности устройства.
Решение поставленной задачи (снятие проблемы) достигается тем, что в кавитаторе, в состав которого входят устройство создания высокоскоростной струи газосодержащей воды в окружающей водной среде с возможностью кавитационного эффекта согласно принципу Бернулли, сопровождающегося гидроакустическим шумом, и устройство предварительного дополнительного насыщения струеобразующего объема воды газами, согласно заявляемому изобретению, устройство создания высокоскоростной струи выполнено в виде газогидравлического цилиндра с подпружиненным распорной пружиной поршнем-разделителем, у которого гидравлическая полость со встроенной в нее упомянутой пружиной сообщается с окружающей водной средой, газовая полость сообщается с источником упомянутых газов под давлением выше давления окружающей водной среды, а устройство предварительного дополнительного насыщения струеобразующего объема воды газами выполнено в виде газоотводной трубки, сообщающейся на входе с указанным выше источником газов, а на выходе - со струеобразующим объемом водно-газовой смеси.
Решение поставленной задачи (снятие обозначенной проблемы) достигается также рациональными дополнительными (частными) конструктивными признаками), при вышеуказанной основной совокупности:
- газоотводная трубка может быть соединена на входе непосредственно с источником газов (Это позволяет в большей степени синхронизировать функции двух подсистем устройства - параллельных газовых магистралей, а значит - успеть до выталкивания струеобразующей «порции» воды «обогатить» ее газом в большей степени);
- газоотводная трубка может быть соединена на входе с газовой полостью упомянутого газогидравлического цилиндра (Это - признак, альтернативный предыдущему и рационален в тех случаях, когда указанная в предыдущем абзаце, в скобках, целесообразность уступает приоритетности компактности и низкой себестоимости кавитатора);
- при предыдущей совокупности признаков, газоотводная трубка может быть соединена на выходе с гидравлической полостью упомянутого газогидравлического цилиндра (Это позволяет сохранить полезные традиционные технические особенности прототипа);
- устройство создания высокоскоростной струи может быть выполнено с конфузором, установленным за гидравлической полостью газогидравлического цилиндра (Это позволяет ускорять водяную струю в автоматическом режиме на основе принципа Бернулли в его канонической формулировке);
- при предыдущей совокупности признаков, газоотводная трубка может быть соединена на выходе с узкой частью конфузора (Это позволяет дополнительно поднять эффективность дополнительного насыщения струеобразующего объема воды газами за счет эжекционного эффекта);
- устройство создания высокоскоростной струи может быть выполнено с соплом Лаваля, установленным за гидравлической полостью газогидравлического цилиндра (Это позволяет, в сравнении с конфузором, дополнительно поднять эффективность генерирования акустических колебаний с меньшими энергетическими затратами, в соответствии с принципами работы сопла Лаваля);
- при предыдущей совокупности признаков, газоотводная трубка может быть соединена на выходе с полостью сопла Лаваля (Это дает дополнительный положительный эффект по «обогащению» воды газами, по аналогии с конфузором, поскольку сопло Лаваля включает в себя конфузорный участок);
- при перечисленных совокупностях признаков (за исключением третьей и шестой дополнительных) магистраль от окружающей водной среды до гидравлической полости газогидравлического цилиндра включительно может быть выполнена с возможностью автоматического забора очередной порции - струеобразующего объема воды из окружающей водной среды за счет возврата поршня под совместным действием распорной пружины и перепада между давлением окружающей водной среды и газов в газовой полости газогидравлического цилиндра (Это значительно упрощает конструкцию кавитатора за счет кратчайшего пути сообщения гидравлической полости цилиндра с окружающей кавитатор водной средой, без каких-либо специально предусмотренных для этого магистралей);
- упомянутый источник газов может быть выполнен в виде пиротехнического устройства многоразового использования, на основе порохового заряда, с возможностью генерирования пороховых газов под давлением выше заданного максимального давления окружающей водной среды (Это одно из главных инновационных технических решений, остающихся, тем ни менее, в числе дополнительных, ибо не обязателен для исполнения - в интересах недопущения необоснованного сужения объема правовой защиты изобретения; использование «пороховой энергетики» в данном случае не только дает весьма высокие удельные энергетические импульсы и оптимально по компактности, что в полной мере отвечает поставленной задаче, но и более привычно, комфортно для пользователей из числа «силовых структур», к коим относятся, в частности, подводные пловцы отрядов специального назначения).
Среди обнаруженных и проанализированных аналогов не обнаружены устройства, с такими техническими признаками, что свидетельствует и мировом уровне новизны заявляемой разработки.
В то же время, именно за счет перечисленных признаков достигается технический результат (снимается обозначенная проблема технико-эксплуатационного и экономического характера), что свидетельствует о наличии причинно-следственной связи конструктивных признаков с положительной эффективностью заявляемого устройства.
Оригинальность и эффективность («сверхэффект» в патентоведческом понимании этого термина) свидетельствуют о наличии изобретательского уровня заявляемой разработки (как неочевидности технического решения задачи для специалиста в данной области человеческой деятельности на современном уровне развития науки и техники).
В сочетании с промышленной реализуемостью заявляемого устройства (см. в конце описания), триединое условие патентоспособности заявляемого кавитатора как изобретения выполняется.
Заявляемый кавитатор (с частными примерами его конструктивного исполнения) показан на фиг. 1-4, где позициями обозначены:
1 - кавитатор в целом; 2 - устройство создания высокоскоростной струи газосодержащей воды (жидкости) в окружающей водной (жидкостной) среде, в частности газогидравлический цилиндр; 3 - устройство предварительного дополнительного насыщения струеобразующего объема воды (жидкости) газами; 4 -поршень-разделитель; 5 - распорная (возвратная) пружина; 6 - гидравлическая полость газогидравлического цилиндра 2; 7 - газовая полость газогидравлического цилиндра 2; 8 - пороховой заряд; 9 - устройство инициирования порохового заряда 8; 10 - газоотводная трубка; 11 - высокоскоростная водо-газовая (гидрогазовая) струя в окружающей водной (жидкостной) среде; 12 - увеличивающийся и схлопывающийся газовый пузырь в струе 11; 13 - конфузор или сопло Лаваля.
Там же обозначены символами:
ж
ж
стр
ж
г
г
ж+г
Р - давление воды (жидкости) в окружающей кавитатор 1 водной (жидкостной) среде и в струеобразующем объеме воды (жидкости), то есть гидравлической полости 6 гидрогидравлического цилиндра 2, в статике; Р - давление водо-газовой (гидро-газовой) струи 11 на выходе из кавитатора 1, то есть в динамике; V - результирующий вектор скорости водо-газовой (гидро-газовой) струи 11 на выходе из кавитатора 1; Р - давление газов в газовой полости 7 газогидравлического цилиндра 2; Р' - давление газов «насыщения» на входе в гидравлическую полость 6 газогидравлического цилиндра 2; Р - давление в струеобразующем объеме водно-газовой (гидро-газовой) смеси.
При этом:
на фиг. 1 представлена укрупненно блок-схема кавитатора;
на фиг. 2 схематически показан кавитатор - пиротехнический, с подачей пороховых газов «насыщения» по газоотводной трубки (магистрали) непосредственно от источника газов под давлением (от камеры сгорания порохового заряда);
на фиг. 3 - то же, с подачей пороховых газов «насыщения» от газовой полости газогидравлического цилиндра;
на фиг. 4 - блок-схема кавитатора, частный пример с конфузором или соплом Лаваля.
Рассмотрим существенные конструктивные признаки заявляемого кавитатора (преимущественно пиротехнического, для использования в среде естественных водоемов (т.е. в природной воде как наиболее распространенном частном случае жидкости), а также принципы и особенности его работы.
Кавитатор 1 включает в себя (см. фиг. 1), во-первых, устройство 2 создания высокоскоростной струи 11 газосодержащей воды в окружающей водной среде, с возможностью кавитационного эффекта согласно принципу Бернулли, сопровождающегося дающегося гидроакустическим шумом (акустическими ультразвуковыми/звуковыми излучениями, вибрациями), и, во-вторых, устройство 3 предварительного дополнительного насыщения струеобразующего объема воды газами.
Согласно заявляемому изобретению, в кавитаторе 1 устройство 2 выполнено (см. фиг. 3, 4) в виде газогидравлического цилиндра (соответственно, сохранена поз. 2) с поршнем-разделителем 4, подпружиненным распорной пружиной 5.
г
ж
У поршня-разделителя 4 гидравлическая полость 6 со встроенной в нее пружиной 5 сообщается с окружающей водной средой. Газовая полость 7 поршня-разделителя 4 сообщается с источником упомянутых газов под давлением Р выше давления Р окружающей водной среды (в режиме «выстреливания» струи 11). Устройство 3 предварительного дополнительного насыщения струеобразующего объема воды (в полости 6) газами выполнено в виде газоотводной трубки 10, сообщающейся на входе с источником 3 газов, а на выходе - со струеобразующим объемом водно-газовой смеси, то есть с гидравлической полостью 6 цилиндра 2.
Таким образом, устройство 3, совмещая функции формирователя струи 11 и «насыщения» струеобразующего объема газами дополнительно, двухфункционально, подобно системе с газоотводом в самозарядном огнестрельном оружии, а само устройство 3 одновременно входит и в состав устройства 2.
г
г
Известными средствами (не показаны) может быть предусмотрено как изменение величины давления Р, так и оперативное регулирование (управление) давлением Р' в зависимости от потребных выходных параметров работы кавитатора.
Дальнейшее описание устройства относится к рациональным частным примерам конструктивного выполнения заявляемого кавитатора.
В кавитаторе по фиг. 2 и 4 газоотводная трубка 10 соединена на входе непосредственно с источником 3 газов, а в кавитаторе по фиг. 3 - c газовой полостью цилиндра 2. При этом на своем выходе газоотводная трубка 10 соединена с гидравлической полостью 6 цилиндра 2 в кавитаторе по фиг. 2, 3, 4.
В кавитаторе по фиг. 4 устройство 2 выполнено либо с конфузором (сужением проточного, то есть поперечного, сечения гидромагистрали), установленным за гидравлической полостью 6 цилиндра 2, либо с соплом Лаваля.
При этом газоотводная трубка 10 соединена на выходе с узкой частью конфузора или сопла Лаваля соответственно.
ж
г
Магистраль от окружающей водной среды до гидравлической полости 6 цилиндра 2 включительно выполнена с возможностью автоматического забора очередной порции - струеобразующего объема воды из окружающей водной среды за счет возврата поршня 4 под совместным действием пружины 5 и перепада (Р-Р) между давлением окружающей водной среды и давлением остаточных газов в полости 7 цилиндра 2.
ж mах
Источник 3 газов выполнен, предпочтительно, в виде пиротехнического устройства многоразового использования, на основе порохового заряда 8 (см. фиг. 2, 3), с возможностью генерирования пороховых газов под давлением выше заданного максимального давления Р окружающей водной среды.
Заявляемый кавитатор работает (функционирует) следующим образом.
Кавитатор изображен на фиг. 1-4 в исходном «сухом» состоянии.
ж
При погружении его в воду с дифферентом на заднюю часть на любую глубину воздух из полости 6 выходит наружу и полость 6, как сообщающаяся с окружающей водной средой, замещается водой под давлением Р, которое совместно с пружиной 5 прижимает поршень 4 к ограничителю его хода (показан, но позицией не обозначен).
г
г
г
Инициируют, аналогично приведению в действие огнестрельного оружия, посредством устройства 9, пороховой заряд 8 в устройстве 3. Горение заряда 8 сопровождается образованием пороховых газов и резким повышением давления Р. Большая часть пороховых газов поступает в газовую полость 7, давя на поршень-разделитель 4. Меньшая же их часть поступает, в параллель по газоотводной трубке 10 (в устройстве по фиг. 2, 4) или, последовательно через газовую полость 7 (в устройстве по фиг. 3), под давлением Р' (как правило, меньшем, чем давление Р) в гидравлическую полость 6, интенсивно диффундируя в струеобразую-щий объем воды («порцию») в ней.
При значительном (а при использовании пороховых зарядов это не проблема) положительном перепаде давления на поршень-разделитель 4 со стороны полостей 7 и 6 цилиндра 4, равном
г
ж+г
пр
(P-P-F)>0,
пp
где F - сила упругости пружины 5,
поршень 5 весьма интенсивно выталкивает наружу - в окружающую водную среду - «порцию» воды с растворенным в ней воздухом и дополнительно щедро «обогащенной» пороховыми газами.
С учетом общеизвестных принципа Бернулли и преимуществ сопла Лаваля, их ввод в гидравлическую магистраль за цилиндром 4 (см. устройство по фиг. 4) однозначно должен усилить технический результат - за счет ускорения струи и разрывных усилий в ней, содействующих разрежению и кавитации.
ж
В струе 11 с высокой скоростью V движения в окружающей водной среде, согласно принципу Бернулли, статическое давление - пониженное, что вызывает интенсивное выделение растворенных в ней газов и рост, с объединением, пузырьков. Возникает явление кавитации: пузырьки, укрупнившись, схлопываются (12), создавая в воде акустический шум. Это проиллюстрировано в правой части фиг. 1-4).
Такое технической устройство использует почти тот же физический эффект, что и в биологии заложен Природой в отношении рака-щелкуна, который охотится на рыбу, генерируя кавитирующую с хлопком порядка 180-190 дБ относительно 1 мкПа (с дальностью распространения звука св. 2 км) струю (длиной 7-8 см) механическим схлопыванием клешни (см., например: Софья Демьянец. Громкие креветки. [Электронный ресурс]: http://www.nat-geo.ru/fact/42894-gromkie-krevetki/ (выложено 01.02.2013, №16298).
В данном случае шум является полезным, с позиций назначения устройства как кавитатора. Им можно воздействовать, в частности, на живые организмы на определенной дистанции от устройства (в том числе на морских диверсантов).
Таким образом, достигается технический результат в соответствии с проблемой (поставленной задачей): изобретение позволяет повысить технико-эксплуатационные (тактико-технические) и экономические характеристики кавитатора, включая повышение удельной мощности (силы звука при кавитации) и компактности.
Возможности промышленной реализации заявляемого изобретения очевидны.