Автономное устройство для термомеханической резки твердых материалов

 

Использование: в металлургии, горнодобывающей промышленности, при разделке различных конструкций и пробивки, в том числе и под водой. Сущность изобретения: в качестве горючего генератора высокотемпературной газовой струи используется твердотопливный заряд, в который вкраплены абразивные частицы концентрацией 10 - 30 %, причем отношение диаметра частиц к диаметру критического сечения сопла находится в пределах 5,0 · 10^-3 меньше или равно d_p/d_*1,75 · 10^-1. 1 ил.

Изобретение может быть применено в металлургии, горнодобывающей промышленности, в области строительства и строительной индустрии, при разделке различных конструкций, в том числе и объектов авиационно-ракетной технике в нормальных условиях и под водой на большой глубине.

Существующие устройства для резки [1] имеют слишком сложную конструкцию и не отличаются универсальностью, т.е. не применимы одновременно для резки металлических и неметаллических материалов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является термоинструмент для разрушения минеральных сред (прототип) [2] Устройство содержит камеру сгорания с соплом, в которую выходят каналы для подачи жидкого горючего, окислителя и абразивных частиц. Для интенсификации процесса горения путем введения в камеру сгорания суспензии горючего и порошка высококалорийных металлов в канале для подачи горючего в камеру смонтирован совершающий колебательные движения элемент, обеспечивающий разжижение вводимой в камеру суспензии.

Недостатком известного термоинструмента является его неавтономность, заключающаяся в необходимости применения громоздкого оборудования и электропитания для образования высокотемпературного гетерогенного потока.

Кроме того, для образования суспензии окислитель порошок и интенсификации процесса горения необходим специальный совершающий колебательные движения элемент, требующий дополнительного электрооборудования и существенно усложняющий конструкцию.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание автономного устройства, позволяющего проводить резку металлических и неметаллических материалов на воздухе и под водой на большой глубине. Эта задача решается тем, что в автономном устройстве для термомеханической резки твердых материалов содержащем расположенную в корпусе камеру сгорания с выходным соплом и средствами для интенсификации процесса горения в виде горючего и абразивных частиц, в качестве горючего использован твердотопливный заряд, а абразивные частицы концентрацией 10-30% вкраплены в последний, причем отношение диаметра частиц (d_p) к диаметру критического сечения сопла (d*) находится в пределах 5·10^-3≅ < 1,75·10^-1 На чертеже показана общая схема конструкции устройства (резака). Резак содержит цилиндрический корпус 1 с камерой сгорания 2, в которую помещается твердотопливный заряд 3 с выходным соплом 4. Сопло 4 газогенератора устанавливается в крышке 5. Мембрана 6 предусмотрена для сброса избыточного давления. Устройство снабжено системой зажигания 7 с электропитанием от батареи.

Устройство работает следующим образом.

При помощи воспламенителя 7 поджигается твердый заряд 3, продукты сгорания которого, представляющие собой высокотемпературный поток с твердыми конденсированными частицами, истекают через сопло 3 и воздействуют на преграду, вызывая ее разрушение.

Газогенератор с зарядом твердого ракетного топлива, содержащим конденсированные частицы, обеспечивает получение достаточно однородного по техническим характеристикам газового потока и высокую энергетическую эффективность рассматриваемого устройства. Было установлено, что наличие частиц в высокотемпературном потоке существенно влияет на процесс теплообмена высокотемпературных двухфазных потоков с преградами, в частности увеличивает скорость и интенсивность всех протекающих процессов. Так, присутствие частиц алюминия повышает величину теплового потока в 1,5 раза, а частиц никеля и железа в 3-4 раза. В исследованиях, проведенных на предлагаемом устройстве, в качестве твердого заряда в газогенераторе использовалось смесевое твердое топливо с различной концентрацией частиц и баллиститное твердое топливо, в которое вводился абразивный компонент. Частица речного песка, алюминия, окиси алюминия, железа и никеля размерами 10 500 мм применялись как абразивные компоненты. Испытаниям подвергались устройства с критическим размерам сопла от 1,0 ˙ 10^-3 м и до 5,0 ˙ 10^-3 м в нормальных условиях и под водой при давлении до 20 МПа. Результаты испытаний показали, что наиболее эффективные условия работы устройства реализуются при значениях диаметра критического сечения сопла d* 2 ˙ 10 4 ˙ 10^-3 м, размерах конденсированных частиц d_p 20-350 мкм и концентрациях их 10-30% При значениях диаметра критического сечения сопла d* ≅ 1,0 ˙ 10^-3 м, размерах конденсированных частиц d_p > 350 мкм и их концентрации более 30% довольно часто наблюдается закупорка входного сечения сопла, что приводит к аварийному сбросу давления в газогенераторе. Увеличение диаметра критического сечения сопла d* > 4,0 ˙ 10^-3 м приводит к необходимости большого расхода топлива и снижению эффективности. При уменьшении размеров частиц менее 20 мкм происходит "отслеживание" частицами газового потока, растекающегося при взаимодействии с поверхностью, т.е. частица движется по линии тока газа. Поэтому основная масса частиц не попадает на поверхность и тем самым значительно снижается эрозионный эффект гетерогенной струи. Уменьшение концентрации частиц менее 10% также приводит к снижению эрозионного эффекта за счет малого количества частиц "выпавших" на поверхность. Исходя из этого найдено, что наиболее эффективные условия работы устройства реализуются при величине отношения диаметра частиц d_p к диаметру критического сечения сопла d* в пределах 5·10^-3≅ < 1,75·10^-1 Принцип автономности (отсутствие громоздкого вспомогательного оборудования и магистралей) расширяет область применения, делает возможным проводить резку в труднодоступных местах, в том числе и под водой на большой глубине. Исследования, проведенные в воде, показали работоспособность устройства при гидростатическом давлении до 20 МПа, при этом скорость резки материалов не уменьшается.

Таким образом, проведенные испытания устройства подтвердили следующее: полную автономность при эксплуатации; возможность проводить резку и перфорацию как металлических, так и неметаллических материалов в широком диапазоне условий эксплуатации на воздухе и под водой на большой глубине погружения. Кроме того, при использовании устройства открывается возможность целесообразной утилизации существующих в настоящее время запасов твердого ракетного топлива.

Формула изобретения

АВТОНОМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ РЕЗКИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ, содержащее расположенную в корпусе камеру сгорания с выходным соплом и средствами для интенсификации процесса горения в виде горючего и абразивных частиц, отличающееся тем, что в качестве горючего использован твердотопливный заряд, а абразивные частицы концентраций 10 30% вкраплены в последний, причем отношение диаметра частиц d_p к диаметру критического сечения сопла d^* находится в пределах

РИСУНКИ

Рисунок 1