Патент на изобретение №2188084

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

(57) Реферат:

Использование: для возбуждения акустического излучения низкой частоты и большой мощности с направленным звуковым лучом. Цель изобретения – получение концентрированных потоков акустической энергии большой мощности, распространяющейся на большие расстояния с небольшим углом расходимости. Сущность изобретения: устройство содержит камеру сгорания со стволом и патрубком и распределительный механизм. Дополнительно устройство снабжено форсунками, последовательно размещенными друг за другом для впрыска смеси паров углеводородного топлива и паров электропроводной жидкости, форсунками-детонаторами, смежно расположенными к ним для впрыска струй электропроводной жидкости и сообщающимися с камерами сгорания. Форсунки для впрыска смеси паров углеводородного топлива и электропроводной жидкости снабжены патрубками, внутри которых смонтирован шнек, электрод, а также кольцевой камерой, сообщающейся с соплами. Технический результат – повышение мощности, увеличение скорости детонации. 4 з.п.ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к устройствам, образующим концентрированные потоки низкой частоты большой мощности и направленным звуковым лучом.

Известны устройства, выполненные в виде различных типов акустических излучателей – механических, гидравлических, гидропневматических с плоскими мембранами, а также свистков, ручных или механических сирен, в которых широко используются упругие механические колебания низкой частоты /инфразвуковой и звуковой/ см. Е. Е. Новогрудский и др. “Инфразвук: враг или друг”, М.: “Машиностроение”, 1989 г., стр.3-65/.

Основным существенным недостатком таких устройств является низкая интенсивность создаваемых механических колебаний.

Близкими к изобретению являются акустические излучатели ультразвуковых колебаний – пьезоэлектрические и магнитострикционные.

Наиболее близким к заявляемому устройству, аналогом-прототипом, является устройство, относящееся к эхолотам и носящее название “сейсмопрофилограф”, содержащий импульсный излучатель с плоской катушкой и алюминиевым диском, свободно прилегающим к ней /см. Л.М. Бреховских и др., “Акустика океана”, М. : “Знание”, серия физика, 3, 1977 г., стр. 57/.

Основным существенным недостатком аналога, выбранного в качестве прототипа, является низкая интенсивность механических колебаний в связи с незначительной мощностью самого устройства.

Целью изобретения является получение концентрированных потоков акустической энергии /механических колебаний/ большой мощности, которые распространяются на большие расстояния с небольшим углом расходимости.

Поставленная цель достигается в изобретении за счет дополнительного снабжения устройства форсунками, последовательно размещенными друг за другом для впрыска смеси паров углеводородного топлива и паров электропроводной жидкости, а также форсунками-детонаторами, смежно расположенными к ним для впрыска струй электропроводной жидкости и сообщающихся с камерами сгорания, при этом форсунки для впрыска смеси паров снабжены патрубками, внутри которых смонтированы /установлены/ шнеки и электроды, топливной форсункой, а также кольцевой камерой, выполненной из электроизоляционного материала, сообщающейся с соплами.

Кроме того, поставленная цель достигается в изобретении за счет снабжения форсунок для впрыска смеси паров углеводородного топлива и паров электропроводной жидкости взрывными камерами с соплами, а также размещения электродов в цилиндрических камерах, выполненных из электроизоляционного материала и сообщающихся с соплами, направленными под углом друг к другу, установления камер сгорания со стволами параллельно друг другу в несколько рядов или камеры сгорания установлены по окружности с одним центральным стволом и снабжены системой поворота в горизонтальной и вертикальной плоскостях, при этом стволы камер сгорания снабжены концентраторами упругих колебаний, выполненных или в виде суживающихся сопл, или в виде сопел Лаваля.

Изложенная выше совокупность существенных признаков при внедрении обеспечивает реализацию поставленной цели, при этом каждый из данной совокупности приведенных признаков необходим, а все вместе достаточны для получения положительного эффекта получения концентрированных потоков акустической энергии большой мощности на больших расстояниях.

Исходя из приведенных доводов совершенно правомерен вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения – изобретательский уровень.

Приведенная совокупность существенных признаков может быть реализована многократно на практике с получением одной и той же цели.

Неоднократная возможность реализации /при изготовлении/ заявляемого технического решения с изложенной выше совокупностью существенных признаков отвечает также в полной мере другому главному критерию изобретения “промышленная применимость”.

Изложенная сущность технического решения поясняется чертежом, на котором:
на фиг.1 показано устройство в продольном разрезе;
на фиг. 2 показан в продольном сечении газораспределительный механизм с клапаном-поршнем, штоком и вторым поршнем;
на фиг. 3-4 показаны вид сбоку и с торца по клапану-поршню с показом винтовых каналов;
на фиг. 5 в продольном разрезе показана форсунка для впрыска паров углеводородного топлива и паров электропроводной жидкости;
на фиг.6 изображена в продольном разрезе форсунка-детонатор;
на фиг.7-8 показаны струи электропроводной жидкости по 1-1 и при касании со стенками взрывной камеры форсунки по фиг.5;
на фиг.9 показан общий вид устройства с несколькими камерами сгорания и стволами, расположенными параллельно друг к другу;
на фиг. 10 изображено устройство с одним центральным стволом и несколькими камерами сгорания, расположенными по окружности.

Предлагаемое в качестве устройства для возбуждения акустического излучения техническое решение состоит из камеры сгорания 1, ствола 67 /круглой или прямоугольной формы/, форсунок 2, 3, 4, 5 и форсунок-детонаторов 6, 7, 8, 9.

С одной стороны ствол открыт, а с другой камера сгорания снабжена клапаном-поршнем 10 со штоком 11 и вторым поршнем 12, расположенным в цилиндрической камере 13 /цилиндр/, заполненной жидкостью.

Цилиндр 13 сообщается с резервуаром 14, имеющим вентиль 15.

Поверхность жидкости в резервуаре занимает заданный уровень 16. Шток расположен в приемной камере 17, сообщающейся с патрубком 18 для подачи рабочих газов.

Клапан-поршень 10 имеет винтовые каналы 19, расположенные по наружной поверхности поршня, а тыльная сторона поршня выполнена в виде конуса 20, обеспечивающего плотную посадку с седлом 21.

Форсунки 2-5 предназначены для испарения жидкого топлива путем электрического взрыва струй электропроводной жидкости и выстрела этой смеси паров /газов/ в камеру сгорания 1.

Форсунка /фиг.5/ состоит из корпуса 22, подающего жидкость /электропроводную/ через парубок 23 со шнеком 72, служащим для отражения ударных волн, и патрубка 24 с размещенным в слое электроизоляции электродом 25. Оба патрубка с электродом сообщаются с кольцевой камерой 26, имеющей сопла 27. На конце корпуса 22 выполнена взрывная камера 28.

Корпус форсунки 22 с помощью фланца 29 устанавливается в водоохлаждаемой камере сгорания 1, имеющей рубашку 30.

Форсунки 2-5 выполняются комбинированного типа с размещением еще и топливной форсунки 31 в слое электроизоляционного материала 32.

Струи топлива поз.33, струи электропроводной жидкости 34 /второй метод впрыскивания струй, поз.35/.

Корпус 22 и электрод 25, подключенный к генератору электрических импульсов, содержащему источник тока 36, конденсатор 37 и прерыватель 38. Генераторы импульсов могут быть на основе полупроводниковых усилительных и переключающих приборов, электронные, а также машинными. На схеме фиг.5 показана принципиальная схема генератора электрических импульсов.

Форсунки-детонаторы 6-9 /фиг. 6/ состоят из корпуса 39, патрубков 40 и 41, в которых установлены шнеки 73, для подачи электропроводной жидкости, электродов 42 и 43, цилиндрических камер 44, выполненных из электроизоляционного материала, с соплами 45 и фланца 46 для крепления детонаторов к водоохлаждаемой камере 1 с рубашкой 30.

Электроды подключены к генератору электрических импульсов – 36-37-38 /ГИ/.

Струи 47, 48 выходят из сопел форсунки-детонатора под заданным углом друг к другу, сходятся в точке 49 /зоне контакта струй/. При контакте струй 34 с наклонными стенками корпуса 22 во взрывной камере 28 они растекаются в диски 50.

Сущность работы устройства состоит в следующем:
вначале по патрубку 18 в камеру сгорания 1 под давлением выше атмосферного подается чистый кислород или сжатый воздух, который заполняет ее и ствол 67 с истечением в атмосферу, после чего включаются системы подачи в форсунку 2 топлива, водного раствора электролита /электропроводная жидкость/ и генератор электрических импульсов.

Эта система содержит поршневой топливный насос 51, насос 52 для подачи электролита, которые являются общими для всего ряда форсунок 2-5, а генераторы электрических импульсов могут быть для каждой форсунки – генераторы 53, 54, 55, 56, управляемые автоматическим генератором 57 /управляющим прибором/, для уменьшения потерь энергии высоковольтного разряда при крупных камерах сгорания и стволах в несколько метров или десятков метров. Форсунки-детонаторы также имеют насос 58 для подачи раствора электролита и ГИ 59, 60, 61, 62 и управляющий прибор 63.

Поступившее в форсунку 2 топливо, например бензин, под давлением впрыскивается в виде струй 33 во взрывную камеру 28. Одновременно раствор электролита по патрубку 23 поступает в кольцевую камеру 26 и через сопла 27 вытекает в виде струй 34, которые касаются стенок взрывной камеры и растекаются в диски 50, образуя плотный электрический контакт с корпусом форсунки 22. После чего включается генератор электрических импульсов 53 или за счет прерывателя 38 или генератором 57 /управляющим прибором/.

При разряде конденсатора 37 резкое нарастание тока вызывает быстроменяющееся магнитное поле. Это поле создает поверхностный эффект, благодаря которому ток сосредоточен в узком внешнем слое струи. В этом слое выделяется теплота, которая передается во внутренние области струи. Начинается тепловой взрыв струй 34 от зоны контактов 50 в сторону сопел 27 с образованием пара или при заданных других параметрах тока плазмы.

Параметры электрического взрыва струй определяются индуктивностью и емкостью разрядной цепи, начальным напряжением конденсатора, длиной, диаметром и числом струй /см. Б.А. Артамонов “Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов”, т.2, М.: Высшая школа, 1983 г., стр. 100-103/.

Одновременно впрыснутые струи топлива 33 под действием высокой температуры взрыва, которая может достигать от 10⁴ К и более, мгновенно испаряются, а смесь паров водного раствора электролита и топлива под большим давлением в виде струи выстреливается через сопло 29 о ствол, занимая определенную зону, и смешивается с сжатым кислородом или воздухом. Быстрому смешению паров с кислородом способствует вращательное движение в стволе газов за счет винтовых каналов 19 на поверхности клапана-поршня 10. После этого включается форсунка-детонатор 6 с подачей в нее электролита от насоса 58 через патрубки 41, истечения струй 47, 48 в рабочую смесь зоны ствола, контакта их в точке 49 и разряде конденсатора 37 через прерыватель 38. Температура взрыва струй превышает температуру взрыва в форсунках 2-5 для создания мощной ударной волны /объем водного раствора электролита струй 47, 48 при испарении и образовании плазмы увеличивается более чем в 1700 раз, что и обеспечивает небольшой по масштабам, но мощный взрыв. Напомним, что обычные ВВ увеличиваются в объеме лишь несколько более в 900 раз/. Воспламенение парокислородной смеси в зоне ствола обусловлено в этом случае нагревом ее при сжатии ударной волной /см. С.Бартенев “Детонационные покрытия в машиностроении”. Л.82 г., “Машиностроение”, Ленингр. отд., стр. 25-26/.

В процессе детонационного сгорания парокислородной смеси в зоне взрыва формируется детонационная волна, которая является комбинацией ударной волны и зоны химической реакции. Перед прямой ударной волной в стволе находится невозмущенный газ-кислород с температурой T₁, а за фронтом ударной волны, имеющим протяженность S₁, температура намного выше (T₂), а весь столб газа в стволе сильно сжат.

Кроме прямой ударной волны, направленной в сторону открытого конца ствола, формируется и волна, направленная в противоположную сторону, которая достигает поверхности клапана-поршня 10 /клапан под действием повышенного давления в стволе, за счет взрыва через шток 11, приводит в движение поршень 12, который сжимает жидкость в цилиндре 13, а через нее сжатый воздух в резервуаре 14, являющийся в том устройстве газовой пружиной/ и отражается от него, усиливая основную /прямую/ ударную волну, благодаря более высокой скорости /скорость ударной волны увеличивается за счет более высокой температуры в стволе и продуктов сгорания первой зоны взрыва/.

После первого детонационного взрыва в стволе топливо впрыскивается во вторую форсунку 3, где оно испаряется и выстреливается в следующую зону ствола со сжатым кислородом, в которой форсункой-детонатором 7 осуществляется второй взрыв /детонационное сгорание горючей смеси/, с последующим повторением процессов детонационного взрыва форсункой 4 и детонаторами 8, форсункой 5 и детонатором 9.

Последовательный ряд взрывов горючей смеси в стволе формирует в нем ряд основных и отраженных от поршня 10 ударных волн, которые догоняют первую основную ударную волну, усиливая ее в n раз, равное числу установленных форсунок /2-5/, увеличенное примерно вдвое /за счет образования при взрывах отраженных волн/.

Усиление волн давления происходит в соответствии с законом физики /усиление звука/, утверждающего, что “две распространяющиеся в одном направлении звуковые волны с одинаковыми частотами и амплитудами усиливают друг друга, если разность хода = k /где к = 0, 1, 2…/; при этом амплитуда результирующей волны вдвое больше амплитуды каждой из волн”.

Вместе с тем доказано, что импульс давления можно усилить до такой величины, при которой вещество на пути его следования не выдержит и разрушится /см. “Хранить теплоту”. Знание, Техника, 90/4).

Таким образом, отличительной особенностью способа возбуждения является его способность к многократному усилению звука в n раз, числу установленных форсунок, помноженное примерно на два /за счет усиливающего действия отраженных волн/.

Кроме того, усилению импульсов давления способствует энергия, вводимая в ствол при электрических разрядах и взрывах струй рабочей жидкости форсунок-детонаторов /6-9/ и самих форсунок 2-5.

Иными словами, на усиление звуковых импульсов идет как химическая энергия при сгорании топлива в кислороде, так и электрическая энергия разрядного тока.

При этом возможны различные варианты варьирования параметров акустических волн в стволе путем изменения состава рабочей смеси /обогащенные, богатые или бедные горючие смеси углеводородного топлива с кислородом, например бензина/, геометрических размеров ствола и количества установленных в нем форсунок с детонаторами, энергии электрических разрядов через струи рабочей жидкости /например, электролита/, а также температуры и давления сжатого кислорода или воздуха в стволе.

В этой установке в ее стволе формируются акустические волны, которые являются ударными, порожденные детонационным сгоранием горючей смеси в стволе. Наибольший интерес здесь представляют параметры детонационных волн в части: температуры химической реакции Т₂ и давления за фронтом волны Р₂, а также скорость детонационной волны. Эти параметры могут изменяться в широких пределах и зависят от вышеперечисленных конструктивных и иных особенностей работы ствольной установки.

Порождаемые детонационным сгоранием горючей смеси ударные волны движутся в стволе с различными скоростями, превышающими в несколько раз скорость звука при нормальном атмосферном давлении, в связи с чем за первой форсункой 2, ближе к открытому концу ствола, создаются пробки ударных волн и для трансформации их в мощные звуковые протяженность ствола увеличивается, что также способствует расширению в стволе продуктов сгорания.

Интенсивный звуковой импульс покидает ствол установки, а частота следования следующих акустических волн, зависит от частоты рабочих циклов /один рабочий цикл включает столько детонационных локальных взрывов в стволе, сколько в нем установлено форсунок /1-5/ и детонаторов /6-9/, включаемых в работу с заданной скоростью /варьируемых в широком диапазоне от 0,001 до 16 или более герц, в плоть до 100-200 р.ц./с., что зависит только от возможностей газораспределительного механизма 10-12, периодически прерывающего подачу окислителя от источника газа 64. В этом механизме упругость газовой пружины в резервуаре 14 регулируется за счет давления воздуха в нем через вентиль 15 /перед работой устройства в резервуар 14 сжатый воздух с определенным давлением передается от внешнего источника/.

Низкие частоты /инфразвуковые/ позволяют переносить на сравнительно большие расстояния энергию высокой интенсивности и в зависимости от назначения устройства ствол может выполняться или цилиндрическим, или с суживающимся соплом 65, а также в виде сопла Лаваля, поз.71-65.

На фиг. 1 показано суживающееся сопло 65 – применяется с целью концентрации энергии акустической волны на меньшей площади фронта распространения волн давления, а также для увеличения скорости истечения продуктов сгорания.

Примеры повышения мощности устройства.

В целях существенного повышения мощности устройства осуществляется переход к применению в нем более энергетически мощных топлив, присущих современным ракетным двигателям, причем с добавками к основному горючему некоторых металлов и их соединений, например Li, Be, В, Mg, Al, LiH, BeH.

При этом в качестве углеводородных топлив служат специальные сорта горючих – бензин, керосин, а в качестве окислителей жидкий кислород О₂, жидкий озон О₃ и самый энергетически мощный окислитель – жидкий фтор.

Ввод металлов и их соединений осуществляется в виде тонких порошков грануляцией в несколько микрон, впрыскиваемых в среде струй 47, 48 водных растворов сильных электролитов, например, на основе азотной кислоты /являющегося после термического разложения сильным окислителем/ при работе форсунок-детонаторов 6-9 /см. “Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей, М., 1983 г., В.Кудрявцев/.

ВТОРОЕ. В целях увеличения скорости детонации топлива нагрев и испарение струй бензина во взрывной камере форсунок 2-5 производится при температуре электрического взрыва струй водного раствора электролита, поз.34, превышающей 10⁴. В результате, вследствие термической диссоциации и ионизации в объеме взрыва струй, образовавшаяся горючая смесь /рабочая/ реагирует с огромными скоростями при электрическом взрыве струй форсунок-детонаторов, поз. 6-9.

ТРЕТЬЕ. Обязательным условием является интенсификация процесса вихреобразного движения в стволе окислителя за счет устройства вихреобразователя /регистра/ с помощью винтовых каналов 19 на внешней поверхности клапана-поршня 10.

В этих же целях и с целью существенного повышения мощности акустического излучения сжатый кислород подается под давлением 10¹-10² и более бар.

ЧЕТВЕРТОЕ. В целях еще большего увеличения скорости детонации, превышающей 2,5-4,0 км/с, газ-окислитель перед поступлением в ствол установки подогревается до температуры в несколько сот градусов.

Выстрел смеси паров топлива и паров водного раствора электролита с температурой около 10⁴ К в ствол, с большой скоростью и высоким давлением позволяет осуществить качественное смесеобразование и быстрое окисление во вращающемся заряде паров топлива, а электрический взрыв струй 47-48 детонаторов 6-9 обеспечивает условия для образования интенсивной ударной волны в зоне взрыва и сильное сжатие рабочей смеси с повышением температуры примерно до 1700-2000 К. В результате высокой температуры сжатия смеси происходит быстрое сгорание с формированием волны детонации с высокой скоростью = Д м/с. Для управления конструкции акустического генератора и снижения его стоимости температура электрического взрыва струй 34 во взрывной камере 28 принимается на уровне I. 2/10^{3 o}С с истечением в ствол установки паров топлива и электролита при температуре 500-600^oС без устройства подогрева кислорода, так как электрический взрыв электропроводных струй 47,48 форсунок-детонаторов 39 (фиг. 6) является наиболее мощным взрывом и превосходит примерно в 10 раз наиболее мощным взрывчатые вещества, если разрядный ток протекает в цепи с возможно меньшей индуктивностью в течение одной десятимиллионной секунды.

Образовавшиеся ударные волны обеспечивают сильное сжатие, нагрев и детонационный взрыв топливокислородной смеси в стволе с образованием мощных детонационных волн, энергия которых является суммой химической энергии детонационного сгорания топлива при высоких температурах, превышающих 4000К, высоких давлениях продуктов сгорания /2…1012² и более кг/см²/, а также энергии электрических разрядов при взрыве струй 47, 48.

В качестве рабочих жидкостей, впрыскиваемых в виде струй 34, 35 и 47, 48 в форсунках 22 и форсунках-детонаторах 39 являются: концентрированные водные растворы сильных электролитов – кислот, оснований и солей, а также жидкие металлы. К первым относятся: азотная НNО₃ с концентрацией до 31% и уд. электропроводностью х=78,19 См/м, соляная НС1 до 20% и х=76,15 См/с, серная H₂S0₄ до 30% и х= 73,88 См/м, основания NaOH и КОН при 15% и х=34,90 для первого и 29,4% и х=54,34 См/м для второго, соли NaСl до 25% и х=21,34 См/м и КС1 до 21% и х= 28,10 См/м и многие другие простые и сложные растворы электролитов. Указанная выше концентрация растворов с максимальной удельной электропроводностью не является основной для тех или иных технологических процессов, осуществляемых с помощью ствольной установки, и может изменяться в широком диапазоне значений концентрации. Однако использование растворов с максимальной “х” позволяет снизить напряжение высоковольтного разряда.

В акустических генераторах в основном применяются водные растворы электролитов, обеспечивающие при электрическом взрыве струй большой объем пара или плазмы, что способствует образование мощных /в своем объеме/ ударных волн.

К жидким металлам относятся: кадмий Cd с температурой плавления Т=231^oС, олово Sn – Т_пл=231,9^oС, цинк Zn – Т_пл=419,5^oС, селен Se – Т_пл=217^oС, обладающие возможностью к вынужденному испусканию света /активная среда для ионных лазеров/, а также и другие жидкие металлы, например щелочные, обеспечивающие высокую электропроводность низкотемпературной плазме в стволе установки также с низкой температурой плавления до 100^oС, а сплав 22,8% Na и 77,2% K) имеет отрицательную температуру плавления 12,5^oС/см. “Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки”, Л.: Машиностроение, 1988 г., стр.45, 36-54, Ф.Качмарек “Введение в физику лазеров”, “Мир”, М., 1981 г., тcр. 131-135.

Выходящая из форсунок 2-5 смесь паров топлива и рабочей жидкости раствора электролита в заданном соотношении – 1:/0,3-0,5/ или более позволяет повысить детонационную стойкость низкооктанового бензина и увеличить давление газа – кислорода в стволе, что не только способствует повышению интенсивности акустических волн, генерируемых в ствольной установке, но и позволяет снизить концентрацию особо токсичных составляющих в продуктах сгорания /выхлопных газах/. Т.е. вода раствора электролита является тем компонентом, который повышает детонационную стойкость бензина, ускоряет превращение вредной окиси углерода в нейтральную двуокись, уменьшает содержание в выхлопных газах окислов азота /см. К. Чириков, “Двигатель… “Знание, техника, M., 1983 г., 2, стр. 40-46/.

Итак, в камере сгорания 1 устройства во время каждого рабочего цикла, включающего последовательное чередование взрывов с заданной скоростью от форсунок 2 и детонатора 6 к форсункам 3-5 и детонаторам 7-9, происходит возбуждение детонационных волн и их усиление с резким повышением давления продуктов сгорания, за счет чего клапан-поршень 10 плотно соприкасается с седлом 21 камеры сгорания и перекрывает доступ кислорода /или сжатого воздуха/ в камеру сгорания, а давление сжатого воздуха в резервуаре 14 повышается. Обратный ход поршня начинается в момент падения давления продуктов сгорания в камере сгорания с поступлением сжатого кислорода из патрубка 18. При этом сжатый кислород проходит через винтовые каналы 19 клапана-поршня и образуется устойчивое вихреобразное движение в камере сгорания, необходимое для качественного смешивания с кислородом паров топлива и электролита, выходящих из форсунок, и очистки устройства от отработанных газов. Газовая пружина в резервуаре 14 /сжатый воздух/ предназначена для мощных устройств с большими геометрическими размерами. Однако в небольших устройствах газораспределительный механизм может быть и иным, например тарельчатый клапан /вместо поршня/, который приводится в возвратно-поступательное движение механическим, электромеханическим или пневматическими устройствами и пр.

Энергия и мощность устройства
Высокая скорость детонации бензина в каждой зоне камеры сгорания 1 за счет применения кислорода при повышенном давлении и главное инициирование детонации ударной волны высокой интенсивности при электрическом разряде и взрыве струй электропроводной жидкости обеспечивает преобразование большей части энергии детонационного сгорания в энергию детонационных и ударных волн.

При этом за форсункой 2 в сторону открытого конца ствола детонационная волна переходит в ударную, которая, в свою очередь, до мере продвижения в стволе установки переходит в мощную акустическую волну с высокой интенсивностью.

Еще одной особенностью является процесс, связанный с тем, что после первого взрыва горючей смеси при работе форсунки 2 и детонатора 6 образовавшиеся продукты сгорания действуют подобно поршню и резко сжимают столб кислорода в сторону закрытого и открытого концов ствола. В результате увеличивается давление кислорода и давление детонационного сгорания при работе форсунки 3 с детонатором 7, что, в конечном итоге, повышает энергию следующих детонационных волн и степень усиления акустической волны в конце открытого конца ствола. Эта же особенность повышает скорость детонации горючей смеси и КПД процесса.

В крупной ствольной установке при сжигании за один рабочий цикл 1 кг бензина при 3,4 кг кислорода выделится 42 МДж энергии. За счет высокой скорости детонации, превышающей 3-4 км в секунду, КПД процесса преобразования химической энергии в энергию ударной волны при оптимальных параметрах процесса: давления кислорода, температуры, качества смесеобразования, достигнет не менее =0,3 с учетом потерь тепла с охлаждением ствола и выхлопными газами /см.(4), стр. 93-100/.

В результате энергия акустической волны Е=0,342=12,6 МДж, а мощность импульса за время рабочего цикла 10^-3 с около W=12600 МВт или 1,2610¹⁰ Вт.

Реализация столь высокой мощности возможна на установке со следующими геометрическими размерами при давлении кислорода в стволе Р=10кг/см²: диаметр ствола d=300 мм, длина 1=3,4 м. При устройстве стволов больших диаметров форсунки 2-5 устанавливаются в каждом ряде по окружности ствола с целью улучшения смесеобразования паров топлива с кислородом.

Интенсивность акустической волны /средняя/ в этом случае равна J=10⁶-10⁷ Вт/см², что достижимо только в лазерах при генерации оптического излучения. В существующих ультразвуковых устройствах интенсивность не превышает 20 Вт/см².

В действительности, за счет многократного усиления акустических волн при распространении в одном направлении импульсов давления с одинаковыми частотами и амплитудами в процессе детонационных взрывов, распространяющихся в стволе от форсунки 2 к форсунке 5 с заданной скоростью, сила звука значительно возрастает: J=Р²m/2 С, т.е. сила звука прямо пропорциональная квадрату амплитуды звукового давления и обратно пропорциональна волновому сопротивлению среды.

В целях достижения наибольшей дальности распространения мощных акустических волн и повышения КПД установки длина той части ствола, которая выполняется в сторону открытого конца от форсунки 2, определяется расчетом с условием полного преобразования энергии ударных волн, следующих за детонационными, в акустическую /звуковую/.

Иными словами, ствол в этом случае состоит из: первая его часть длины является генератором детонационных волн /фиг.1/, а вторая часть – преодоление ствола является зоной расширения и трансформации ударных волн в мощные акустические волны.

В этом случае дальность распространения акустических волн с достаточно высокой интенсивностью, обеспечивающей силовое воздействие, становится наибольшей /сотни и тысячи километров/ с частотой инфразвуковых волн.

Физика процесса электрического взрыва струй электропроводной жидкости
Механизм образования плазмы в струях раствора электролита /поз.34, 35, 47, 48/ в общем такой же, как и при электрическом разряде в растворе электролита при электроэрозионно-химической обработке металлов /см. Б.А.Артамонов “Размерная электрическая обработка металлов”, М., 1978, “Высшая школа”, стр. 329-333 и стр. 93-103/.

Особенности процесса разряда вызваны свойствами самой рабочей среды струй из растворов электролита, в которых напряжение /при использовании машинного генератора электрических импульсов или при питании от выпрямителя переменного тока/ в начале импульса растет довольно медленно, и перенос зарядов на первой стадии осуществляется ионами, а после пробоя и образования плазменного шнура на места струи – электронами.

В развитии пробоя при медленно нарастающем напряжении основную роль играют газовые пузырьки. Пока напряжение u не достигло величины U_np, на катоде /поз. 22 и 49/ выделяется водород, кроме того, пузырьки газа могут образовываться и в самих струях благодаря нагреванию их джоулевой теплотой, когда растворимость газов в воде снижается. Благодаря высокому газонаполнению электропроводность слоя раствора у катода уменьшается и на этом слое жидкости падает основная доля рабочего напряжения u. Здесь существует наибольшая напряженность электрического поля и начинается нагревание струи, возникает пробой газовых пузырьков, происходит ионизация элементов и образование свободных электронов, завершающаяся образованием плазмы.

Горячая плазма и более холодный раствор в струе отделяются друг от друга слоем электропроводного пара, содержащего ионы электролита. Слой пара, прогреваемый со стороны плазмы и собственной джоулевой теплотой, постепенно продвигается по длине струй, пока не достигнет противоположного электрода – сопел 27, 45 форсунок 22 и 39.

После этого струи на всю длину перекрываются плазменным каналом разряда. Разряд происходит в сильно нагретом водяном паре, содержащем электроны, ионы, а также атомы водорода и кислорода – продукты электротермической диссоциации раствора электролита /с возникновением яркой вспышки/.

Электрический разряд и взрыв струй подобен также электрическому взрыву твердых проводников, в которых благодаря взаимодействию тока и магнитного поля на струю /и/ в радиальном направлении действуют сжимающие силы /пинч-эффект/, приводящие к сильному сжатию плазмы, образовавшейся на месте струи. В результате в процессе дальнейшего выделения энергии разрядного тока в плазме резко повышается ее температура, которая может достигать значений порядка 10 млн. К /см. В.П.Милантьев “Физика плазмы”, М., “Просвещение”, 1983 г., стр.84-86/.

Однако для работы форсунок 2-5, где с помощью электрического взрыва струй раствора электролита испаряются струи топлива, и для работы форсунок-детонаторов 6-9, в которых электрический взрыв струй служит для возбуждения ударных волн, температура взрывов необходима лишь в диапазоне l0³-l0^{4 o}C, а концентрация растворов электролитов на уровне 3-5 для кислот и 10-25% для солей и оснований /что, например, широко применяется при электрохимической обработке металлов/.

В тех случаях, когда требуется высокая электропроводность продуктов сгорания /при детонационном сгорании топлива температура газов становится больше, чем при обычном “медленном”, а тепловыделение увеличивается на 10-15%, см. А.И.Зверев “Детонационное напыление покрытий в судостроении”, Л.: Судостроение, 1978 г. , стр. 12-28/, в качестве электролитов используются соли и основания на основе натрия и калия.

Высокая температура детонационного сгорания топлива, превышающая 3500-4000^oС /см. 3, стр. 30/, позволяет повысить электропроводность продуктов сгорания /низкотемпературной плазмы/, а наличие в струях электролитов солей или оснований на основе натрия /NaOH, Na, C1, КОН, КС1/ и калия создает плазму с высокой электропроводностью /см. В.И.Крутов “Техническая термодинамика”, “Высшая школа”, M., 1971, стр. 447-448/.

Следует учитывать, что при электрическом взрыве струй электролитов при температуре выше 2500^oС /в детонаторах 6-9/ происходит термическое разложение водного раствора на атомарные водород, кислород и продукты разложения солей, оснований и кислот /см. Г.Мучник “Новые методы преобразования энергии” ЭХИ. . . “Знание”, Техника, 4, 1984 г., стр. 47-49/, которые образуют “гремучий газ” создающий взрывы со скоростью 3500 м/с /после понижения температуры продуктов сгорания в стволе меньше 2500^oС. Теплота образования воды в данном случае, как известно, равна 285,8 кДж/моль или 3792 ккал/кг-15,85 МДж/кг.

В результате дополнительных взрывов гремучего газа в стволе установки повышается КПД процесса и коэффициент усиления акустических волн /в этом процессе “теплотворная способность воды” повышается за счет энергии соединения элементов электролитов/.

Особые свойства инфразвука, генерируемого установкой
К ним относятся:
– высокая интенсивность акустических волн в газовых, жидких и твердых средах с переносом энергии на большие расстояния;
– обеспечение с помощью низкочастотных колебаний в жидкости явлений кавитации и акустических течений;
– виброкипение жидкости – высокоамплитудные знакопеременные давления.

При этом перенос энергии высокой интенсивности на большие расстояния обеспечивается не только за счет образования мощных ударных волн в стволе, но и за счет их многократного усиления в процессе периодически следующих за один рабочий цикл взрывов в стволе с заданной скоростью.

Эти свойства акустического генератора низкой частоты позволяют реализовать многие технологические процессы в больших объемах сравнительно простыми средствами.

Характеристики инфразвукового поля
Важнейшими величинами, характеризующими инфразвуковое поле, являются: колебательное смещение частиц, колебательная скорость и звуковое давление Р_зв.

Все эти величины связаны друг с другом: задание пространственно-временного закона изменения одной из них полностью определяет пространственно-временные зависимости всех остальных, как и для любого звукового поля, заполненного, например, ультразвуковой или просто звуковой волной.

Обобщая изложенное выше по сущности процесса усиления акустических волн, заключаем:
1. Возникновение интерференции акустических волн в стволе установки /сложения/ за счет распространения в одном направлении основных ударных волн с одинаковой частотой и амплитудами при последовательных взрывах с большой скоростью топливокислородной смеси обеспечивает увеличение амплитуды колебаний в то количество раз, которое равно числу рядов “n” форсунок, установленных в стволе последовательно друг за другом. С учетом изложенного, колебательное смещение частиц в конце створок увеличивается в “n” раз.

_m = n (1)
2. Образование в стволе отраженных волн от закрытого конца ствола при взрывах горючей смеси обеспечивает практически такое же усиление, как и от основных ударных волн, благодаря более высокой скорости движения, в результате колебательное смещение частиц повышается еще в два раза

3. Образовавшаяся за один рабочий цикл мощная акустическая волна в конце ствола установки может усиливаться еще в М=6-7 раз, за счет установки и суживающегося сопла 65, выполняющего в этом случае функцию концентратора или трансформатора упругих колебаний /как технике применения ультразвука/.

Точнее: в этом случае происходит увеличение амплитуды колебательного смещения частиц еще в “М” раз:

В свою очередь многократно повысится звуковое давление Р’_3в и интенсивность J’ инфразвуковых колебаний или сила инфразвука.

Звуковое давление:
P_m = 2nMc,
где – плотность среды;
– угловая частота;
с – скорость звука в среде.

Интенсивность инфразвука в этом случае также равна:
J = P²_m/2c
При распространении инфразвуковых колебаний в поглощающей среде, как известно, происходит затухание волны и интенсивность J’ колебаний в волне постепенно уменьшается.

Уменьшение интенсивности выражается следующим образом:
J = Je^{-2X,
где – коэффициент поглощения, числовое значение которого характеризует уменьшение амплитуды смещения, вызываемое поглощением, при прохождении волной единицы длины;
х – длина пути пройденного инфразвуковой волной.}

Как известно из физики, только низкие акустические частоты способны переносить на сравнительно большие расстояния энергию высокой интенсивности и поэтому поглощение звуковой энергии, например, при частоте 0,1 Гц составляет менее 210^-9 дБ/км, а в аналогичных условиях поглощение звука частотой 1000 Гц достигает уже 6 дБ/км.

Итак, отличительной особенностью устройства для возбуждения акустического излучения от всех известных устройств для генерирования механических колебаний в различных средах являются:
1. Механизмы возбуждения акустических волн по сравнению с существующими устройствами совершенно разные.

2. Устройство для возбуждения акустического излучения является автономным источником, причем самым сильным источником инфразвуковых колебаний /кроме природных и ядерных взрывов/. Мощность устройства может варьироваться в широких пределах и, в конечном итоге, зависит лишь от его размеров и давления в нем рабочего газа-окислителя /которыми, кроме кислорода и воздуха, могут быть и галогены/.

3. Устройство позволяет на несколько порядков увеличить амплитуду колебаний частиц среды по сравнению с единичной ударной волной при первом взрыве, т.е.

= 2nM (3).
4. Частота рабочих циклов в устройстве может варьироваться от самых низких 0,001 Гц до средних =150-2 Гц в зависимости от инерционности клапанного механизма, поз.10-12, что создает условия для переноса энергии низкочастотных колебаний с высокой интенсивностью на большие расстояния, а частота детонационных взрывов в стволе за один рабочий цикл, наоборот, достигает частот f современных пьезоэлектрических акустических преобразователей, в результате чего обеспечивается многократное усиление акустических волн.

Одновременно с акустическими волнами генерируются мощные электромагнитные излучения разной частоты и длины волн, в частности с длиной оптического излучения, которое резко усиливается при применении в качестве газов в стволе и водных растворов электролитов или жидких металлов, например, в струях 47, 48 детонаторов активных сред, усиливающих /как в лазерных установках/ волну. Оптическими резонаторами в этом случае являются отражающая поверхность клапана-поршня, выполненного, например, из меди, и усиление излучения последовательным распространением детонационных взрывов в стволе установки. Более конкретно этот механизм усиления излучения рассмотрен ниже.

5. Использование резонанса позволяет резко увеличить колебания и добиться, например, в жидкости больших амплитуд смещений в среды при минимальных затратах энергии.

Высокая интенсивность низкочастотных колебаний, превышающая на много порядков интенсивность ультразвукового поля в жидкостях, и, учитывая, что кавитация наступает при J>0,1 Вт/см², позволяет генерировать в больших объемах жидкости кавитационные области и акустические течения для многочисленных применений в различных технологиях, не доступных ультразвуку.

Ниже приводятся некоторые применения устройства для возбуждения акустического излучения:
– инфразвуковое воздействие на живые организмы;
– биологическая очистка питьевой воды;
– то же сточных вод промышленных предприятий, города и пр.;
– очистка крупногабаритных конструкций, деталей и подводных частей судов под водой, трубопроводов;
– обеззараживание почвы от вредителей и сорняков;
– инфразвуковое исследование Земли с частотой f=6-9,3 Гц и менее;
– применение в фильтровальных установках систем хозяйственно-питьевого и технического водопотребления;
– очистка нерудных материалов;
– аэрация суспензий, приготовление дисперсных систем;
– промывка полезных ископаемых;
– обезгаживание металлических расплавов и жидкостей;
– бурение скважин большого диаметра на глубину Н=15-20 км;
– проходка тоннелей, шахт, разработка угольных пластов;
– повышение эффективности нефтедобычи и газа;
– передача энергии в твердых и жидких средах на расстояния;
– прямое преобразование химической в электрическую энергию /звукоэлектрический ток/;
– применение в МГД генераторах газовых и жидкометаллических;
-эхолокация, радиолокация;
– и многие другие.

Инфразвуковое воздействие на живые организмы
Обобщение многочисленных экспериментальных данных о биологической активности инфразвука позволило “ученым” утверждать, что его воздействие на человека вредно во всех случаях:
– колебания небольшой интенсивности вызывают явления, схожие с морской болезнью: тошноту, уменьшение остроты зрения, звон в ушах;
– колебания высокой интенсивности могут вызвать расстройство органов пищеварения, снижение слуховой чувствительности, нарушения функций мозга с самыми неожиданными последствиями – слабость, обмороки, наступление слепоты;
– инфразвуковые колебания высокой интенсивности, влекущие резонансные колебания внутренних органов, приводят к повреждению и самих органов, и коммуникаций; при определенных условиях может наступать летальный исход из-за остановки сердца или разрушения кровеносных сосудов.

Интенсивный инфразвук вызывает ряд субъективных расстройств: чувство беспричинного страха, раздражительность, нарушение сна. Следует учитывать, что инфразвук проникает практически через любые преграды: металлические, бетонные и пр.

Опасность воздействия на человека интенсивного инфразвука объясняется следующим. Все наши внутренние органы имеют собственные частоты колебаний, лежащие в диапазоне 2-10 Гц. Упругие колебания таких же частот вызывают резонанс при частоте колебаний: желудка 2-3 Гц, почек 6-8 Гц, сердца 4-6 Гц, позвоночника 4-6 Гц, вестибулярного аппарата 0,5-13 Гц. Они начинают вибрировать, непрерывно увеличивая амплитуду колебаний, вплоть до летального исхода.

Для сравнения интенсивности звука или звукового давления используется уровень интенсивности L_p, дБ

Аналогично определяется абсолютный уровень звукового давления, используя стандартное пороговое звуковое давление ₀=210^-5 Па=20 мкПа – пороговое звуковое давление.

где p – звуковое давление, уровень которого должен быть определен;
J – интенсивность звука, а порог слышимости J₀=10^-12 Вт/м²;
– плотность среды;
С – скорость звука;
С – волновое сопротивление среды.

Весь диапазон практически встречающихся интенсивностей звука /от 10^-12 до 10 Вт/м²/ укладывается в шкалу уровней громкости от 0 до 130 дБ и давлением в звуковых волнах от 210^-5 до 133 Н/м².

Опасным уровнем громкости является уровень = 80 дБ, а болевой порог 130 дБ, при максимуме 180 дБ для человека, что = 14 Вт/м².

Инфразвуковой детонационный акустический генератор может применяться: в качестве наземной стационарной установки с интенсивностью J от 10³ до 10⁹ Вт/м² на срезе ствола больших геометрических размеров с подачей в него кислорода от резервуаров с сжиженным газом и топливных баков с бензином на летательных аппаратах всех типов, надводных судах и др.

Биологическая очистка питьевой воды и др. жидкостей
Высокая звуковая мощность инфразвукового генератора позволяет создавать в жидкости большие кавитационные области с давлениями при схлопывании пузырьков в воде до 10²-10⁴ кг/см² и интенсивным акустическим течением, в результате достигается разрушение оболочек микробов и различных организмов в жидкости и ее стерилизация.

В целях многократного повышения мощности устройства для возбуждения акустического излучения вместо одной камеры сгорания 1 со стволами 67 на поворотной платформе стационарной или транспортной установке размещаются несколько камер сгорания 66 со стволами 67 параллельно друг другу или в несколько рядов по высоте /см. фигуру 9/.

Более компактное, но также мощное устройство показано на фиг.10, которое содержит несколько камер сгорания 69, размещенных на заданном расстоянии друг от друга по окружности с одним стволом 68 и направляющей конической насадкой 70.

Формула изобретения

1. Устройство для возбуждения акустического излучения, содержащее камеру сгорания со стволом и патрубком, газораспределительный механизм, сообщающийся с гидропневматическим резервуаром, снабженным воздушным вентилем, систему транспортирования и нагнетания электропроводной жидкости и жидкого углеводородного топлива, генераторы электрических импульсов с управляющими приборами и источник окислителя, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено форсунками, последовательно размещенными друг за другом для впрыска смеси паров углеводородного топлива и паров электропроводной жидкости, форсунками-детонаторами, смежно расположенными к ним, для впрыска струй электропроводной жидкости и сообщающимися с камерами сгорания, при этом форсунки для впрыска смеси паров снабжены топливными форсунками и патрубками, внутри которых смонтированы шнеки и электроды, а также кольцевой камерой, выполненной из электроизоляционного материала, сообщающейся с соплами.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что форсунки для впрыска смеси паров углеводородного топлива и паров электропроводной жидкости снабжены взрывными камерами с соплами.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды размещены в цилиндрических камерах, выполненных из электроизоляционного материала, и сообщаются с соплами, направленными под углом друг к другу.

4. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что в нем камеры сгорания со стволами установлены параллельно друг к другу в несколько рядов или камеры сгорания установлены по окружности с одним центральным стволом и снабжены системой поворота в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

5. Устройство по пп. 1-4, отличающееся тем, что стволы камер сгорания снабжены концентраторами упругих колебаний, выполненными в виде суживающихся сопел или в виде сопел Лаваля.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 08.06.2003

Извещение опубликовано: 7.04.2005 БИ: 12/2005