устройство с преобразованием давления текучей среды для перемещения тела

Формула изобретения

1. Устройство с преобразованием давления текучей среды для перемещения тела, содержащее две полости, разделенные перегородкой с перфорацией в виде, по крайней мере, одного сквозного отверстия для поступления текучей среды из первой полости во вторую, и тело, ограничивающее вторую полость, по крайней мере, со стороны, противоположной перегородке, и установленное с возможностью перемещения в направлении от перегородки под действием текучей среды во второй полости, отличающееся тем, что диаметр отверстий в перегородке составляет менее одной четвертой части ее толщины.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметр отверстий в перегородке составляет одну пятую часть ее толщины.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перегородка выполнена с максимально возможным по условию прочности коэффициентом перфорации.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отверстия в перегородке выполнены коническими, с ориентацией основанием конуса в сторону первой полости, при этом соотношения диаметра отверстий и толщины перегородки указаны для среднего диаметра отверстий как среднеарифметического от диаметров основания и вершины конусов.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что угол при вершине конуса отверстий в перегородке находится в диапазоне 16 - 24.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перегородка выполнена жесткой и неподвижной.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перегородка выполнена замкнутой с образованием контейнера внутри второй полости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам общего назначения с передачей текучей среды, главным образом газов, изменением ее давления и последующего преобразования в кинетическую энергию тела (рабочего органа, снаряда и т.д.).

Известна возникшая в 1944 году идея газовых редукторов системы "высокое-низкое давление": перфорированная перегородка разделяет замкнутое пространство на две полости, вследствие чего происходит понижение статического давления газов после их дросселирования через перфорацию из первой камеры во вторую [1].

Эта идея реализована, в частности, в боеприпасах: в некоторых 40-миллиметровых австрийских и германских гранатах [1, с.66-73], боеприпасах к гладкоствольному стрелковому охотничьему и др. оружию [2, 3].

Наиболее близким к заявленному изобретению по назначению и совокупности конструктивных признаков (прототипом) является устройство с преобразованием давления текучей среды для перемещения тела, содержащее две полости, разделенные перегородкой с перфорацией в виде сквозных отверстий для поступления текучей среды (газов) из первой полости во вторую, и тело, ограничивающее вторую полость, по крайней мере, со стороны, противоположной перегородке, и установленное с возможностью перемещения в направлении от перегородки под действием текучей среды во второй полости [4].

В нем, как и в перечисленных выше аналогах, диаметр отверстий в перегородке составляет не менее (как следует из чертежей) четвертой части ее толщины. Такое соотношение достаточно для решения задачи редукции давления.

Кроме того, в данном устройстве коэффициент перфорации существенно меньше максимально возможного (геометрически) его значения, предусмотрено несколько отверстий, они выполнены цилиндрическими, сама перегородка - жесткой, неподвижной и замкнутой, с образованием контейнера внутри второй полости, а подвижное тело - в виде пыжа-контейнера для дробового заряда, при этом П-образная в продольном сечении донная часть пыжа-контейнера частично охватывает перегородку.

Однако в устройстве-прототипе существенное понижение давления текучей среды (в данном случае пороховых газов как продуктов сгорания метательного порохового заряда в первой полости) при ее дросселировании через относительно короткие отверстия перфорации не сопровождается существенным преобразованием статической составляющей давления p₁ в динамическую составляющую p_дин=0,5V_п ² (где - плотность текучей среды, V_п - скорость потока) в общем балансе (p_ст+p_дин), в соответствии с уравнением Бернулли, в объеме правой камеры. Соответственно, давление текучей среды распределяется по поверхностям стенок второй камеры, части перегородки и подвижного тела практически равномерно. Таким образом, энергия газов используется для сообщения подвижному телу ускорения недостаточно эффективно: через статическое в основном, причем уменьшенное вследствие тепловых потерь и редукции в перфорации, давление в правой камере.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является улучшение технико-экономических характеристик устройства за счет повышения динамического воздействия текучей среды (главным образом, газов) на подвижное тело и снижения ее статического воздействия на другие поверхности, ограничивающие, наряду с этим телом, камеру.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве с преобразованием давления текучей среды для перемещения тела, содержащем две полости, разделенные перегородкой с перфорацией в виде, по крайней мере, одного сквозного отверстия для поступления текучей среды из первой полости во вторую, и тело, ограничивающее вторую полость, по крайней мере, со стороны, противоположной перегородке, и установленное с возможностью перемещения в направлении от перегородки под действием текучей среды во второй полости, диаметр отверстий в перегородке составляет менее одной четвертой части ее толщины.

Решение поставленной задачи достигается также за счет дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):

- диаметр отверстий в перегородке может составлять одну пятую часть ее толщины;

- перегородка может быть выполнена с максимально возможным, по условию прочности, коэффициентом перфорации;

- отверстия в перегородке могут быть выполнены коническими, с ориентацией основанием конуса в сторону первой камеры, при этом соотношения диаметра отверстий и толщины перегородки должны быть указаны для среднего диаметра отверстий как среднеарифметического от диаметров основания и вершины конусов;

- при предыдущей дополнительной совокупности признаков, угол при вершине конуса отверстий в перегородке может находиться в диапазоне от 16 до 24 градусов;

Среди известных устройств и способов не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат в соответствии с поставленной задачей.

Заявляемое устройство для преобразования давления текучей среды для перемещения тела пояснено на чертежах:

на фиг. 1 показан продольный разрез устройства, вариант с плоской перегородкой камер, цилиндрической перфорацией и подачей текучей среды под давлением в первую камеру от внешнего источника, где d - диаметр отверстий перфорации перегородки, I - толщина перфорированной перегородки и, соответственно, длина отверстий перфорации, b - расстояние между перегородкой и подвижным телом, D - диаметр миделевого сечения подвижного тела, V - скорость перемещения подвижного тела;

на фиг.2 - показан продольный разрез аналогичной конструкции устройства, с образованием текучей среды (пороховых газов) под давлением как продукта сгорания порохового метательного заряда;

на фиг.3 - увеличенный фрагмент продольного разреза устройства по фиг. 1 или 2, со схемой преобразования давления текучей среды и ее динамического воздействия на подвижное тело, где p₁, p_1ст, p₂, p_2ст и p_2дин - давление текучей среды, соответственно, суммарное и его статическая составляющая в первой камере, суммарное и его статическая и динамическая составляющие во второй камере;

на фиг.4 - фрагмент вида на перегородку камер в осевом направлении;

на фиг. 5 - показан фрагмент продольного разреза устройства, вариант с коническими отверстиями перфорации перегородки, где - угол при вершине конуса отверстия, d_cp - средний диаметр отверстия;

на фиг. 6 - показан продольный разрез устройства, вариант с замкнутой перегородкой, с образованием контейнера внутри второй полости;

на фиг. 7 - фрагмент устройства по фиг.6, вариант с П-образным сечением подвижного тела;

на фиг.8 - фрагмент продольного разреза устройства, вариант с выпукло-вогнутой системой "перегородка подвижное тело", где - угол между продольными осями отверстий перфорации перегородки и противолежащей поверхностью подвижного тела.

Устройство с преобразованием давления текучей среды для перемещения тела содержит (см. фиг.1, 2) первую полость 1, вторую полость 2 и перегородку 3, разделяющую эти полости. Полости 1 и 2 частично ограничены корпусной деталью 4. Предусмотрено также тело (оно же - "подвижное тело") 5, ограничивающее полость 2 со стороны, противоположной перегородке 3 (см. фиг.1-6) или, в дополнение к этому, частично охватывающее перегородку 3 (см. фиг.7). При этом тело 1 установлено с возможностью перемещения (скорость V) в направлении от перегородки 3 под действием текучей среды (главным образом, газов или смеси газов, в частности продуктов сгорания пороха, размещаемого непосредственно в камере 1) при ее появлении под давлением в полости 2. В конкретных случаях подвижным телом 5 являются: рабочий орган машины, снаряд, пуля, контейнер с дробовым зарядом (как в прототипе) и т.д.

В перегородке 3 предусмотрена перфорация в виде множества параллельных, как правило, сквозных отверстий 6 диаметром d и с продольными осями, перпендикулярными противолежащей поверхности тела 5 (предпочтительно плоской).

Диаметр d отверстий 6 составляет менее 1/4 (одной четвертой) части ее толщины. Наиболее предпочтительно соотношение диаметра d и толщины I перегородки 3 (а значит и длины отверстия 6) 1:5.

Абсолютное значение диаметра d составляет примерно от 0,6 до 2,0 мм.

Если текучую среду под давлением не подают в камеру 1 от какого-либо внешнего источника 7 (баллона, ресивера и т.д.) через тракт 8 (трубку, отверстие и т.д.), как это предусмотрено вариантом устройства по фиг.1, а получают как продукты сгорания пороха 9 или аналогичного вещества (смеси веществ) непосредственно в камере 1 при инициировании порохового заряда капсюлем-воспламенителем 10 или аналогичным инициирующим устройством (см. фиг. 2, 6, 7), то выбор диаметра d определяется усредненным минимальным размером частиц пороха (или его аналога) 9, из условия задержки (перфорацией 6) еще не сгоревших частиц пороха 9 в камере 1.

Отверстия 6 могут быть как цилиндрическими (см. фиг.1-4, 6, 7), так и коническими (см. фиг.5), с ориентацией основанием конуса в сторону камеры 1. В последнем случае значения диаметра d указаны (см. выше) для среднего значения d_ср от диаметров основания и вершины конуса отверстия 6. Угол при вершине конуса отверстия 6 (см. фиг.5) находится, предпочтительно, в диапазоне от 16 до 24 градусов.

Как при цилиндрической, так и при конической форме отверстий 6 рекомендуется максимально возможный коэффициент перфорации перегородки 3 (см. фиг. 4), т.е. с минимальными перемычками между отверстиями 6, определяемыми их прочностью.

Однако не исключена, в каких-либо конкретных условиях, и конструкция с одним отверстием 6, как правило, диаметром свыше указанного диапазона 0,6-2,0 мм.

При этом возможна и более сложная форма отверстий 6, чем цилиндрическая или коническая.

Плоская перегородка 3 (простейший конструктивный вариант) может быть выполнена неподвижной за счет ее фиксации в осевом направлении штифтами или аналогичными фиксаторами 11 (см. фиг.2).

Если перегородка 3 выполнена замкнутой с образованием контейнера внутри полости 2 (см. фиг.6, 7), аналогично устройству-прототипу, то ее фиксация осуществляется в тыльной (донной) части устройства, непосредственно со стенкой 4 или через переходную деталь (детали), например резьбовым соединением 12 (см. фиг.6, 7).

Перфорация 6 должна быть выполнена, как правило, только в торцевой плоской ее стенке, противоположной подвижному телу 5 (т.е. тоже как у прототипа).

При этом затравочное отверстие за капсюлем-воспламенителем 10, выполненное как продолжение капсюльного гнезда, например, в задней пробке 13, к упомянутой перфорации не относится.

В любом случае рекомендуется выполнение перегородки 3 жесткой и неподвижной, во избежание ее прогиба и других деформаций, приводящих к непараллельности выходящих потоков текучей среды и, следовательно, их перемешивания, турболизации, взаимодействия с поверхностью тела 5 не под прямым углом.

Кстати, именно в обеспечение взаимодействия выходящего из отверстий 6 потока текучей среды с поверхностью тела 5 под прямым углом допустимый вариант устройства с выпуклой перегородкой 3 и веерообразной перфорацией 6 должен сопровождаться соответствующим образом вогнутой конфигурацией поверхности тела 5 (см. фиг.8).

Однако в таком конструктивном варианте динамика текучей среды в камере 2 несколько уступает динамике в варианте с плоской перегородкой 3. Эффективность взаимодействия потоков текучей среды с телом 5 также ниже.

Выпукло-вогнутая система "перегородка 3 тело 5" в большей степени согласуется с П-образным, в продольном сечении, вариантом выполнения тела 5 (см. фиг.7).

Расстояние b (см. фиг. 1-3, 6, 7) между противолежащими поверхностями перегородки 3 и тела 5 должно, как правило, превышать восьми эквивалентных диаметров D миделева сечения тела 5 (при цилиндрической форме тела 5 D является диаметром цилиндра).

Подвижное тело 5 может быть зафиксировано от преждевременного перемещения в осевом направлении, например, легкой завальцовкой 14 вплоть до организации известных узлов форсирования.

Описанные примеры конструктивного выполнения заявляемого устройства не исключают других возможных вариантов в рамках формулы изобретения.

Устройство работает следующим образом.

Текучая среда под высоким давлением, поступающая в камеру 1 от источника 7 через тракт 8 (в варианте по фиг.1) или образующаяся непосредственно в камере 1 при сгорании пороха (или его аналога) 9, инициированного капсюлем-воспламенителем 10 (см. фиг.2) перетекает через отверстия 6 в камеру 2. При этом, в соответствии с уравнением Бернулли и за счет указанных выше оптимальных соотношений диаметра d и длины I отверстий 6, в основном статическое (разнонаправленное в динамике) давление p₁ (p_1ст) в камере 1 преобразуется в преимущественно динамическое давление p₂ (p_2дин существенно больше, чем p_2ст) в камере 2.

Текучая среда, сформировавшись в системе отверстий 6 в параллельные струи, движется после среза отверстий 6 (т.е. после перегородки 3) в камере 2 параллельными струями (см. фиг.3) и оказывает динамическое давление на поверхность тела 5, сообщая ему ускорение в осевом направлении.

Тело 5, преодолевая трение и сопротивление завальцовки 14, перемещается (скорость V).

Оптимальное соотношение I/d= 5 (экспериментальные данные при цилиндрической форме отверстий 6) наилучшее условие формирования струй в перфорации.

Минимальное расстояние между выходными срезами отверстий 6 обеспечивает минимум турбулизирующих влияний со стороны текучей среды, расположенной между струями, что позволяет дольше сохранить сформировавшийся характер течения.

На участке b8 (также экспериментальные данные) не происходит существенной турбулизации и снижения динамической составляющей p_2дин в общем давлении p₂ в камере 2.

Одновременно происходит (побочный положительный эффект) снижение давления на внешнюю стенку 4 устройства (т.е. стенку камеры 2) вследствие уменьшения доли статической составляющей p_2ст в общем давлении p₂.

Это согласуется с одной из основных тенденций в устройстве-прототипе, а именно - облегчением корпуса 4, обеспечением возможности использования пластмассовых и тонких металлических корпусных деталей 4.

Еще к одному побочному положительному эффекту, связанному с перераспределением давления p₂ в пользу динамической составляющей p_2дин, следует отнести и улучшение условий обтюрации текучей среды в системе "тело 5 - стенка 4".

Коническая форма отверстий 6 дает примерно ту же эффективность формирования струй при меньшем соотношении I/d. Однако условия "внешней" динамики, т.е. в камере 2, будут несколько хуже из-за большего расстояния между выходными срезами отверстий 6.

При замкнутой (с образованием контейнера) перегородке 3 силы давления p₁ большей частью замыкаются на перегородке 3, снижая нежелательный "пробой" на внешние элементы устройства и окружающие тела.

Таким образом, использование заявленного устройства позволяет улучшить технико-экономические характеристики устройства за счет повышения динамического воздействия текучей среды (главным образом, газов) на подвижное тело и снижения ее статического воздействия на другие поверхности, ограничивающие, наряду с этим телом, камеру.

Источники информации

1. Хогг Я. Боеприпасы: патроны, гранаты, артиллерийские снаряды, минометные мины. - М.: Изд-во ЭКСМО-Пресс, 2001. - 144 с., ил. - С.66-73.

2. US 3575113, F 42 В 7/02, 26.02.1968.

3. SU 1821618 А1, F 42 В 7/00, 21.11.1990.

4. US 3687078, F 42 В 7/02, 31.03.1970.