способ формирования струи жидкости
Классы МПК: | E21C45/00 Способы гидравлической добычи полезных ископаемых; гидромониторы |
Автор(ы): | Антонова Е.В., Бреннер В.А., Воротилин М.С., Калюжный Г.В., Макаровец Н.А., Новикова Л.Ф., Пушкарев А.Е., Редько А.А., Сладков В.Ю., Соколов Э.М., Чуков А.Н. |
Патентообладатель(и): | Тульский государственный университет |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-03-20 публикация патента:
10.06.2001 |
Изобретение относится к способам формирования высокоскоростной струи рабочей среды, преимущественно жидкости, а именно к способам гидравлического разрушения горных пород и резания материала с использованием энергии высокоскоростной и высоконапорной струи жидкости. Изобретение решает задачу получения высокоскоростной струи жидкости и уменьшения затрат энергии на ее формирование за счет кумулятивного эффекта схлопывания. Способ формирования струи жидкости заключается в том, что скоростной поток пропускают через кольцевое сопло, образованное конической поверхностью насадки и поверхностью вставки, причем поверхность вставки выполнена конической с углом конусности
, обеспечивающей площадь поперечного сечения кольцевых зазоров между поверхностями насадки и вставки постоянной, при этом образованное двумя коническими поверхностями сопло обеспечивает схлопывание сформированной струи. Струю жидкости в виде полого конуса формируют с углом конусности
=15... 120°, а торцевая поверхность сопла выполнена конусной с углом конусности
= 180° -
таким образом, чтобы торцевая поверхность была перпендикулярна оси профиля кольцевого сoплa. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168017/945.gif)
![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168017/945.gif)
![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168017/946.gif)
![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168017/945.gif)
Формула изобретения
1. Способ формирования струи жидкости, заключающийся в том, что скоростной поток пропускают через кольцевое сопло, образованное конической поверхностью насадки и поверхностью вставки с формированием на выходе сопла струи жидкости в виде полого конуса с ее последующим схлопыванием, отличающийся тем, что поверхность вставки выполнена конической с углом конусности![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168017/945.gif)
![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168017/945.gif)
![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168017/946.gif)
![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168017/945.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к способам формирования струи жидкости, а именно к способам гидравлического резания материала с использованием энергии высокоскоростной струи жидкости, в частности для гидравлического разрушения горных пород. В настоящее время процесс гидрорезания применяется в производственных условиях для обработки очень широкой номенклатуры материалов во многих отраслях промышленности, как в России, так и за рубежом. Такое резание выполняет все требования по точности, быстроте, функционированию и сохранению окружающей среды. Известен способ формирования струи, осуществляемый в насадке гидромонитора [Патент РФ N 1771512 МКИ E 21 C 45/00, 1992], где поток, попадая сначала в проточную полость насадки, приобретает дополнительную скорость за счет сужения конфузора, затем, направляясь к выходному отверстию проточной полости и "стекая" с острия конусного оконечника обтекателя, поток попадает в полость конфузора в виде узкой струи с малым углом расхождения, поперечное сечение которой соизмеримо с сечением выходного отверстия проточной полости насадки. Для дополнительного усиления выходной струи, без увеличения угла расхождения, в диффузоре имеются каналы подсоса, обеспечивающие свободное (без дополнительного давления) проникновение рабочей среды. Основным недостатком является то, что проходящий через выходное отверстие проточной полости насадки поток жидкости, "стекая" с острия конусного оконечника обтекателя и попадая в полость диффузора в виде струи, имеет неравномерное распределение скорости в профиле данной струи, т.е. наблюдается асимметрия потока, что и приводит к появлению сдвиговых деформаций внутри струи, связанных с завихренностью, а также к искривлению струи в целом. Каналы подсоса, расположенные под углом 90o к оси симметрии диффузора, хотя и уменьшают угол расхождения струи, однако будут приводить не к эффекту усиления выходной струи, а значительному снижению скорости струи за счет столкновения частиц потока, проходящих через конфузор усеченного конуса, и потока, истекающего через диффузор. В известном гидромониторе [Патент N 68372, МКИ E 21 C 45/00, 1947 г.] способ формирования высокоскоростной струи осуществляется за счет уменьшения площади поперечного сечения выбрасываемой кольцевой струи воды, проходящей между двумя входящими одна в другую коническими трубами, конусности которых подобраны так, чтобы кольцевое пространство между ними суживалось к выходу. При этом поток воды, выбрасываемый из кольцевого отверстия гидромонитора в виде полого конуса, своей вершиной упирается в материал. К недостаткам данного изобретения можно отнести то, что максимально разрушительное действие потока достигается за счет воздействия вершины конусного потока на ограниченную площадку материала, причем обеспечение фокусировки кольцевой струи на определенном расстоянии, позволяющем осуществлять воздействие вершиной конусного потока на материал, бывает затруднительно, при этом уровень удельной энергии этого потока в месте воздействия остается неизменным. Наиболее близким к заявляемому и взятым в качестве прототипа является способ разрушения твердых материалов струей жидкости и устройство для его осуществления [Патент РФ N 1798504 A1, МКИ E 21 C 45/00, 1979]. Способ разрушения материалов струей жидкости осуществляется за счет использования кавитационного воздействия, причем расслаивание струи жидкости производят с образованием изолированной от окружающей среды кавитационной полости и ее последующим схлопыванием, а разрушение твердых материалов производят на участке схлопывания кавитационной полости. К недостаткам данного изобретения можно отнести то, что использование кавитационной струи приводит к разрушению материала только в точке схлопывания кольцевой струи и только относительно непрочных материалов при нестабильной ширине реза. Использование в данной насадке переменной площади поперечного сечения кольцевых зазоров приводит к увеличению гидравлических потерь и увеличению градиента скорости в поперечном сечении потока, что оказывает неблагоприятное влияние на формирование устойчивой струи жидкости и приводит к снижению эффективности работы насадки, таких как уменьшение скорости потока на некотором расстоянии от точки схлопывания и нестабильность струи жидкости за счет создания условий для кавитационных процессов [Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: Физматгиз, 1962. - 302 с.; Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. - М.: Энергоиздат, 1985. - 320 с.]. Задачей настоящего изобретения является увеличение величины ударной силы струи в результате использования, наряду с кинетической энергией взаимодействия потока жидкости с разрезаемым материалом, кумулятивного эффекта схлопывания струи жидкости. Это достигается тем, что в способе формирования струи жидкости скоростной поток пропускают через кольцевое сопло, образованное конической поверхностью насадки и поверхностью вставки, причем поверхность вставки выполнена конической с углом конусности![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168017/945.gif)
![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168017/945.gif)
![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168017/946.gif)
![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168017/945.gif)
Vc=Vо/tq(90-
![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168017/945.gif)
где Vо - скорость потока рабочей среды до схлопывания;
![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168017/945.gif)
![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168006/961.gif)
![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168017/946.gif)
![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168017/945.gif)
Скоростной поток жидкости предварительно пропускали через кольцевой зазор, образованный между наружной поверхностью металлической вставки, с внешним диаметром на торце D1=50 мм, и внутренней поверхностью конической насадки, с внутренним диаметром на торце D2=48 мм, имеющий постоянную площадь поперечного сечения F=28 мм2, при этом на выходе сопла формировалась струя в виде полого конуса, имеющая угол конусности
![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168017/945.gif)
![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168017/946.gif)
![способ формирования струи жидкости, патент № 2168632](/images/patents/303/2168006/961.gif)
Класс E21C45/00 Способы гидравлической добычи полезных ископаемых; гидромониторы