ГЕНЕРАТОР УДАРНЫХ ВОЛН

Полезная модель относится к оборудованию для генерирования ударных волн, создаваемых пульсациями среды в высокоскоростной струе и может быть использована в областях, где возникает необходимость в применении регулируемых ударных волн в открытом пространстве, в замкнутых и полузамкнутых объемах, например, в камерах сгорания детонационных двигателей.
Известен генератор фокусированных ударных волн, содержащий однозеркальный рефлектор, электроразрядный излучатель, емкостный накопитель и управляемый разрядник.
В процессе работы генератора фокусированных ударных волн формирование ударной волны происходит за счет расширения плазмы, образующейся в результате электрического пробоя паров электролита. Фокусировка ударной волны выполняется с помощью рефлектора.
(см. патент РФ №2000086, кл. B06B 1/20. A61B 17/22, 1992 г.)
В результате анализа известного генератора необходимо отметить, что в его конструкции присутствуют локальные области с высокой температурой, которые приводят при продолжительной работе к нагреву всего устройства и изменению в связи с этим его характеристик, то есть накладываются значительные ограничения на продолжительность его использования.
Известен электромагнитный генератор фокусированных ударных волн, содержащий индуктор, на корпусе которого размещена плоская спиральная катушка, соединенная с металлической втулкой. Генератор также содержит металлическую мембрану, расположенную параллельно катушке и установленную между ними изолирующую прокладку. В корпусе установлен с возможностью осевого перемещения полый шток, на котором расположена акустическая линза. Корпус генератора закрыт акустически прозрачной мембраной и заполнен средой (например, жидкостью).
В процессе работы генератора формирование ударной волны происходит за счет фокусирования акустической линзой акустического импульса, возникающего в жидкости в результате ускорения мембраны, которое происходит вследствие эффекта отталкивания мембраны и катушки.
(см. патент СССР на изобретение №1817691, кл. A61B 17/22, 1993 г.).
Известный электромагнитный генератор фокусированных ударных имеет конструктивный недостаток: расположение штока в области фокусировки акустической линзы сокращает площадь ее рабочей поверхности, а, следовательно, приводит к снижению КПД, уменьшению значения максимальной мощности, а также снижает диапазон регулирования значений ударных волн.
Известен генератор ударных волн, содержащий полый корпус, рефлектор и диафрагму. Диафрагма закреплена на торце корпуса, в котором установлен ресивер, к полости ресивера подведены газоходы, а на торце ресивера установлена гильза, в которой имеются щелевые отверстия, в гильзе и ресивере с возможностью осевого перемещения установлена трубка, к торцу корпуса прикреплена втулка, а к торцу втулки - стакан, в полости которого размещен рефлектор, в дне стакана выполнено резьбовое отверстие, причем полости втулки и стакана образуют резонирующую полость, при этом генератор оснащен механизмом регулирования объема резонирующей полости, выполненным в виде установленного с возможностью перемещения в полости стакана поршня, скрепленного со штоком, ввинченным в резьбовое отверстие стакана и оснащенным элементом его вращения.
В процессе работы генератора формирование ударной волны происходит за счет фокусировки волн, возникающих вследствие натекания газовой струи на диафрагму.
(см. патент РФ на полезную модель №140420, кл. F15B 21/12, 2014 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа выполнения известного генератора необходимо отметить, что его конструкция не позволяет создавать ударные волны больших площадей и мощности, в противном случае необходимо создавать крупногабаритное устройство с большой массой, которое невозможно использовать в некоторых областях, например, в аэрокосмической области. Ограничением для создания ударной волны большого сечения в известном генераторе служит то, что полость, в которой происходит фокусировка ударной волны, расположена внутри устройства, а конструкция такова, что соотношение поперечного сечения полости образования ударных волн не может занимать более 5% от площади поперечного сечения резонирующей полости, что неприемлемо для устройств с жестким массогабаритными ограничениями. Ограничением по мощности создаваемых ударных волн служит сложность подводящего к щелевым отверстиям канала, размеры которого влияют на максимальный расход рабочей среды через устройство, который в свою очередь прямо пропорционально влияет на мощность генерируемых ударных волн.
Технический результат полезной модели заключается в увеличении площади генерируемых им ударных волн относительно размеров устройства и повышения их мощности.
Указанный технический результат достигается тем, что в генераторе ударных волн, содержащем гильзу, полый корпус, к одному из торцов которого прикреплен стакан, в корпусе размещен ресивер, к полости которого подведены установленные в корпусе газоходы, полости корпуса стакана и гильзы образуют резонирующую полость, причем генератор оснащен механизмом регулирования объема резонирующей полости, новым является то, что генератор дополнительно оснащен соплом и трубкой, гильза прикреплена ко второму торцу стакана, трубка размещена в гильзе, а сопло закреплено на торце ресивера, обращенном к трубке, и связано с полостью ресивера.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлен генератор ударных волн, осевой разрез.
Генератор ударных волн содержит стакан 1, в дне которого выполнено резьбовое отверстие. Стакан 1 прикреплен к торцу полого корпуса 2, имеющего цилиндрическую форму. Ко второму торцу корпуса прикреплена гильза 3, имеющая цилиндрическую форму. Установка гильзы 3 на корпус 2 и стакана 1 на корпус 2 может быть осуществлена различным известным образом, например, посредством резьбового соединения.
Внутренние объемы соединенных гильзы 3, корпуса 2 и стакана 1 образуют резонирующую полость «А».
Генератор ударных волн оснащен механизмом регулирования объема резонирующей полости «А», выполненным в виде размещенного в полости стакана 1 поршня 4, скрепленного с одним концом штока 5 с резьбой по его наружной поверхности. Шток ввинчен в резьбовое отверстие стакана 1. На другом конце штока 5 закреплен элемент его вращения (например, рукоятка) 6.
В полости корпуса 2 расположен ресивер 7, к полости которого подведены газоходы 8, пропущенные через выполненные в корпусе радиальные отверстия. Для обеспечения герметичности полости корпуса в радиальных отверстиях корпуса установлены уплотнительные втулки 9. опирающиеся на уплотни тельные шайбы 10.
Ресивер 7 закреплен в корпусе 2 посредством опорного кольца 11.
К торцу ресивера 7 присоединено сопло 12. Установка сопла 12 на ресивере 7 может быть осуществлено различным известным образом, например, посредством резьбового соединения или прессовой посадки.
В полости гильзы 3 у ее свободного торца расположена трубка 13, смонтированная в гильзе посредством опорного кольца 14, закрепленного в полости гильзы.
Между внутренней поверхностью стакана 1 и внешней поверхностью поршня 4 установлены уплотнительные кольца 15.
Для сообщения полостей стакана, корпуса и гильзы (то есть, образования единой резонирующей полости «А»), в опорном кольце 14 выполнены осевые канаты 16, а в опорном кольце 11 - осевые каналы 17.
Генератор ударных волн работает следующим образом.
Перед началом работы осуществляют настройку генератора на заданный режим работы.
Из уровня техники известно, что основными характеристиками генератора являются частота и интенсивность генерируемых им ударных волн. Параметры ударных волн задаются давлением подаваемой рабочей среды и вылетом штока 5, определяющим объем резонирующей полости «А». Зная требуемые параметры ударных волн, определяют необходимую величину давления подачи рабочей среды и вылет штока 13, определяющий объем резонирующей полости «А». Определение данных параметров осуществляется по известным методикам и не представляет сложностей для специалистов.
В процессе работы генератора через газоходы 8 в ресивер 7 подают под давлением рабочую среду (например, воздух от компрессора - не показан), которая через сопло 12 истекает из ресивера 7, образуя струю, поступающую в полость гильзы 3. Давление среды в ресивере должно быть таким, чтобы реализовался колебательный режим ее течения. На таком режиме происходит изменение ударноволновой структуры струи. Данный процесс подробно описан в следующих источниках: Засухи О.Н., Булат П.В., Продан Н.В. История экспериментальных исследований донного давления. Фундаментальные исследования. №12 (3). 2011 г., с. 670-674, Засухи О.Н., Булат П.В., Продан П.В. Колебания донною давления. Фундаментальные исследования. №3. 2012 г., с. 204-207,Засухи О.П., Булат П.В., Продан И.В. Развитие методов расчета донного давления. Фундаментальные исследования, №6 (1). 2012 г., с. 27.3-279. При таком течении газа образуется перемещающийся по полости «А» газовый диск Маха, который двигается в сторону трубки 13. В момент достижения тазового диска Маха торна трубки 13 происходит его отсечение из полости «А», после чего внутри трубки 13 перемещается к ее выходу отсеченный диск Маха в виде ударной волны. В результате из трубки 13 истекает поток рабочей среды в виде ударных волн, размеры которых совпадают с размерами внутренней полости трубки 13. Размер поперечного сечения внутренней полости трубки 13 конструктивно ограничен размерами сквозных отверстий 16 и в рассматриваемом устройстве он должен быть не менее 50% от поперечного размера резонирующей полости «А», что в 10 раз превышает размеры ударных волн, получаемых в аналогах. Тем самым, при создании ударной волны одинаковой размерности, используя рассматриваемое устройство, можно добиться десятикратного уменьшения массы и габаритных размеров устройства по сравнению с аналогами.
A
A
A
Частота, с которой ударные волны рабочей среды выходят из устройства, зависит от частоты колебательного течения в полости «А», которая в свою очередь зависит от величины объема (V) полости «А» генератора. Увеличение объема (V) приводит к уменьшению частоты образования ударных волн вследствие более медленного опорожнения полости «А» за счет эжекционных свойств струи. И наоборот, уменьшение объема (V) приводит к увеличению частоты образования ударных волн вследствие более быстрого опорожнения полости «А» за счет эжекционных свойств струи.
A
A
Управление частотными характеристиками генератора происходит за счет регулирования объема (V) полости «А» генератора. Регулирование объема (V) осуществляется осевым перемещением поршня 4 в стакане 3. При вращении рукоятки 6 происходит поступательное перемещение штока 5, который, в свою очередь перемещает поршень 4. Таким образом, обеспечение возможности регулирования объема полости «А», обеспечивает работу устройства в широких диапазонах частотных характеристик.
Интенсивность возбуждаемых ударных волн зависит от давления подаваемой в ресивер 7 среды. Чем выше давление, тем выше интенсивность ударных волн. И наоборот, чем меньше давление, тем меньше интенсивность ударных волн. Полость ресивера не содержит в себе дополнительных конструкций, что обеспечивает максимальное использование ее объема, а соединение полости ресивера с соплом не имеет промежуточных вставок и имеет плавный переход, что не создает дополнительного сопротивления рабочей среде и расход рабочей среды в таком случае является максимальным при заданном перепаде давления.