ФОРСУНКА ДЛЯ РАСПЫЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ, В ЧАСТНОСТИ ВОДЫ В СНЕЖНОЙ ПУШКЕ
NOZZLE FOR SPRAYING LIQUID, ESPECIALLY WATER IN SNOW PRODUCTION CANNON

Данное изобретение относится к форсунке для распыления жидкости, в частности воды в снежной пушке. Указанная форсунка конструктивно выполнена для распыления маловязкой жидкости и смеси таких жидкостей и газов, в частности воздуха. В условиях увеличенной площади контакта с окружающей средой жидкость претерпевает эффективные физические и химические преобразовательные процессы, например, путем изменения состояния с жидкой фазы на твердую фазу.
Известная распыляющая форсунка, описанная в патентном документе DE 19723752, содержит цилиндрический корпус и колпачковую гайку. На задней стороне впускного канала для текучей среды между корпусом и колпачковой гайкой установлен фитинг с распыляющим отверстием и приклеенный к нему завихряющий вкладыш. Распыляющее отверстие фитинга соединено с вихревой камерой посредством впускного конуса. Завихряющий вкладыш разделяет впускной канал для жидкости посредством стенки. В указанной стенке выполнены два вихревых канала, оси которых расположены симметрично и проходят с возможностью вихреобразования наклонно вниз по оси форсунки. Указанный фитинг и завихряющий вкладыш выполнены из промышленной керамики или спеченных порошков, что существенно повышает сопротивление эрозионному износу и технически проще для выполнения. Эти элементы затягивают посредством резьбового соединения гайки с корпусом. Между корпусом и завихряющим вкладышем расположено плоское уплотнительное кольцо, которое выполнено из эластомерного материала, обладающего гибкоупругим свойством. Давление, оказываемое на упругую прокладку, снижает опасность повреждения хрупких керамических элементов, чувствительных к удару, вибрации и превышению допустимого напряжения при сборке, особенно в состоянии напряжения сжатия. Положение гайки относительно корпуса является переходным в осевом направлении, при этом между поверхностью гайки и выступом корпуса имеется зазор. Передняя поверхность фитинга вместе с распыляющим отверстием является тангенциальной к гайке, помимо этого, указанная форсунка не уплотнена в плоскости контакта завихряющего вкладыша и фитинга, что может вызвать протечку через резьбовое соединение при высоком давлении жидкости. Последствие такой протечки может быть неблагоприятным, например, возможно возникновение обледенения.
Также известно о форсунках для распыления жидкостей, в которых распыление обеспечивают посредством энергии сжатого воздуха. Завихряющий вкладыш содержит воздушную форсунку на оси его разделительной стенки, при этом указанная воздушная форсунка снабжается воздухом посредством коаксиальной трубки, наружный диаметр которой меньше диаметра канала для впуска жидкости и которая проходит от задней части корпуса наружу. Такие технические решения представлены, среди прочих, в патентных документах US 4101073 и ЕР 0855564. Сжатый воздух, введенный в вихревую камеру, разбивает жидкость на мельчайшие частицы и создает маленькие ледяные кристаллы, которые в снежных пушках действуют как центры кристаллизации, инициирующие процесс кристаллизации в распыляемой воде.
Техническое решение в соответствии с данным изобретением, как и в вышеупомянутых форсунках, содержит цилиндрический корпус и колпачковую гайку с фитингом, имеющим распыляющее отверстие, соединенное с вихревой камерой посредством впускного конуса. Между корпусом и гайкой установлен завихряющий вкладыш. Завихряющий вкладыш разделяет канал для впуска текучей среды посредством стенки. В указанной стенке выполнены по меньшей мере два вихревых канала, причем оси указанных каналов расположены симметрично и проходят наклонно с возможностью вихреобразования вниз по оси форсунки. Эти элементы форсунки также уплотнены уплотнительным кольцом, выполненным из эластомерного материала, обладающего гибкоупругим свойством.
Сущность данного изобретения заключается в том, что завихряющий вкладыш имеет выступ, посредством которого его закрепляют в осевом направлении между гайкой и корпусом через переднее и заднее кольца с круглыми поперечными сечениями. Переднее кольцо расположено в прямоугольной канавке, выполненной на поверхности завихряющего вкладыша, тангенциальной к поверхности гайки, тогда как заднее уплотнительное кольцо расположено в полукруглом пазу, выполненном во внутреннем углу задней поверхности выступа. От смежной поверхности корпуса заднее уплотнительное кольцо окружено пазом в форме четверти круга, имеющим конусообразный вход.
Когда гайка полностью затянута на корпусе, осевая деформация заднего уплотнительного кольца составляет 20-40% от диаметра его поперечного сечения, при этом зазор между поверхностью выступа и поверхностью корпуса не превышает величину указанной деформации. Заднее уплотнительное кольцо выполнено из эластомерного материала, твердость которого равна 60-90 по международному стандарту (IRHD), причем указанная твердость превышает твердость переднего уплотнительного кольца.
Предпочтительно, если положение полного затягивания на корпусе гайки определяется затягиванием резьбы гайки на участке сбега резьбы с определенной величиной крутящего момента.
Кроме того, предпочтительным является вариант осуществления, в котором положение полного затягивания гайки определяется контактом поверхности гайки с поверхностью опорного выступа, выполненного на наружной поверхности корпуса.
Гайка может быть выполнена в виде цельной детали из металла, эластомерного материала, обладающего гибкоупругим свойством.
Сущность данного изобретения заключается в том, что завихряющий вкладыш имеет выступ, посредством которого его закрепляют в осевом направлении между гайкой и корпусом через переднее и заднее кольца с круглыми поперечными сечениями. Переднее кольцо расположено в прямоугольной канавке, выполненной на поверхности завихряющего вкладыша, тангенциальной к поверхности гайки, тогда как заднее уплотнительное кольцо расположено в полукруглом пазу, выполненном во внутреннем углу задней поверхности выступа. От смежной поверхности корпуса заднее уплотнительное кольцо окружено пазом в форме четверти круга, имеющим конусообразный вход.
Когда гайка полностью затянута на корпусе, осевая деформация заднего уплотнительного кольца составляет 20-40% от диаметра его поперечного сечения, при этом зазор между поверхностью выступа и поверхностью корпуса не превышает величину указанной деформации. Заднее уплотнительное кольцо выполнено из эластомерного материала, твердость которого равна 60-90 по международному стандарту (IRHD), причем указанная твердость превышает твердость переднего уплотнительного кольца.
На основании экспериментальных исследований, проведенных в собственной лаборатории заявителя, было обнаружено, что при рабочем давлении в форсунке снежной пушки, составляющем 40 бар, возникают кратковременные гидравлические удары. Такие гидравлические удары возникают при управлении потоком с помощью шаровых клапанов (стандартная операция в ходе работы устройства) и приводят к возрастанию давления выше заданного значения 40 бар. Если используемый эластомерный материал имеет твердость в международных единицах IRHD менее 60, кратковременный рост давления приводит к тому, что заднее уплотнительное кольцо выходит из своего паза. Вследствие этого нарушается уплотнение, и жидкость через резьбу гайки вытекает наружу форсунки, т.е. форсунка начинает течь. В ходе экспериментов было установлено, что наиболее эффективные результаты достигаются при использовании эластомера с твердостью 60-90 в международных стандартных единицах IRHD.
Оптимальное значение осевой деформации заднего уплотнительного кольца в диапазоне 20-40% от диаметра его поперечного сечения было получено по результатам испытаний снежных пушек, в которых были модифицированы как высота канавки опорного выступа19 в канале 9 подачи воды, так и высота гайки 2, для регулировки зазора s2 после деформации уплотнительного кольца (данные элементы описаны ниже, в частности, со ссылкой на фиг. 1, 2 чертежей). Испытания показали, что деформация заднего уплотнительного кольца ниже 20% от диаметра его поперечного сечения не обеспечивает достаточное уплотнение форсунки, поскольку после подачи текучей среды под давлением эта текучая среда вытекает наружу через резьбу вследствие неполного уплотнения уплотнительным кольцом. С другой стороны, деформация заднего уплотнительного кольца выше 40% от диаметра его поперечного сечения приводит к повреждению керамического элемента форсунки - завихряющего вкладыша. Напряжения, обусловленные деформацией, превышают прочность керамического элемента, что приводит к его повреждению.
Предпочтительно, если положение полного затягивания на корпусе гайки определяется затягиванием резьбы гайки на участке сбега резьбы с определенной величиной крутящего момента.
Кроме того, предпочтительным является вариант осуществления, в котором положение полного затягивания гайки определяется контактом поверхности гайки с поверхностью опорного выступа, выполненного на наружной поверхности корпуса.
Гайка может быть выполнена в виде цельной детали из металла, однако, при высоких давлениях текучей среды предпочтительно, если гайка содержит приклеенный изнутри фитинг. Указанный фитинг выполнен из керамического материала или спеченных порошков и имеет распыляющее отверстие, конусообразный вход и выступ. Передняя поверхность указанного выступа является тангенциальной к передней поверхности завихряющего вкладыша.
Также предпочтительно, если завихряющий вкладыш выполнен из керамического материала или спеченных порошков.
Другой вариант осуществления данного изобретения заключается в том, что завихряющий вкладыш содержит воздушную форсунку, расположенную на оси разделительной стенки, подача в которую осуществляется с помощью коаксиальной трубки, наружный диаметр которой меньше диаметра впускающего жидкость канала, причем указанная трубка проходит наружу от задней части корпуса.
В соответствии с данным изобретением уплотнительные кольца, которые закрепляют и уплотняют завихряющий вкладыш, работают в нестандартных условиях. Заднее уплотнительное кольцо работает в незакрытом пазу, имеющем нестандартную форму и размер. Указанное кольцо прижато к поверхности на участке паза посредством начального затягивания гайки, при этом, когда форсунка находится в работе, уплотнительное воздействие усиливается за счет давления жидкости. Пространство на задней стороне кольца не подвергается воздействию какого-либо давления. Начальное усилие затягивания точно определено положением полного затягивания гайки. В результате достигается воспроизводимость осевого усилия сжатия заданной величины с одновременным сохранением упругости соединения. Такие условия являются особенно предпочтительными для форсунок с элементами, выполненными из ломких керамических материалов.
Два иллюстративных варианта осуществления обеспечивают полное понимание данного изобретения. В первом варианте осуществления форсунки распыляют воду за счет энергии давления, тогда как во втором варианте осуществления распыление воды обеспечивается сжатым воздухом. Указанные форсунки установлены по окружности во множественных рядах в кольце цилиндрического корпуса снежных пушек. На фиг. 1-5 показана форсунка для воды, а на фиг. 6-8 показана вторая форсунка, называемая нуклеационной форсункой. На указанных чертежах:
Фиг. 1 представляет собой осевой разрез форсунки для воды, содержащей колпачковую гайку с встроенным керамическим вкладышем. Керамический вкладыш имеет распыляющее отверстие. Форсунка показана в состоянии перед полным затягиванием гайки, когда указанные элементы имеют свободный контакт.
Фиг. 2 показывает детализацию «s», изображенную на фиг. 1, местоположений уплотнительных колец.
Фиг. 3 показывает детализацию «s» местоположений уплотнения после полного затягивания гайки.
Фиг. 4 и 5 показывают завихряющий вкладыш соответственно в разрезе А-А, указанном на фиг. 5 и проходящем через вихревой канал, и в виде спереди.
Фиг. 6 представляет собой осевой разрез нуклеационной форсунки в состоянии перед полным затягиванием гайки, когда указанные элементы имеют свободный контакт.
Фиг. 7 и 8 показывают завихряющий вкладыш, содержащий воздушную форсунку и трубку, соответственно, в виде сбоку и в виде спереди.
Форсунка, показанная на фиг. 1-5, содержит цилиндрический корпус 1, колпачковую гайку 2 с вклеенным керамическим фитингом 3 и завихряющий вкладыш 4. Гайка 2 выполнена из никелированной латуни. Керамический фитинг 3 по его оси имеет распыляющее отверстие 5, при этом указанное осевое распыляющее отверстие соединено изнутри посредством впускного конуса 6 с вихревой камерой 7. Внутри между корпусом 1 и гайкой 2, соединенными резьбовым соединением, установлен завихряющий вкладыш 4. Завихряющий вкладыш 4 выполнен из промышленной керамики. Вкладыш 4 имеет стенку 8, разделяющую канал 9 подачи воды в корпусе 1. В стенке 8 выполнено два вихревых канала 10, при этом оси указных каналов расположены симметрично и проходят наклонно с возможностью вихреобразования вокруг оси водораспылительной форсунки. В канал 9 подачи воды подается вода под давлением в 8-40 бар. Завихряющий вкладыш 4 закреплен между гайкой 2 и корпусом 1 посредством выступа 11. Выступ 11 в осевом направлении окружен передним и задним уплотнительными кольцами 12 и 13, оба из которых имеют круглое поперечное сечение, относящееся к типу «О». Уплотнительные кольца 12 и 13 выполнены из эластомерного материала с гибкоупругим свойством, например, фторсодержащего каучука, нитрильного каучука, или бутадиен-акрилонитрильного каучука. Переднее уплотнительное кольцо 12 установлено в прямоугольной канавке 14, выполненной на поверхности завихряющего вкладыша 4, причем указанная поверхность является тангенциальной к поверхности гайки 2, тогда как заднее уплотнительное кольцо 13 установлено в полукруглом пазу 15, выполненном во внутреннем углу задней поверхности выступа 11. Заднее уплотнительное кольцо 13 окружено со стороны корпуса 1 пазом 16 в форме четверти окружности, имеющим конусообразный вход 17. Диаметр D заднего уплотнительного кольца 13 превышает диаметр d переднего уплотнительного кольца 12, кроме того, заднее уплотнительное кольцо 13 выполнено из нитрильного каучука с твердостью 90 по международному стандарту, тогда как переднее уплотнительное кольцо 12 выполнено из бутадиен-акрилонитрильного каучука с твердостью 70 по международному стандарту. Канал 9 подачи воды в корпусе 1 имеет шестиугольное поперечное сечение, способствующее завинчиванию корпуса 1 в кольцо цилиндра снежной пушки.
Фиг. 1 и 2 показывают состояние, при котором колпачок 2 навинчен на корпус 1 в положение контакта колец 12 и 13 с окружающими их поверхностями без деформации колец. Между поверхностью выступа 11 и поверхностью корпуса 1 имеется щель с размером s1. Когда гайка 2 полностью притянута к корпусу 1, см. фиг. 3, осевая деформация Δ заднего уплотнительного кольца 13 составляет приблизительно 27% от диаметра D, при этом зазор уменьшается до размера s2, несколько меньшего, чем деформация Δ. Для конкретных материалов и размеров и для высокоточной машины с числовым программным управлением и экспериментально определенной величиной крутящего момента положение полного затягивания гайки 2 определяется посредством неоднократного затягивания гайки 2 на участке 18 сбега резьбы на корпусе 1. Предпочтительно, если в этом положении поверхность гайки 2 является тангенциальной к опорному выступу 19, выполненному на наружной поверхности корпуса 1.
Завихряющий вкладыш 4 в форсунке для воды выполнен из промышленной керамики. Однако очевидно, что для конкретных условий выбирают подходящий материал, пригодный для использования с учетом эрозивности распыляемой жидкостью и ее давления, что обеспечивает возможность выполнения как гайки 2, вместо вышеприведенного примера с приклеенным изнутри керамическим фитингом 3, так и завихряющего вкладыша 4 в виде цельных деталей из металла, например, из латуни.
Фиг. 6, 7 и 8 показывают второй вариант осуществления форсунки в соответствии с данным изобретением, в котором в распыляющую форсунку подается вода за счет энергии сжатого воздуха. Указанная форсунка, как и в снежной пушке, придает жидкости форму мельчайших частиц и образует маленькие кристаллы льда, которые в снежных пушках действуют как центры кристаллизации, причем частицы кристаллов льда инициируют процесс кристаллизации в распыляемой воде. Форсунка второго варианта данного изобретения отличается только тем, что сжатый воздух подают через воздушную форсунку 20, выполненную на оси разделительной стенки 8 завихряющей форсунки 4. Завихряющая форсунка 4 постоянно присоединена к трубке 21, наружный диаметр которой меньше диаметра впускного канала 9 подачи текучей среды. Указанная трубка 21 проходит от задней части корпуса 1 наружу, причем этот выступающий конец, содержащий уплотнительное кольцо 22, установлен в пазу канала подачи сжатого воздуха, выполненного в кольце цилиндра снежной пушки. На чертеже этот паз не показан.