ИМПУЛЬСНЫЙ ПНЕВМОГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к пневмоимпульсной технике и может быть использована в различных областях народного хозяйства для импульсного воздействия на газообразные, жидкие и твердые среды, например, для очистки внутренних поверхностей трубопроводных систем.
Известен импульсный пневмогенератор, содержащий полый цилиндрический корпус, разделенный подвижным поршнем на входную и накопительную камеры, первая из которых через подводящий канал сообщена с источником сжатого воздуха, вторая через отверстие в поршне сообщена с входной камерой, а через посредство выхлопных отверстий - с окружающей средой (см. патент РФ №2113287, МПК В08В 5/02, В08В 9/04, опубликован 20.06.1998 г. ). При подаче воздуха во входную камеру давление в ней повышается, заставляя поршень перемещаться в направлении накопительной камеры. В процессе перемещения поршень перекрывает выхлопные отверстия, и давление в накопительной камере также начинает повышаться. Вследствие разности площадей торцевых поверхностей поршня со стороны накопительной и входной камер по мере увеличения давления в накопительной камере наступает момент, когда силы давления, действующие на поршень слева, начинают превышать силы давления, действующие на поршень справа, и последний начинает перемещаться в обратном направлении. Указанное перемещение происходит до тех пор, пока поршень не откроет выхлопные отверстия. В момент открытия последних происходит выброс газа, после чего описанный цикл работы повторяется.
Недостатком данного устройства, обусловленным растянутостью выхлопного импульса по времени, является невысокая мощность пневмоимпульса.
Известен принятый в качестве прототипа импульсный пневмогенератор (см. патент RU №2312717, МПК В08В 5/02, F28G 1/16, опубликован 20.12.2007 г.), содержащий корпус с полостью, сообщенной посредством входного патрубка с источником сжатого воздуха, а посредством выходного патрубка, снабженного подпружиненным запорным клапаном со штоком, - с атмосферой, в полости корпуса напротив выходного патрубка установлен поршень, одна из торцевых стенок которого с наружной стороны подпружинена относительно корпуса, а вторая посредством штока, подпружиненного с ее внутренней стороны, соединена с запорным клапаном.
Перед началом работы давление в полости, ограниченной запорным клапаном и поршнем, равно атмосферному. При подаче газа в патрубок давление в указанной полости возрастает, и силы давления перемещают поршень и клапан в противоположные стороны, сжимая пружины. После полного сжатия пружины клапана поршень, продолжая перемещаться и сжимать пружину поршня, увлекает за собой клапан. В момент открытия клапаном патрубка происходит сброс газа. Давление в полости резко падает. Пружина клапана распрямляется, перемещая клапан вправо. При этом за счет увеличения проходного сечения для сброса газа обеспечивается высокая крутизна переднего фронта газового импульса. Одновременно с этим поршень под действием своей пружины резко перемещается влево, принудительно выдавливая газ из полости и обеспечивая тем самым удержание амплитуды газового импульса и высокую крутизну заднего фронта импульса. Перемещаясь влево, поршень увлекает за собой клапан, который перекрывает патрубок, после чего цикл повторяется.
Известное устройство обеспечивает достаточно высокую амплитуду импульса в течение всего времени сброса, однако обладает определенными недостатками.
Во-первых, амплитуда импульса в момент открытия и закрытия клапана не максимальна, поскольку скорость перемещения клапана при открытии/закрытии (начале и конце рабочего цикла) ниже его скорости в течение рабочего цикла за счет инерции пружин.
Во-вторых, параметры частоты рабочих циклов, длительности каждого из них и амплитуды импульса являются неизменяемыми и зависят от характеристик генератора (жесткости пружин, длины ходов, объемов камер, масс подвижных элементов, давления на входе и сечений отверстий).
Задачей заявляемого технического решения является создание импульсного пневмогенератора повышенной импульсной мощности с изменяемыми характеристиками пневмоудара.
Технический результат заключается в возможности работы устройства в различных режимах с высоким КПД.
Технический результат достигается тем, что в импульсном пневмогенераторе, содержащем корпус с полостью, сообщенной посредством входного патрубка с источником рабочего агента, а посредством выходного патрубка, снабженного запорным клапаном, - с атмосферой, и размещенный в полости корпуса поршень со штоком, запорный клапан закреплен на штоке с возможностью свободного осевого перемещения, поршень разделяет полость на две камеры разного объема, рабочую - большего объема, содержащую канал соединения с внешним накопителем, и нагнетательную - меньшего объема, на наружной боковой поверхности поршня выполнены кольцевые проточки, а в корпусе со стороны нагнетательной камеры выполнен канал сброса, перекрываемый клапаном управления.
При этом клапан управления может быть подпружинен относительно поршня.
При этом запорный клапан может содержать закрепленное на его наружной боковой поверхности упругое уплотнение.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежом, на котором схематически изображен продольный разрез импульсного пневмогенератора.
Импульсный пневмогенератор содержит корпус 1 с входным и выходным патрубками 2 и 3, соответственно, запорный клапан 4, поршень 5 с проточками 6, шток 7, рабочую камеру 8, нагнетательную камеру 9, канал 10 сброса, клапан 11 управления, канал 12 внешнего накопителя, например, ресивера (не показан).
Устройство работает следующим образом.
В начале цикла рабочий агент (воздух, газ, газовая или газожидкостная смесь) подают через входной патрубок 3 в нагнетательную камеру 9 полости генератора. Давление в камере 9 повышается и поршень 5 за счет действующей на его торцевую стенку силы давления перемещается вместе со штоком в сторону выходного патрубка 3. При достижении поршнем 5 запорного клапана 4 происходит упругое (близкое к абсолютно упругому) соударение, импульс поршня 5 передается запорному клапану 4, который моментально приобретает определенную начальную скорость (поскольку масса поршня 5 со штоком 7 существенно больше массы запорного клапана 4, начальная скорость последнего достаточно высокая). Запорный клапан 4 свободно перемещается вдоль оси на штоке 7 и перекрывает выходной патрубок 3, прижимаясь (соударение, близкое у абсолютно неупругому) уплотнением к торцевой поверхности рабочей камеры 8. Поршень 5 со штоком 7, продолжая перемещаться, упирается в торец запорного клапана 4, фиксируя его положение относительно патрубка 3.
Дальнейшая подача рабочего агента в полость корпуса 1 генератора приводит к выравниванию давлений в нагнетательной и рабочей камерах 9 и 8, соответственно, а также в ресивере (через канал 12), за счет прохождения рабочего агента между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной боковой поверхностью поршня 5. Выполненные на наружной боковой поверхности поршня 5 кольцевые проточки 6 обеспечивают аэродинамическое сопротивление, замедляя выравнивание давлений в камерах 8 и 9. Замедление выравнивания давлений необходимо для того, чтобы в начале цикла перемещение поршня 5 происходило с максимально высокой скоростью.
После выравнивания давлений в камерах генератора производят открытие клапана 11 управления, соединяя нагнетательную камеру 9 с каналом 10 сброса. Давление в нагнетательной камере 9 резко падает и поршень 5 со штоком 7 за счет возникшей разницы давлений между камерами 9 и 8 начинает перемещаться в сторону канала 10 сброса. При этом запорный клапан 4 остается в неподвижном положении, продолжая перекрывать выходной патрубок 3. После выбора в процессе перемещения свободного хода штока 7 происходит упругое соударение между головкой штока 7 и запорным клапаном 4. Запорный клапан, получив от штока 7 с поршнем 5 импульс, моментально приобретает высокую начальную скорость, смещается и открывает отверстие выходного патрубка, соединяя находящуюся под давлением рабочую камеру 8 с внешней средой. Происходит пневмоудар.
Клапан 11 управления закрывают, канал 10 сброса отсекается от нагнетательной камеры 9, давление в ней начинает повышаться и цикл повторяется.
В случае, когда между поршнем 5 клапаном 11 управления установлена пружина, она обеспечивает предотвращение случайного открытия последнего, а также способствует его ускоренному закрытию. В других случаях фиксация положения клапана 11 управления может осуществляться иными способами.
Разница в сечениях между входным патрубком 2 и каналом 10 сброса (последний существенно больше) не позволяет компенсировать падение давления в нагнетательной камере 9 в течение части цикла, когда клапан 11 управления открыт. В частных вариантах возможно дополнительное перекрытие подачи рабочего агента через входной патрубок 2 в период открытия клапана 11 управления.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что помимо потенциальной энергии сжатого газа, накопленного в рабочей камере (и в ресивере) и нагнетательной камере на этапах их заполнения, на скорость открытия/закрытия запорного клапана влияет кинетическая энергия перемещаемого поршня (со штоком), увеличивая крутизну фронтов пневмоимпульса (выравнивая его амплитуду в течение всего периода сброса). Как следствие, увеличивается импульсная мощность генератора и, соответственно, эффективность его воздействия на среду.
При этом возможность управлением длительностью каждого пневмоимпульса и скорости повторений за счет применения клапана управления и канала сброса позволяет использовать устройство в различных режимах, расширяя его функциональные возможности.