ФОРСУНКА МОНИТОРА ДЛЯ СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ

Полезная модель относится к устройствам строительной техники и предназначена для формирования в грунте подземных сооружений по технологии струйной цементации.
Струйная цементация грунтов основана на разрушении природной структуры грунта энергией высокоскоростной струи водоцементного раствора и перемешивании его с материалом грунта. После твердения раствора образуется новый материал - грунтоцемент, обладающий высокими прочностными и деформационными характеристиками.
Форсунка является устройством, которое своим соплом преобразует потенциальную энергию высокого давления цементировочного насоса в кинетическую энергию струи водоцементного раствора. Форсунка закрепляется на корпусе монитора для струйной цементации.
Исследования водяных струй в гидравлических резаках на установках замедленного коксования (Формирование водяных струй в гидравлических резаках на установках замедленного коксования / И.А. Тихонов, Я.В. Валова. - Молодой ученый - 2016 - №26 (130) - С. 93-96. - URL: https://moluch.ru/archive/130/35978) показали, что эффективность резки в значительной степени зависит от компактности струи высокого давления. Компактность струи, и ее гидродинамические параметры предопределяются конструктивными особенностями струеформирующих элементов (сопел) гидравлических резаков.
«Исследования, проведенные С.С. Шавловским, (см. Шавловский С.С. Основы динамики струй при разрушении горного массива - М. Наука, 1979.) показали, что наибольшей энергией обладают компактные струи без турбулентных завихрений. Основным фактором, отрицательно действующим на компактность струи, является вращение струи относительно продольной оси потока.» (Прогрессивные конструкции и технологии производства форсунок для струйных мониторов. Вакутин А.П.. Малинин А.Г., Смирнов А.Н.; ООО Специальная строительная техника.)
Известно сопло к устройству для резки жидкостью высокого давления, SU 1466875 B23D 31/00 опубл. 23.03.1989. Сопло состоит из корпуса с осевым каналом подачи рабочей жидкости. На торце корпуса установлен калибродержатель с крепежными винтами, а в канале корпуса штуцер, втулка и калибр. Последний имеет выпускной канал со сходящейся входной частью и цилиндрической выходной частью. Сходящаяся входная часть калибра образована поверхностью катеноида вращающейся цепной линии около ее директрисы.
Известно сопло для абразивоструйной обработки поверхностей, RU 2467865 В24С 5/04 опубл. 27.01.2012, содержащее корпус, выполненный в виде стакана, внутренняя полость которого образует глухой центральный канал с донной частью и боковой стенкой. В боковой стенке стакана выполнен боковой канал для выхода абразивосодержащей смеси.
Известен режущий инструмент и режущее сопло для гидроабразивного режущего устройства, RU 2500518 С2 В24С 5/02 опубл. 10.12.2013. Сопло для режущего устройства высокого давления содержит канал для потока жидкости и канал для потока суспензии, содержащей взвешенные в жидкости абразивные частицы, причем указанное сопло содержит смесительную камеру, а так же смесительная камера имеет входную зону, выполненную с возможностью приема потока жидкости и потока суспензии.
К недостаткам сопел для резки можно отнести невозможность обеспечения струи большой протяженности, необходимой для размыва грунта, а так же, конструкции сопел не исключают возможность возникновения турбулентности и вращение струи.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели и взятым в качестве прототипа является форсунка для технологии Jet1, (Прогрессивные конструкции и технологии производства форсунок для струйных мониторов. Вакутин А.П., Малинин А.Г., Смирнов А.Н.; ООО Специальная строительная техника - С. 1., рис. 1 а), состоящая из двух деталей - цилиндрического корпуса, изготовленного из конструкционной стали, с осевым отверстием, в которое закреплена втулка, выполненная из износостойкого материала, с расположенным по оси втулки соплом, в виде внутреннего усеченного прямого кругового конуса, у которого большее основание конуса является входным отверстием сопла, а меньшее основание конуса является выходным отверстием сопла
К недостаткам форсунки можно отнести возможность возникновения вращения водоцементной струи относительно продольной оси потока.
Целью полезной модели является создание конструкции форсунки монитора для струйной цементации для увеличения размеров размыва грунта за счет уменьшения турбулентности потока струи и устранения вращения водоцементной струи относительно продольной оси потока.
Поставленная цель достигается тем, что форсунка монитора для струйной цементации, состоящая из корпуса цилиндрической формы, изготовленная из конструкционной стали, с осевым отверстием, в котором закреплена втулка, выполненная из износостойкого материала, с расположенным по оси втулки соплом, в виде внутреннего усеченного прямого кругового конуса у которого большее основание конуса является входным отверстием сопла, а меньшее основание конуса является выходным отверстием сопла, при этом в конусе сопла закреплены по меньшей мере две перегородки в виде пластин, толщиной не более 0,5 мм, причем, каждая пластина перегородки выполнена в виде прямоугольной трапеции, где большее основание трапеции равно радиусу входного отверстия сопла, наклон боковой стороны трапеции равен наклону образующей конуса сопла, высота трапеции на 0,5-2 мм меньше высоты конуса сопла, за счет чего образуется зона слияния потоков раствора, образованная между меньшими основаниями трапеций пластин и выходным отверстием сопла, при этом, высоты трапеций пластин установлены на оси конуса сопла и распределены равномерно по окружности конуса сопла. При этом, перегородки изготовлены из материала втулки.
Между отличительными признаками и достигнутым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
Одним из существенных признаков является:
- введение в сопло перегородок, их расположение и форма и размеры минимизируют турбулентность потока через сопло и исключают вращения водоцементной струи относительно продольной оси потока;
- толщина перегородок практически не создает сопротивления водоцементному раствору;
- количество перегородок, устанавливаемых в сопле определяют ламинарность создаваемого потока водоцементного раствора: две перегородки создают минимальную ламинарность потока, а верхний предел количества перегородок определяется увеличением гидравлического сопротивления сопла;
- зазор между перегородками и выходным отверстием сопла формирует неразрывный одинарный поток раствора и не влияет на образование струи из сопла;
- изготовление перегородки из твердосплавного материала гарантирует длительность их эксплуатации.
Совокупность существенных признаков, характеризуют заявленное решение как форсунку монитора для струйной цементации и достаточно для достижения поставленной цели.
Сущность полезной модели заключается в том, что предлагаемая конструкция форсунки монитора уменьшает турбулентность потока водоцементного раствора, переводя его течение в ламинарное. «Успешное создание ламинарного потока может быть достигнуто с помощью пористого металла, или пластинки из металла или пластика внутри» (Ламинарный поток, https://bkpromcleaning.ru/laminamyj-potok). При введении перегородок в сопло возникает «эффект обусловленный созданием ускоряющихся ламинарных струй, которые оказываются устойчивыми и в которых отсутствует интенсивное турбулентное перемешивание на границах струй» (Устройство для создания ламинарных течений с низким уровнем начальной турбулентности. https://findpatent.ru/patent//234/2346188.html). Конструкция форсунки так же исключает закручивание струи за счет перегородок. «Это объясняется тем, что наилучшим средством погасить вращение потока вокруг продольной оси сопла являются пластины, установленные по течению потока» (Формирование водяных струй в гидравлических резаках на установках замедленного коксования / И.А. Тихонов, Я.В. Валова. - Молодой ученый - 2016 - №26 (130) - С. 93-96. - URL: https://moluch.ru/archive/130/35978) Ламинарный поток и отсутствие вращения водоцементной струи относительно продольной оси потока создает компактность струи водоцементного раствора, что приводит к возникновению динамических сил, увеличивающих воздействие на грунт.
Полезная модель поясняется чертежом, где на Фиг. 1 изображен продольный разрез форсунки, на Фиг. 2 изображена пластина перегородки, на Фиг. 3 вид А форсунки.
Форсунка, Фиг. 1, состоит из корпуса 1 цилиндрической формы, изготовленный из конструкционной стали, с осевым отверстием, в котором закреплена втулка 2, выполненная из износостойкого материала, с расположенным по оси втулки 2 соплом 3, в виде внутреннего усеченного прямого кругового конуса 4, у которого большее основание конуса 4 является входным отверстием 5 сопла 3, а меньшее основание конуса 4 является выходным отверстием 6 сопла 3. В сопле 3 закреплены перегородки 7 в виде пластин 8, толщиной не более 0,5 мм. Каждая пластина 8 перегородки 7 выполнена в виде прямоугольной трапеции, Фиг. 2, где большее основание 9 трапеции равно радиусу входного отверстия 5 сопла 3, наклон боковой стороны 10 трапеции равен наклону образующей 11 конуса 4 сопла 3, высота 12 трапеции на 0,5-2 мм меньше высоты 14 конуса 4 сопла 3 и за счет чего образуется зона «а» слияния потоков раствора, образованная между меньшими основаниями 15 трапеций пластин 8 и выходным отверстием 6 сопла. На Фиг. 3 показано восемь перегородок 7. Высоты 12 трапеций пластин 7 установлены на оси 8 конуса 4 сопла 5 и распределены равномерно по окружности конуса 4. Причем, перегородки 7 изготовлены из материала втулки 2.
Форсунка работает следующим образом.
При подаче водоцементного раствора под высоким давлением в монитор, раствор поступает в сопло 3, где за счет перегородок 7 разделяется на несколько малых потоков. Это обеспечивает эффективное гашение как поперечных пульсаций, так и вращательных движений раствора. Разделение потока способствует гашению вихрей, образующихся в результате вращения потока относительно продольной оси 8, а также выравнивает продольные скорости и гасит энергию турбулентных возмущений. Перегородки 7 работают, так же, направляющими струи водоцементного раствора и при выходе из системы перегородок 7 не дают потоку закручиваться вокруг своей оси. При выходе в зону «a» отдельные потоки раствора схлопываются в один поток, сохраняя свою ламинарность за счет инерционности потока, и на выходе из выходного отверстия 6 сопла 3 преобразуются в компактную струю, что приводит к возникновению динамических сил, увеличивающих размывающее действие водоцементной струи на грунт.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности размыва грунта за счет придания струе водоцементного раствора компактности. Предварительные расчеты показывают, что размыв различных типов грунтов увеличивается на 10-20%.