СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУШНОЙ УДАРНОЙ ВОЛНЫ НА ОСНОВЕ ДЕТОНАЦИИ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F42D7/00 G01N3/313 

Группа изобретений относится к области прикладной газовой динамики, а именно к способам и устройствам для осуществления генерации воздушной ударной волны (ВУВ) с избыточным давлением во фронте ΔРф≤5 кгс/см² путем распыления жидкого топлива и подрыва получаемой топливовоздушной смеси (ТВС) и может быть использовано для исследования объектов и конструкций на механическое действие импульсных давлений.

Известен способ формирования аэрозольного облака топливовоздушной смеси (ТВС) на открытой местности, при котором жидкое топливо сжимают в цилиндрической камере, направляют по каналу подачи топлива и выталкивают через полусферическую распылительную головку [1].

Недостатком данного способа является то, что аэрозольное облако ТВС имеет полусферическую форму и способ не позволяет сформировать облако требуемых размеров и заданной формы, что исключает возможность использования указанного способа в каналах ударных труб при испытаниях конструкций на механическое действие импульсных давлений в условиях нагружения объектов плоской ударной волной.

Известно устройство, состоящее из цилиндрической камеры с поршнем, между поршнем и полусферической распылительной головкой находится выталкиваемое жидкое топливо и газогенератор для создания давления в камере [1].

Недостатком указанного устройства является сложность его реализации вследствие наличия движущихся и обладающих большой инерцией выталкивающих элементов, низкая эффективность использования ТВС.

Известен способ формирования аэрозольного облака ТВС, включающий сжатие жидкого топлива и выталкивание его через верхнюю крышку вертикального цилиндра с профилированными круглыми соплами.

Недостатком данного способа является то, что аэрозольное облако ТВС имеет полусферическую форму и не позволяет получить однородное мелкодисперсное аэрозольное облако (МАО) требуемой формы при использовании способа в зарядной секции ударной трубы [2].

Известно устройство для получения полусферического облака ТВС, представляющее собой вертикальный цилиндр с двойными стенками, верхняя крышка которого выполнена в виде полусферического распылителя с профилированными круглыми соплами [2].

Недостатком этого устройства является сложность конструкции (количество сопел достигает от 600 до 1200 шт.).

Наиболее близким способом того же назначения к заявленной группе изобретений по совокупности признаков является способ генерации ВУВ на основе детонации ТВС, при котором создают МАО в форме вертикального полуцилиндра путем выталкивания жидкого топлива пороховым зарядом через канал подачи топлива и распылитель, снабженный полукольцами с секторными щелями, расположенными равномерно друг от друга, и инициируют его детонацию подрывом заряда тротилового боевика [3].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относят то, что указанный способ служит для создания аэрозольного облака ТВС в форме вертикального полуцилиндра, которое близко по своей структуре к полусфере, что не позволяет формирование МАО ТВС с равномерной стехиометрической концентрацией требуемой формы - горизонтальный цилиндр.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению следует считать устройство, описание которого приведено в статье Когарко С. М. и др. "Детонация больших объемов гетерогенных бензино-воздушных смесей" (сборник "К вопросу о создании объемно-детонирующих систем", Черноголовка, 1977 г., с. 90-96) [3]. Это устройство содержит герметичную камеру с жидким топливом и пороховым зарядом, канал подачи топлива, распылитель в виде канала, снабженного полукольцами с секторными щелями, расположенными равномерно друг от друга и схему инициирования взрыва. Инициирование детонации облака осуществляют боевиком, выполненным в виде сосредоточенного заряда, массу которого выбирают из условия полной детонации облака ТВС.

Недостатком данного устройства является ограниченность диапазона создаваемых параметров ВУВ, при этом формирование однородного МАО ТВС цилиндрической формы не представляется возможным.

Заявленная группа изобретений направлена на решение задачи, которая заключается в расширении диапазона получаемых параметров ВУВ за счет формирования аэрозольного облака цилиндрической формы (горизонтальный цилиндр) с равномерной стехиометрической концентрацией.

Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается тем, что в известном способе генерации воздушной ударной волны на основе детонации ТВС создают мелкодисперсное облако путем выталкивания жидкого топлива пороховым зарядом через канал подачи топлива и распылитель, инициируют его детонацию путем подрыва заряда тротилового боевика, а особенностью предлагаемого способа является то, что формирование МАО ТВС осуществляют в зарядной секции ударной трубы в форме горизонтального цилиндра, а массу топлива Мт, в зависимости от заданного значения избыточного давления ΔРф во фронте генерируемой ВУВ и расстояния от объекта испытаний до места подрыва топливовоздушной смеси Z, определяют по соотношению
М_т=К•(ΔР_ф)^1,1•Z^-0,25, (1)
где М_т - масса топлива, кг;
ΔР_ф - избыточное давление во фронте ВУВ, кгс/см²;
Z - расстояния от объекта испытаний до места подрыва топливовоздушной смеси, м;
К - эмпирический коэффициент, равный К=11,5.

Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройство достигается тем, что в известном устройстве для генерации ВУВ на основе детонации ТВС, содержащем герметичную камеру с жидким топливом и пороховым зарядом, каналы подачи топлива, распылитель, а также систему инициирования, а особенность предлагаемого устройства заключается в том, что распылитель размещен в ударной трубе, расположен по оси канала ударной трубы, выполнен составным в виде нескольких, например двух, соосных горизонтальных каналов, вдоль оси которых выполнены равноудаленные поперечные противоположно направленные секторные щели с углом раствора 165...175^o и вертикальной осью симметрии, а расстояние между щелями определено соотношением
l=L•h/d, (2)
где l - расстояние между секторными щелями, м;
L=М_т/ρ_пт - общая длина распылителя, м;
h=(0,0014...0,0015)•(ρ_пт - ширина щели, м;
d=(0,011...0,012)• - внутренний диаметр трубы распылителя, м;
ρ_пт = r²•α•ρ_в/χ² - погонная плотность топлива, кг/м;
r - радиус МАО ТВС, м;
α - стехиометрический состав смеси (для бензинов α=0,055...0,075);
ρ_в - плотность воздуха, кг/м³;
χ - эмпирический коэффициент, равный 0,6.

Концентрация топлива в смеси соответствует стехиометрическому составу, облако является мелкодисперсным и однородным по всему рабочему объему ударной трубы (размер капель не более 200-300 мкм). Конструкция устройства проста и технологична в изготовлении, а также безопасна при эксплуатации и может быть использована многократно.

Основные конструктивные размеры устройства определяются стехиометрическим составом смеси - α, заданным значением избыточного давления - ΔР_ф во фронте генерируемой ВУВ, радиусом облака топливовоздушной смеси - r и расстоянием от объекта испытаний до места подрыва ТВС - Z. Все входящие в приведенные выражения величины вычисляются по эмпирическим формулам. Оптимальный стехиометрический состав смеси для бензинов характеризуется величиной α =0,055. ..0,075. Уменьшение этого коэффициента (обедненная смесь) приводит к затуханию детонационной волны, увеличение (обогащенная смесь) приводит к последующему догоранию остатков бензина в рабочей области ударной трубы.

Длина распылителя L определяется соотношением
L=М_т/ρ_пт. (3)
Общее количество щелей n, расположенных по длине распылителя, определяется соотношением
n=L/2•1. (4)
При проектировании проверяют условие
S_щел<S_трубы (5)
где S_щел - суммарная площадь щелей, м²;
S_трубы - площадь сечения трубы распылителя, м³.

S_щел = (θ/180)•(π•d•h•n/2), (6)
где θ - угол раствора секторной щели, ^o;
S_трубы =πd²/4. (7)
Объем герметичной камеры V_б выбирают из соотношения
V_б=(1,5...2)•V_т, (8)
где V_т - объем, занимаемый топливом при нормальных условиях:
V_т=M_т/ρ_т, (9)
где ρ_т - плотность топлива, кг/м³.

Массу порохового заряда М_п, размещаемого в свободном объеме герметичной камеры, определяют по формуле
М_п=γ•(V_б-V_т), (10)
где γ - плотность заряжания порохового заряда, определяемая по величине требуемого давления вытеснения топлива из герметичной камеры и типа пороха, γ =30 кг/м³.

Пример расчета конструкции устройства для генерации ВУВ приводится ниже.

Приняв заданное значение, например ΔР_ф=1,9 кгс/см² на расстоянии от центра подрыва Z=35 м, радиуса облака r=2,5 м и α=0,07, находим массу топлива М_т и характеристики устройства:
М_т=К•(ΔР_ф)^1,1•Z^-0,25≈8 кг;
ρ_пт = r²•α•ρ_в/χ² =2,5²•0,07•1,225/0,6²≈1,5 кг/м;
L=М_т/ρ_пт=8/1,5≈5 м;
h=0,0015•1,5≈0,002 м;
d=0,012•=0,012•≈0,034 м;
l=L•h/d=5•0,002/0,034•0,29 м;
n=L/2•l=5/2•0,29≈8;
S_щел<S_трубы - условие выполняется
S_трубы=πd²/4=π•0,034²/4≈0,0009 м²;
S_щел= (Q/180)((π•d•h•n/2)= (170/180)((π•0,034•0,002•8/2)(0,0008 м²; V_т=М_т/ρ_т=8/750≈0,01 м³;
V_б=2•V_т=2•0,01≈0,02 м³;
М_п=γ•(V_б-V_т)=30•(0,02-0,01)=0,3 кг.

Определение расстояния между секторными щелями по приведенной зависимости позволяет получить однородное по длине аэрозольное облако цилиндрической формы, а генерация его в ударной трубе приводит к возможности расширения диапазона получаемых параметров ударной волны (длительность фазы сжатия - τ=0,25...0,3 с в диапазоне давлений - ΔР_ф≤5 кгс/см²).

Выполнение на каналах распылителя секторных щелей с углом раствора 165.. . 175^o позволяет более рационально использовать топливо за счет самопроизвольного заполнения внутренней области трубы распылителя при турбулентном истечении жидкого топлива на кромках щелей. При уменьшении угла раствора щелей (<165^o) снижается количество топлива, выпадающее на внутренние стенки ударной трубы, однако не обеспечивается заполнение топливом всего сечения облака. При увеличении угла раствора (>175^o) происходит более полное заполнение топливовоздушной смесью объема ударной трубы (зарядной секции), однако увеличивается количество топлива, конденсирующего на внутренние стенки ударной трубы.

Поэтому оптимальным с точки зрения формирования МАО с равномерной концентрацией по всему рабочему объему внутреннего диаметра ударной трубы в его поперечном сечении является угол раствора секторных щелей, лежащий в пределах 165...175^o.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - устройство для генерации ВУВ на основе детонации ТВС предназначено для осуществления другого заявленного объекта группы - способа генерации ВУВ на основе детонации ТВС, при этом оба объекта группы изобретений направлены на решение одной и той же задачи с получением технического результата.

Предлагаемая группа изобретений поясняется чертежами.

На фиг.1, 2 показано схематическое расположение исследуемого объекта 5 и конструктивных элементов устройства генерации ВУВ в ударной трубе 1, состоящее из герметичной камеры 3 с жидким топливом и пороховым зарядом, распылителя 2, тротилового боевика 6 для подрыва МАО 4 цилиндрической формы.

В заявленной группе изобретений предлагаемый способ может быть осуществлен в устройстве для генерации ВУВ на основе детонации ТВС.

На фиг. 3 представлено устройство для генерации ВУВ на основе детонации ТВС, которое состоит из герметичной камеры 3 с жидким топливом 11 и пороховым зарядом 10. Камера 3 содержит два канала 9 подачи жидкого топлива в составной распылитель 2, выполненный в виде соосных горизонтальных каналов с равноудаленными, поперечными, противоположно-направленными секторными щелями 7. Количество щелей распылителя 2 определяется длиной распылителя и расстоянием между щелями. Распылитель 2 расположен по оси ударной трубы (см. фиг. 1, 2). Распыление жидкого топлива 11 происходит под действием давления пороховых газов. Воспламенение порохового заряда 10 производится при подаче электрического сигнала с пульта управления 12. Одновременно с этим сигналом с пульта управления 12 через блок задержки времени 13 подается другой электрический сигнал на подрыв тротилового боевика 6. Для измерения параметров ВУВ используются датчики давления 16 и измерительная аппаратура 14, 15.

На фиг. 4 изображена одна из секторных щелей 7 распылителя 2 с углом раствора 165...175^o и вертикальной осью симметрии.

По предлагаемому способу устройство, изображенное на фиг.3, работает следующим образом. После окончания подготовительных работ, связанных с размещением устройства для генерации ВУВ на основе ТВС в ударной трубе 1, расположением распылителя 2 по оси ударной трубы, заполнением камеры 3 заданным количеством жидкого топлива 11, вводом порохового заряда 10, герметизацией камеры 3, установкой тротилового боевика 6 в заданной точке ударной трубы (см. фиг. 1, 2), подготовкой измерительной аппаратуры 14, 15 (усилитель, регистратор), производится включение пульта управления 12, с которого подается сигнал на воспламенение порохового заряда 10. В камере 3 при сжигании пороха создается необходимое избыточное давление, под действием которого жидкое топливо 11 по трубам каналов 9 для подачи жидкого топлива поступает в распылитель 2 и разбрызгивается в зарядной секции ударной трубы (см. фиг.1, 2) в виде однородного по всему объему МАО ТВС цилиндрической формы длиной, равной длине горизонтальных каналов установки, а радиус облака определяется конструкцией щели и действующим давлением пороховых газов. Через заданный промежуток времени, необходимый для выброса всей массы жидкого топлива в рабочий объем ударной трубы и формирования аэрозольного облака, блок задержки времени 13 выдает сигнал на подрыв заряда тротилового боевика 6. В процессе формирования МАО важным моментом является расчетное время задержки между началом выталкивания топлива и подачей электрического сигнала на инициирование детонации облака. Заряд подрывается откалиброванными по сопротивлению электродетонаторами, а подача сигналов на выталкивание топлива и инициирование детонации осуществляется синхронизирующей аппаратурой. В результате взрыва боевика 6 в облаке возникает детонационная волна, давление в которой составляет ~20 кгс/см². На границе МАО формируется ВУВ направленного действия. Параметры волны в облаке взрыва и вне его (в канале ударной трубы) на различных расстояниях от центра взрыва к испытываемому объекту регистрируются датчиками давления 16 и измерительной аппаратурой 14, 15.

Проведенные авторами теоретические и экспериментальные исследования взрывов с помощью предлагаемых способа и устройства для его осуществления позволили установить, что при формировании и детонации аэрозольного облака ТВС цилиндрической формы в ударной трубе параметры ВУВ (длительность фазы сжатия, удельный импульс давления) на расстояниях, где наблюдаются одинаковые давления во фронте, получаются в 2-3 раза выше, чем при взрыве ТВС сферической формы на открытой местности той же массы. Экспериментальным методом получены соотношения характеристик МАО и определены способы инициирования ТВС, дающие максимальный выход энергии для этих условий.

Для получения одинаковых параметров ВУВ при взрывах ТВС цилиндрической формы в ударной трубе требуется намного меньшее количество жидкого топлива (в 4-5 раз), чем при взрыве ТВС сферической формы в атмосфере.

В организации-заявителе для генерации ВУВ на основе детонации ТВС разработан, изготовлен и успешно прошел испытания опытный образец предлагаемого устройства, позволяющий воспроизводить параметры ВУВ, соответствующие взрыву тротилового заряда весом q≈80 кг. Установка представляет собой стальную герметичную камеру с внутренним диаметром 220 мм и высотой 860 мм. Распылитель длиной 5 м выполнен из трубы с внутренним диаметром 30 мм, на котором выполнены равноудаленные, поперечные, противоположно-направленные секторные щели с вертикальной осью симметрии, а угол раствора секторных щелей составляет 170^o. Ширина щелей 2 мм. Расстояние между щелями составляет 290 мм. В герметичную камеру заливают 8 кг низкооктанового бензина (А-72, Б-70). Пороховой заряд массой 0,3 кг создает при воспламенении давление в герметичной камере ≈20 кгс/см². МАО, создаваемое устройством, имеет форму горизонтального цилиндра диаметром 4,8...5 м и длиной 5 м. Время задержки инициирования детонации с момента выдачи сигнала на поджиг порохового заряда для распыления топлива 2 с, что соответствует времени достижения заданного размера аэрозольного облака. В экспериментах на модельной установке боевик состоит из зарядов тротиловых шашек, крепящихся на деревянном каркасе. Суммарная масса заряда составляет 2 кг.

На основании обработки экспериментальных данных получено соотношение изменения массы топлива М_т в зависимости от заданного значения избыточного давления ΔР_ф во фронте генерируемой ВУВ и расстояния от объекта испытаний до места подрыва топливовоздушной смеси Z:
М_т=К•(ΔР_ф)^1,1•Z^-0,25,
где М_т - масса топлива, кг;
ΔР_ф - избыточное давление во фронте ВУВ, кгс/см²;
Z - расстояния от объекта испытаний до места подрыва топливовоздушной смеси, м.

К - эмпирический коэффициент, равный 11,5.

Устройство генерации ВУВ на основе детонации ТВС показало хорошую распыляемость топлива, надежность детонации аэрозольного облака и подтвердило возможность получения ВУВ большой длительности в диапазоне с избыточным давлением во фронте ΔР_ф≤5 кгс/см². В процессе эксплуатации данное устройство не разрушается и может использоваться многократно.

Таким образом, изложенные сведения показывают, что при использовании заявленной группы изобретений средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в области прикладной газовой динамики, а именно к способам и устройствам для осуществления генерации ВУВ с избыточным давлением во фронте ΔР_ф≤5 кгс/см² путем распыления топлива и подрыва получаемой ТВС и может быть использовано для исследования объектов и конструкций в ударных трубах на механическое действие импульсного давления.

Для заявленной группы изобретений в том виде, как она охарактеризована в независимых пунктах изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке средств и методов.

Источники информации
1. Седжвик Р. Т. , Крат Х.Б. Исследование возможности создания стационарного имитатора ударной волны на основе топливовоздушной взрывчатой смеси. DNA001-77-0251.

2. Бенедик В. Б. Обзор широкомасштабных испытаний объемно-детонирующих смесей и методика проведения исследований. К83-087-82, contr., 811124-3, 1983 г.

3. Когарко С.М. и др. Детонация больших объемов гетерогенных бензино-воздушных смесей. Сборник "К вопросу о создании объемно-детонирующих систем", Черноголовка, 1977 г.

Изобретение относится к области прикладной газовой динамики и может быть использовано для исследования объектов и конструкций на механическое действие импульсных давлений. Способ генерации воздушной ударной волны (ВУВ) на основе детонации топливовоздушной смеси заключается в том, что создают мелкодисперсное аэрозольное облако (МАО) путем выталкивания жидкого топлива пороховым зарядом через канал подачи топлива и распылитель, инициируют его детонацию путем подрыва заряда тротилового боевика. При этом формирование МАО топливовоздушной смеси осуществляют в зарядной секции ударной трубы в форме горизонтального цилиндра, а массу топлива определяют расчетным путем в зависимости от заданного значения избыточного давления во фронте генерируемой воздушной ударной волны и расстояния от объекта испытаний до места подрыва топливовоздушной смеси. Реализующее способ устройство содержит герметичную камеру с жидким топливом и пороховым зарядом, каналы подачи топлива, распылитель, а также систему инициирования, при этом распылитель размещен в ударной трубе, расположен по оси канала ударной трубы, изготовлен составным в виде нескольких, например двух, соосных горизонтальных каналов, вдоль оси которых выполнены равноудаленные поперечные противоположно направленные секторные щели с углом раствора 165 ... 175^o и вертикальной осью симметрии, а расстояние между щелями определяется расчетным путем. Данное изобретение обеспечивает расширение диапазона получаемых параметров ВУВ. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ генерации воздушной ударной волны на основе детонации топливовоздушной смеси, при котором создают мелкодисперсное аэрозольное облако путем выталкивания жидкого топлива пороховым зарядом через канал подачи топлива и распылитель, инициируют его детонацию путем подрыва заряда тротилового боевика, отличающийся тем, что формирование мелкодисперсного аэрозольного облака топливовоздушной смеси осуществляют в зарядной секции ударной трубы в форме горизонтального цилиндра, а массу топлива в зависимости от заданного значения избыточного давления во фронте генерируемой воздушной ударной волны и расстояния от объекта испытаний до места подрыва топливовоздушной смеси, определяют по соотношению
М_т=К•(ΔР_ф)^1,1•Z^-0,25,
где M_т - масса топлива, кг;
ΔР_ф - избыточное давление во фронте воздушной ударной волны, кгс/см²;
Z - расстояния от объекта испытаний до места подрыва топливовоздушной смеси, м;
К - эмпирический коэффициент, равный 11,5. 2. Устройство для генерации воздушной ударной волны на основе детонации топливовоздушной смеси, содержащее герметичную камеру с жидким топливом и пороховым зарядом, каналы подачи топлива, распылитель, а также систему инициирования, отличающееся тем, что распылитель размещен в ударной трубе, расположен по оси канала ударной трубы, изготовлен составным в виде нескольких, например двух, соосных горизонтальных каналов, вдоль оси которых выполнены равноудаленные поперечные противоположно направленные секторные щели с углом раствора 165 ... 175^o и вертикальной осью симметрии, а расстояние между щелями определено соотношением
l=L•h/d,
где l - расстояние между секторными щелями, м;
L=M_т/ρ_пт - общая длина распылителя, м;
h=(0,0014...0,0015)•ρ_пт - ширина щели, м;
d=(0,011...0,012)•√M_т - внутренний диаметр трубы распылителя, м;
M_т - масса топлива, кг;
ρ_пт = r²×α×ρ_в/χ² - погонная плотность топлива, кг/м;
r - радиус мелкодисперсного аэрозольного облака, м;
α - стехиометрический состав смеси (для бензинов α = 0,055... 0,075);
ρ_в - плотность воздуха, кг/м³;
χ - эмпирический коэффициент, равный 0,6.