УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ВЗРЫВОВ
DEVICE AND METHOD OF PRODUCTION OF EXPLOSIONS

Данное изобретение относится к способу и устройству для производства взрывов, в частности импульсов давления высокой интенсивности, согласно независимым пунктам формулы изобретения.
Известны различные устройства для создания ударных волн и импульсов давления, в частности для чистки котлов. Одно из таких устройств описано в патентном документе WО 2007/028264. При помощи раскрытого в нем устройства можно производить взрывы с высокой повторяемостью. Задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить специальную разновидность взрывного генератора такого типа.
Эта задача решается благодаря устройству и способу, определенному формулой изобретения.
Предлагаемое устройство имеет герметичный резервуар с выпускным отверстием для импульсов давления и закрывающий выходное отверстие затвор, например поршень или золотник. В результате вспомогательного взрыва затвор перемещается так, что он отпирает выпускное отверстие. С задержкой для отпирания выпускного отверстия в герметичном резервуаре инициируется взрыв в основной взрывной камере, причем созданный в результате импульс давления выходит через теперь уже по меньшей мере частично открытое выпускное отверстие. Вспомогательная и основная взрывные камеры предпочтительно установлены в герметичном резервуаре.
Сначала происходит инициирование вспомогательного взрыва. Инициирование взрыва осуществляют при помощи запального устройства в/на вспомогательной взрывной камере. Инициирование основного взрыва происходит с задержкой относительно инициирования вспомогательного взрыва. Вспомогательная взрывная камера и основная взрывная камера предпочтительно отделены друг от друга самим затвором. Задержку основного взрыва могут осуществить благодаря тому, что запальное устройство, установленное в/на основной взрывной камере, возбуждают с временной задержкой, например, благодаря схеме задержки. Тем не менее, вспомогательный взрыв также могут направить по линии задержки, установленной между вспомогательной и основной взрывными камерами. В этом случае запальное устройство имеет вспомогательная взрывная камера, а от запального устройства в/на основной взрывной камере могут отказаться.
Выпускное отверстие герметичного резервуара закрывается затвором. Предпочтительно это осуществляют при помощи пружинного элемента. Пружинный элемент может представлять собой обычную спиральную пружину, но предпочтительно он образован газовой пружиной. Такой пружинный элемент также вызывает возвратное движение затвора после взрыва и делает возможной повторяемость данного способа.
Во взрывные камеры вводят текучее взрывчатое вещество или текучую взрывчатую смесь, образующуюся в результате смешивания компонентов, которые предпочтительно сами по себе взрываться не способны. Текучие вещества и/или смеси веществ, например, представляют собой газообразные, жидкие, пудрообразные или порошкообразные вещества, или смесь таких компонентов; предпочтительно смесь состоит из двух находящихся под давлением газов. С целью упрощения ниже все варианты и возможные комбинации веществ и смесей называются текучим взрывчатым материалом, но рассматривать это в качестве ограничения одним веществом или определенной смесью не следует.
В результате инициирования текучего взрывчатого материала в основной взрывной камере возникает взрыв с очень высоким давлением газа, которое отводится через выпускное отверстие, закрытое до этого и по существу почти до момента инициирования взрывчатого материала. При этом выпускное отверстие определяет направление выходящей ударной волны.
Затвор предпочтительно открывается так быстро, что перед самим инициированием газовая смесь, находящаяся под давлением в основной взрывной камере, может вытечь через выпускное отверстие, уже частично открытое затвором, разве что частично. Это означает, что благодаря этому газовая смесь при инициировании по-прежнему находится под давлением, а созданные давления взрыва соответственно высоки. Например, если в стехиометрическом соотношении применяют этан и кислород, то возникает давление взрыва, примерно в 25 раз большее, чем давление в момент инициирования. Целью данного способа является создание импульсов давления с максимально возможным пиком давления. Для этого затвор предпочтительно перемещают с максимальной скоростью, так что в момент инициирования основного взрыва несмотря на открытое выпускное отверстие давление газа все еще остается максимально высоким. Для создания такой высокой скорости затвора до взрыва доводят газовую смесь во вспомогательной взрывной камере, предпочтительно также находящуюся под давлением. В результате очень высокое давление вспомогательного взрыва действует на затвор и сильно ускоряет его. После этого движение затвора могут затормозить при помощи пружинного элемента.
Благодаря тому что затвор закрывает выпускное отверстие, а предлагаемое устройство устроено так, что в результате инициирования вспомогательного взрыва затвор перемещается и, следовательно, выпускное отверстие сразу же отпирается, в целом устройство может иметь весьма простую конструкцию. В частности, предлагаемое устройство может состоять всего лишь из нескольких деталей. За исключением затвора других подвижных деталей предпочтительно не применяют. При высоких нагрузках, имеющих место при производстве взрывов такой высокой интенсивности, материал подвижных деталей подвергается чрезвычайным нагрузкам. Чтобы создать устройство, делающее возможным повторное производство взрывов, необходим или весьма предпочтителен такой процесс, который протекает как можно более линейно и при оптимальных щадящих условиях для деталей, подвергаемых особенно большой нагрузке. Это имеет место в случае предлагаемого способа и соответствующего устройства.
В случае предпочтительной конструкции предлагаемого устройства основная взрывная камера и затвор расположены в герметичном резервуаре так, что давление наполнения основной взрывной камеры, то есть давление газа, с которым взрывную камеру перед инициированием наполняют текучим взрывчатым материалом, действует перпендикулярно направлению перемещения затвора. Преимущество такой конструкции состоит в том, что при совершенно закрытом устройстве пружинный элемент должен действовать не против этого давления наполнения, а только против давления наполнения во вспомогательной взрывной камере, то есть ему не приходится ни удерживать выпускное отверстие в закрытом состоянии, ни, преодолевая эту силу, отпирать выпускное отверстие.
В одном из вариантов осуществления изобретения затвор после первоначального перемещения и отпирания выпускного отверстия под действием давления наполнения или давления взрыва в основной камере взрыва дополнительно ускоряется и перемещается вниз.
Если применяют два независимых запальных устройства для вспомогательного и основного взрыва, то давления наполнения и состав текучего взрывчатого материала во вспомогательной и основной взрывных камерах могут отличаться друг от друга. Таким образом, в одном и том же устройстве могут создать различные давления взрыва для привода и импульса давления, благодаря чему с одним и тем же устройством могут достичь высокой гибкости в отношении конструктивного исполнения и использования примененных средств.
Благодаря соответствующему расположению вспомогательной и основной взрывной камеры и камеры газовой пружины, а также конструкции герметичного резервуара и установленного в нем затвора, выполняющего функцию клапана для выпускного отверстия, эти камеры могут отделить друг от друга, а также предпочтительно уплотнить одним затвором, преимущественно выполненным в виде поршня.
Предлагаемое устройство предпочтительно применяют для очистки котлов в крупных установках, например в установках по сжиганию отходов, электростанциях на угольном топливе, элеваторах, для удаления шлаков или отложений и т.д. В этом случае существенное преимущество состоит в том, что отдельные циклы очистки могут повторять очень быстро и многократно. Кроме того, применение газов в качестве материала для чистки при производстве взрывов и связанных с ними импульсов давления сравнительно выгодно и могут создать высокие давления взрыва. К тому же подача веществ, которые почти до момента инициирования взрыва сами по себе взорваться не могут, повышает безопасность персонала и установки. Кроме того, становится возможной чистка при еще теплой или горячей эксплуатируемой установке, так как взрывчатые вещества длительному воздействию горячего окружения не подвергаются. При этом созданную ударную волну могут по трубе направить в расположенный на большом расстоянии котел, в очищаемое место. Трубу могут неподвижно закрепить на очищаемой установке, но ее также могут ввести снаружи в установку или котел, например, с возможностью телескопического выдвижения. Благодаря созданному при взрыве импульсу давления с котельных труб и стенок сдувают отложения и грязь, одновременно вызывают колебания труб или стенок. Оба действия приводят к эффективной очистке очищаемых установок.
Возможны различные другие варианты применения, при которых необходим сильный, быстрый силовой удар, импульс давления или ударная волна высокой интенсивности и/или (быстрая) повторяемость. В качестве примера можно назвать генераторы давления, используемые для обработки листового металла или в качестве привода для стрелкового оружия, в котором для ускорения пули применяют импульс давления.
Так как величина скорости истечения газообразных продуктов взрыва из выпускного отверстия и, следовательно, созданной тяги превышает соответствующие значения, достигаемые при непрерывном горении в реактивных двигателях, соответствующий способ и устройство могут применить также в качестве привода космических кораблей или импульсного детонационного двигателя.
Ниже изобретение поясняется более подробно на основе примеров его осуществления. На чертежах показано следующее.
Фиг.1. Взрывной генератор с двумя запальными устройствами.
Фиг.2. Взрывной генератор с линией задержки.
Фиг.3. Взрывной генератор с золотником.
На фиг.1 показан взрывной генератор с герметичным резервуаром 1 и находящимся в этом резервуаре выпускным отверстием 2. Поршень 3, установленный с возможностью перемещения в резервуаре, служит в качестве клапана для закрытия выпускного отверстия и удерживания его в закрытом состоянии. Задний конец 4 поршня имеет увеличенный диаметр и уплотнение, так что задний конец предпочтительно скользит по внутренней стенке резервуара совершенно плотно. В задней части герметичного резервуара имеется первая камера, которая задним концом поршня делится на две секции. Одна секция камеры представляет собой камеру 5 газовой пружины, другая - вспомогательную взрывную камеру 6. Камеру 5 газовой пружины наполняют газом, например воздухом, азотом, углекислым газом и т.д., этот газ направляют в камеру 5 через предусмотренное для этого отверстие 7 для наполнения газом. Благодаря давлению газа или давлению закрывания в камере газовой пружины передний конец поршня 3 (клапан) прижимается к седлу 8 клапана в выпускном отверстии. Это давление закрывания клапана имеет такую величину, что под его действием поршень переводится в закрытое положение и может остаться в этом положении даже против давления наполнения во вспомогательной взрывной камере; таким образом, поршень надежно закрывает выпускное отверстие.
Через подводящий трубопровод 9 вспомогательную взрывную камеру 6 наполняют взрывчатой смесью, например кислородом и этаном. Инициацию вспомогательного взрыва в камере вспомогательного взрыва осуществляют при помощи запального устройства 10, например запальной свечи или свечи накаливания, или при помощи направляемого в устройство мощного лазерного излучения. Благодаря высокому давлению, возникающему в результате воспламенения взрывчатой смеси во вспомогательной взрывной камере 6, поршень отжимается и перемещается назад, против силы газовой пружины. В результате перемещения поршня назад выпускное отверстие 2 открывается, и поршень из-за силы давления наполнения в основной взрывной камере 11 ускоряется в еще большей степени и перемещается назад.
Основная взрывная камера 11 расположена в передней части герметичного резервуара. В данном варианте осуществления изобретения она состоит из двух труб, которые расположены под прямым углом к поршню и закрыты с одной стороны. Трубы тоже наполняют взрывчатым материалом через подводящий трубопровод 9', смотря по обстоятельствам, также через тот же трубопровод, при помощи которого наполняют вспомогательную взрывную камеру. Для основного взрыва предпочтительно применяют такой же взрывчатый материал, как и для вспомогательного взрыва. При этом давление наполнения основной взрывной камеры действует на поршень по существу под прямым углом, в этой ситуации никакого влияния на положение поршня оно не оказывает.
При наполнении обеих взрывных камер вещества, применяемые для взрывчатой смеси, могут загружать одно за другим до наилучшего стехиометрического соотношения. Чтобы достичь хорошего перемешивания, могут также предварительно загрузить в отдельные резервуары высокого давления с тем же давлением отдельные вещества в соответствующем соотношении и направить эти вещества из резервуаров во взрывные камеры.
После инициирования вспомогательного взрыва при помощи запального устройства 10 датчик 15 давления регистрирует возрастание давления во вспомогательной взрывной камере. Этот сигнал с задержкой по времени при помощи выключателя 13 с выдержкой времени, например реле времени, инициирует запальное устройство 14 в основной взрывной камере и, следовательно, основной взрыв. Вместо наружного датчика давления инициировать основной взрыв может также сам ход поршня, например, в результате того, что перемещающийся поршень приводит в действие спусковой механизм. Оба запальных устройства 10, 14 вспомогательной и основной камеры могут соединить также непосредственно посредством схемы задержки. Однако управление задержкой при помощи датчика давления или спускового механизма гарантирует, например, что при невоспламенении во вспомогательной взрывной камере не инициируется основной взрыв при пока еще закрытом выпускном отверстии.
Задержку могут осуществить также при помощи линии 22 задержки, как показано на фиг.2. По линии задержки 22 или взрывному проводу взрыв из вспомогательной взрывной камеры 6 направляют в основную взрывную камеру 11. В этом случае время задержки определяется длиной линии и скоростью распространения взрыва, а отдельное запальное устройство в основной взрывной камере не требуется. Наполнение основной взрывной камеры могут осуществить через линию задержки 22, так что отдельный подводящий трубопровод в основной взрывной камере не требуется. В показанном примере основная взрывная камера имеет подводящий трубопровод 9, а вспомогательная взрывная камера 6 наполняется через линию задержки. При применении этого способа наполнения вспомогательную и основную взрывную камеру наполняют с одинаковым давлением.
При применении двух запальных устройств предпочтительно используют "быстрые" устройства, например запальные свечи или лазерные системы воспламенения, так как инициирование обоих взрывов должно происходить в точно определенный момент времени. Такие быстрые запальные устройства предпочтительны также при согласовании нескольких предлагаемых устройств. При применении нескольких параллельно включенных устройств могут создать и использовать взаимно усиливающие эффекты. Например, для очистки крупных котлов ударные волны или импульсы давления могут аккумулировать посредством одновременного инициирования нескольких взрывов в нескольких взрывных генераторах, так что в результате усиливается очищающее действие, или альтернативно могут снизить число устройств для очистки. При применении линии задержки и, соответственно, лишь одного запального устройства во вспомогательной взрывной камере, запальное устройство может представлять собой, например, "медленную" свечу накаливания, для нагревания которой требуется несколько, примерно 3 секунды. К запальным устройствам нового типа относится лазерная система воспламенения, которая в качестве запального устройства во взрывных генераторах или генераторах ударных волн пока не известна. При этом лазерный луч вводят в герметичный резервуар. Лазерный луч может зажечь газ непосредственно, либо он нагревает определенное место на поверхности резервуара, от которого затем воспламеняется находящийся в резервуаре взрывчатый газ. Для этого в герметичном резервуаре имеется окно, проницаемое для соответствующей длины волны лазерного излучения. Преимущество этого устройства заключается в том, что в камере нет никаких запальных элементов, которые могут изнашиваться, загрязняться или разрушаться взрывом. Кроме того, в герметичных резервуарах не требуются никакие электрические вводы. Лазерный луч могут сфокусировать до очень высокой плотности энергии, его могут весьма точно отрегулировать во времени и даже могут применить при таких загрязнениях поверхности, которые в случае других запальных устройств оказали бы вредное влияние.
Силы, действующие на поршень или в общем случае на затвор, и особенно тепло, возникающее при выходе ударной волны в районе выпускного отверстия, чрезвычайно велики. Благодаря вспомогательному взрыву поршень перемещается назад из района выпускного отверстия и, следовательно, защищается еще до собственно взрыва. Вместе с тем созданная ударная волна может выйти из устройства без помех и задержек. В предпочтительном варианте осуществления изобретения сдвиг во времени между двумя взрывами лежит в пределах нескольких миллисекунд, предпочтительно он составляет от 0,2 до 10 мсек, например от 0,5 до 2 мсек.
Перемещающимся назад поршнем газ в камере газовой пружины сжимается все больше. Благодаря этому, с одной стороны, предотвращают то, что поршень из-за взрыва без торможения наталкивается на заднюю стенку резервуара высокого давления, с другой стороны, поскольку собственно взрыв произошел, после этого поршень снова приводят в его исходное положение закрытия выпускного отверстия. Таким образом, после взрыва устройство снова автоматически возвращается в свое исходное положение, и после наполнения камер снова могут начать процесс производства взрыва.
На фиг.3 показан взрывной генератор, в котором выпускное отверстие 2 остается в закрытом состоянии благодаря золотнику 33. Основная взрывная камера 31 расположена с центровкой относительно выпускного отверстия в герметичном резервуаре 100. Золотник перемещается параллельно плоскости выпускного отверстия, то есть под прямым углом к направлению выпуска (обозначено стрелкой), которое определено выпускным отверстием. Принцип конструкции со вспомогательной взрывной камерой, камерой газовой пружины и золотником по существу соответствует принципу конструкции, содержащей поршень согласно фиг.2, причем здесь обе вышеупомянутые камеры расположены перпендикулярно направлению выпуска. Золотник предпочтительно имеет плоскую конструкцию, но его могут выполнить также в виде цилиндра (поршня) и он может либо иметь привод, либо его могут выполнить прямо в виде такого привода. После наполнения вспомогательной и основной взрывной камер через общий подводящий трубопровод 9 при помощи запального устройства 10 инициируется взрыв во вспомогательной взрывной камере. Затем взрыв по линии задержки 22 направляют в основную взрывную камеру 31.
Ниже приведены примерные параметры устройства для производства взрывов:
- объем основной взрывной камеры: 1-3 л;
- давление наполнения (взрывных камер): 10-30 бар, например 15-25 бар;
- диаметр выпускного отверстия: 40-80 мм.