Водяная пушка
WATER GUN

Изобретение относится к насосостроению, сельскохозяйственному машиностроению и может быть использовано для полива сельскохозяйственных культур больших площадей, в пожаротушении импульсами большой мощности, преимущественно лесных.
Известна установка для пожаротушения по патенту Российской Федерации №2121390, кл. A62C 31/02, 2004 г., содержащая емкость с веществом, предназначенным для пожаротушения, баллон со сжатым газом, приспособление для создания направленного потока тушащего вещества, смешанного с рабочим газом, гибкие шланги, соединяющие емкость и баллон между собой и с приспособлением, регулятор давления рабочего газа, приспособление снабжено камерой смешения тушащего вещества с газом, на выходе которой установлено газодинамическое сопло. При работе данной установки осуществляется ускорение газового потока в газодинамическом сопле, подача в газовый поток в процессе его ускорения дисперсного потока жидкости и ускорение в сопле образованного двухфазного потока.
Эта установка не позволяет значительно увеличить расход огнетушащего вещества, т.к. возникает большая сила отдачи, стремящаяся вырвать ствол из рук пожарного.
Известна пульсирующая насосная установка-движитель, применяемая и для пожаротушения по свидетельству на полезную модель №28425, кл. A01C 25/02, B05B 1/08, 2003 г., содержащая камеру сгорания с системой сжигания, входным устройством для топливовоздушной смеси и выпускным клапаном, сообщающимся с емкостью, имеющей впускной гидравлический клапан и выходное сопло для создания направленного потока газожидкостной смеси.
Однако в этой установке при увеличении дальности подачи огнетушащего вещества сила реакции струи значительно возрастает, и, следовательно, она не может быть использована как легкая мобильная установка.
Известна импульсная установка для пожаротушения по патенту Российской Федерации №36239, кл. А62С 31/02, 2004 г., принятая заявителем за прототип. Она содержит газогенератор, выходной канал которого сообщается с вытеснительной камерой для огнетушащего состава, имеющей основное сопло для создания направленного потока и систему зажигания. Вытеснительная камера оснащена дополнительным соплом для создания потока, направленного в противоположную сторону от основного сопла, в проекции на плоскость, перпендикулярную к плоскости, в которой расположены пересекающиеся оси основного и дополнительного сопел, одно сопло оснащено запирающим устройством одноразового или многократного действия, газогенератор содержит камеру сгорания и устройство подготовки и подачи топливовоздушной смеси, в выходном канале газогенератора перед вытеснительной камерой размещен выпускной клапан, дополнительное сопло установлено под углом 30-180° к оси основного сопла, выполнены каналы, соединяющие основное и дополнительное сопла с газогенератором, одно сопло выполнено многоканальным, одно сопло оснащено на выходе камерой смешения, камера смешения выполнена с входным конфузорным участком, а на выходе с диффузорным участком.
Однако все же дальность подачи огнетушащего состава при помощи данной установки не велика.
У ныне существующих конструкций отсутствует схема наполнения ствола новой порцией воды для последующего залпа. Ствол или пополняется набегающим потоком воды (если речь идет о водометном движителе), или пополняется из большого резервуара с водой, где вода находится под давлением сжатого воздуха.
Это и не эффективно, и удорожает конструкцию вследствие того, что требуется относительно большого объема резервуар и компрессор, которому где-то в поле или в лесу надо найти электроэнергию, а значит, надо иметь автономную бензиновую электростанцию.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание такого устройства, которое часть энергии воспламенившейся топливовоздушной смеси могло бы направить на подготовку очередного выстрела, т.е. могло бы быстро заполнить ствол водой и поджать топливовоздушную смесь до необходимой компрессии для получения большего давления при сгорании.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом решении водяная пушка выполнена в виде формы, напоминающей артиллерийский снаряд, в головной части которого размещен ствол, а цилиндрическая его часть выполнена в виде гидроцилиндра с поршневой и штоковой полостями, задняя крышка гидроцилиндра выполнена в виде фланца, а вытеснительная камера образована внутренним объемом ствола, с внешней стороны задней крышки-фланца гидроцилиндра смонтирован пневмоцилиндр и посредством поршня соединен со штоком гидроцилиндра, а камера сгорания сопряжена со стволом и выполнена с возможностью выхода продуктов сгорания во внутрь вытеснительной камеры ствола, а ствол соединен с поршневой полостью гидроцилиндра, которая предназначена для приема и дальнейшей передачи порции воды во внутрь вытеснительной камеры ствола, шток гидроцилиндра охвачен двумя пружинами большой и малой, которые одним основанием опираются на фланец задней крышки гидроцилиндра, а другим основанием большая пружина упирается в поршень гидроцилиндра, а малая пружина упирается в упорный фланец на штоке гидроцилиндра, причем шток гидроцилиндра выполнен составным и разделен на три части: в штоковой полости гидроцилиндра размещена фланцевая часть штока гидроцилиндра, которая разделена на основную часть, соединенную с поршнем гидроцилиндра, и пневматическую часть, на которой установлен поршень пневмоцилиндра, вторая часть штока гидроцилиндра в исходном положении размещена внутри вытеснительной камеры ствола и выполнена в виде малого поршня, который установлен с возможностью соединения с поршнем гидроцилиндра, на малом поршне закреплен запорный шток, который выполнен с возможностью закрывания сопла вытеснительной камеры ствола и является третьей частью штока гидроцилиндра, а пневмоцилиндр соединен с устройством подготовки и подачи топливовоздушной смеси.
Кроме того, малый поршень выполнен полым со входным отверстием для передачи давления продуктов сгорания из камеры сгорания во внутреннюю полость малого поршня и снабжен фиксирующим механизмом, фланцевая часть штока гидроцилиндра снабжена запорным механизмом, причем каждый фиксирующий и запорный механизмы выполнены в виде поршенька и шариков, а в поршне гидроцилиндра и в задней крышке-фланце гидроцилиндра выполнены фиксирующие ложементы под шарики, причем в поршне пневмоцилиндра и в пневматической части фланцевой части штока гидроцилиндра выполнен осевой канал для прохода сжатого воздуха из пневмоцилиндра и воздействия на поршенек запорного механизма.
Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в том, что благодаря использованию части энергии воспламенившейся топливовоздушной смеси появилась возможность подготовки очередного выстрела, а именно быстро заполнить ствол очередной порцией воды и поджать топливовоздушную смесь до необходимой компрессии для получения большего КПД, и, как результат, - получение большой дальности струи при пожаротушении и, кроме того, получение веерного распыления струи при поливе сельскохозяйственных культур.
На фиг. 1 изображена водяная пушка в исходном положении в заряженном состоянии перед зажиганием рабочей смеси;
на фиг. 2 изображена водяная пушка в положении, когда выстрел завершен, пружины сжаты, воздух под давлением, вода под поршнем;
на фиг. 3 - положение элементов конструкции пушки перед возвратом малого поршня в исходное положение и пуском сжатого воздуха в камеру сгорания.
на фиг. 4 изображена диаграмма изменения силы струи воды, находящаяся в прямой зависимости от изменения давления в вытеснительной камере относительно начального и конечного моментов выстрела.
Водяная пушка выполнена в виде формы, напоминающей артиллерийский снаряд, в головной части которого размещен ствол 1, а цилиндрическая его часть выполнена в виде гидроцилиндра 2 с поршневой 3 и штоковой 4 полостями. Задняя крышка гидроцилиндра 2 выполнена в виде фланца 5. С внешней стороны задней крышки-фланца 5 гидроцилиндра 2 смонтирован пневмоцилиндр 6 и посредством поршня 7 соединен со штоком гидроцилиндра 2. Пневмоцилиндр 6 трубопроводом 8 соединен с устройством 9 подготовки и подачи топливовоздушной смеси, которое в свою очередь трубопроводом 10 соединено с камерой сгорания 11. Камера сгорания 11 сопряжена со стволом 1 и выполнена с возможностью выхода продуктов сгорания во внутрь ствола 1 посредством отверстий 12. Камера сгорания 11 снабжена клапаном 13 подачи топливовоздушной смеси и свечой зажигания 14. Причем внутренний объем ствола 1 образует вытеснительную камеру 15.
Выходной конец ствола 1 выполнен в виде сопла 16, а сам ствол 1 соединен с поршневой полостью 3 гидроцилиндра 2 посредством обратных клапанов 17. Поршневая полость 3 предназначена для приема из вне и дальнейшей передачи порции воды вовнутрь вытеснительной камеры 15 ствола 1, которая попадает в поршневую полость 3 через обратный клапан 18.
Шток гидроцилиндра 2 охвачен двумя пружинами: большой 19 и малой 20, которые одним основанием опираются на заднюю крышку-фланец 5 гидроцилиндра 2. Большая пружина 19 другим основанием упирается в поршень 21 гидроцилиндра 2, а малая пружина 20 упирается в упорный фланец 22 на штоке гидроцилиндра 2.
Шток гидроцилиндра 2 выполнен составным и разделен на три части: в штоковой полости 4 гидроцилиндра 2 размещена фланцевая часть штока гидроцилиндра 2, которая разделена на основную 23 часть, соединенную с поршнем 21 гидроцилиндра 2, и пневматическую часть 24, на которой установлен поршень 7 пневмоцилиндра 6.
Вторая часть штока гидроцилиндра 2 в исходном положении размещена внутри вытеснительной камеры 15 ствола 1 и выполнена в виде малого поршня 25, который установлен с возможностью сцепления с поршнем 21 гидроцилиндра 2. На малом поршне 25 закреплен запорный шток 26, который выполнен с возможностью закрывания сопла 16 вытеснительной камеры 15 ствола 1 и является третьей частью штока гидроцилиндра 2.
Малый поршень 25 выполнен полым с входным отверстием 27 для передачи через него давления продуктов сгорания из камеры сгорания 11 и вытеснительной камеры 15 во внутреннюю полость малого поршня 25 и снабжен фиксирующим механизмом 28, выполненным в виде поршенька 29 и шариков 30, а в поршне 21 гидроцилиндра 2 выполнены фиксирующие ложементы 31 под шарики 30.
Фланцевая часть штока гидроцилиндра 2, а именно пневматическая его часть 24, также снабжена запорным механизмом 32, который выполнен в виде поршенька 33 и шариков 34, а в задней крышке-фланце 5 гидроцилиндра 2 выполнены фиксирующие ложементы 35 под шарики 34. Причем в поршне 7 пневмоцилиндра 6 и в пневматической части 24 фланцевой части штока гидроцилиндра 2 выполнен осевой канал 36 для прохода сжатого воздуха из пневмоцилиндра 6 в поршеньковую полость запорного механизма 32 и воздействия на поршенек 33 запорного механизма 32.
Водяная пушка работает следующим образом.
Для запуска водяной пушки в работу все механизмы этого устройства должны быть приведены в исходное положение, а именно: малый поршень 25 не зафиксирован с поршнем 21 гидроцилиндра 2: поршенек 29 находится в свободном положении, а шарики 30 находятся вне ложементов 31. При этом большая пружина 19 поджимает и фиксирует поршень 21 гидроцилиндра 2 в его крайнем правом положении, а малая пружина 20, упираясь в упорный фланец 22 на основной части 23 штока гидроцилиндра 2, также удерживает шток и поршень 7 пневмоцилиндра 6 в крайнем правом положении.
Запорный механизм 32 основной части 23 штока гидроцилиндра 2 также разомкнут: поршенек 33 и шарики 34 также находятся в свободном положении, а фиксирующие ложементы 35 под шарики 34 свободны от шариков 34 и перекрыты пневматической частью 24 фланцевой части штока гидроцилиндра 2, пневмоцилиндр 6 заполнен воздухом, а обратный клапан 38 перекрыл обратный выход воздуха из пневмоцилиндра 6.
Кроме того, в исходном положении вытеснительная камера 15 должна быть заполнена водой. Причем для первоначального пуска водяной пушки производят заполнение вытеснительной камеры 15, вручную открыв клапаны 18, 17, и одновременно открывают клапан 40 стравливания воздуха из вытеснительной камеры 15 при ее заполнении водой. При полном заполнении водой вытеснительной камеры 15 клапаны 17, 18 и 40 возвращают в первоначальное положение.
Водяная пушка готова к работе.
Для первого запуска водяной пушки используют пиропатрон 39. При срабатывании пиропатрона 39 в камере сгорания 11 возникает большое давление, которое через отверстия 12 передается вовнутрь вытеснительной камеры 15 ствола 1, заранее заполненной водой.
Давление газов пиропатрона из камеры сгорания 11 и вытеснительной камеры 15 ствола 1 через входное отверстие 27 в малом поршне 25 попадает во внутреннюю полость малого поршня 25 и, воздействуя на поршенек 29 фиксирующего механизма 28, перемещает шарики 30 в фиксирующие ложементы 31 поршня 21 гидроцилиндра 2 и фиксирует их там. Таким образом происходит сцепление поршня 21 и малого поршня 25. Далее давление действует на малый поршень 25 и начинает выталкивать его из ствола 1. Вместе с ним перемещается и поршень 21 гидроцилиндра 2, создавая за собой разрежение. В эту разреженную полость через обратный клапан 18 поступит объем воды извне для последующего выстрела. Вместе с малым поршнем 25 перемещается и запорный шток 26 сопла 16.
В конструкции пушки предусмотрены две пружины. Большая 19, более мощная, подпирает поршень 21 гидроцилиндра 2, обеспечивая ему в дальнейшем возвратный ход. Малая пружина 20 подпирает малый поршень 25 через упорный фланец 22, выполненный на внешней стороне основной части 23 штока гидроцилиндра 2.
Во время рабочего хода обе пружины 19 и 20 сжимаются, опираясь обратной стороной на заднюю крышку-фланец 5. В теле задней крышки-фланца 5 выполнены фиксирующие ложементы 35 запорного механизма 32, которые фиксируют малый поршень 25 на некоторое время при полном откате поршней назад - крайнее левое положение с полным сжатием пружин 19 и 20.
При этом напротив фиксирующих ложементов 35 задней крышки-фланца 5 окажутся шарики 34 запорного механизма 32 с поршеньком 33, а давление при этом на поршенек 33 запорного механизма 32 передаст по осевому каналу 36 сжатый воздух, полученный в пневмоцилиндре 6 поршнем 7, и поршенек 33 подожмет шарики 34 в ложементах 35 и тем самым временно зафиксирует шток гидроцилиндра 2.
Поршень 7 пневмоцилиндра 6 получает возвратно-поступательные движения через пневматическую часть 24 штока гидроцилиндра 2 от малого поршня 25. После полного перемещения обоих поршней 7 и 25 и фиксации малого поршня 25 запорным механизмом 32 с задней крышкой-фланцем 5 запорный шток 26 откроет сопло 16, и вода под большим давлением полетит наружу.
После полного опорожнения ствола 1 давление в нем упадет до нуля и фиксирующий механизм 28 разъединит малый поршень 25 и поршень 21 гидроцилиндра 2. Поршень 21 гидроцилиндра 2 под воздействием большой пружины 19 вытеснит воду из поршневой полости 3 в вытеснительную камеру 15 ствола 1 через обратные клапаны 17. Вода вытеснит отработанные газы через еще открытое отверстие сопла 16. В конце обратного хода, переместив воду в ствол 1, поршень 21 своим телом надавит на шток воздушного клапана 37. После чего сжатый воздух из пневмоцилиндра 6 через устройство 9 подготовки и подачи топливовоздушной смеси поступит в камеру сгорания 11. Давление в поршневой полости 3 гидроцилиндра 2 резко упадет, и запорный механизм 32 отпустит малый поршень 25. Под воздействием малой пружины 20 он вернется в исходное положение, закрыв сопло 16 запорным штоком 26, и поджав через воду топливовоздушную смесь до нужной компрессии.
Далее циклы повторяются, но уже с использованием вместо пиропатрона свечи зажигания 14.
Клапан 38 предусмотрен для пополнения новой порцией воздуха пневмоцилиндра 6 при обратном откате поршня 7.
Использование предлагаемого технического решения позволило создать устройство, которое часть энергии воспламенившейся топливовоздушной смеси смогло направить на подготовку очередного выстрела, т.е. смогло быстро заполнить ствол водой и поджать топливовоздушную смесь до необходимой компрессии для получения большего давления при сгорании и получить тем самым дальность полета водяной струи порядка 600-700 метров.