СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УДАРНЫХ ВОЛН ВЫСОКИХ И СВЕРХВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ В ГАЗАХ Российский патент 2006 года по МПК F15B21/12 

Изобретение относится к созданию импульсных давлений в газах посредством электрического разряда и, в частности, электрического взрыва проводника. Изобретение может быть применено в различных технологических процессах и устройствах, в которых используются направленные ударные волны высоких и сверхвысоких давлений и потоков газов.

Известен способ получения высоких и сверхвысоких давлений (патент №2025173 C1, B 21 D 26/12, 12.30.1994), в котором осуществляют коронный разряд в электролите в системе электродов острие-плоскость. Удельная электропроводность электролита превышает 8 См/м, а острие образуют одним из краев плоской металлической фольги, охваченной диэлектриком. При выполнении края фольги в форме окружности обрабатываемый объект помещают в ее центр, где расположена зона взаимодействия концентрически сходящихся волн давления и потоков.

Недостатком известного способа является то, что приходится использовать агрессивную среду повышенной концентрации, которую необходимо размещать в прочном, герметически изолированном, замкнутом объеме, что влечет за собой увеличение объемов расходных материалов. Кроме того, сам обрабатываемый объект также должен находиться в агрессивной среде и иметь малые геометрические параметры. Перечисленные причины существенным образом ограничивают возможности применимости данного способа.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ получения ударных волн большой интенсивности в газах посредством электрического разряда (К.В.Корытченко, Ю.А.Волколупов, М.А.Красноголовец, М.А.Острижной, В.И.Чумаков. Метод получения ударных волн большой интенсивности электрическим разрядом в газах. Журнал технической физики. 2002. том 72. вып.11). Данный способ включает следующие операции: соосное расположение на концах цилиндрической полости, выполненной в механически прочном диэлектрическом теле, электродов, ограничивающих полость и имеющих подающий и выходной каналы, создание внешним источником потока газа, протекающего последовательно по подающему каналу электрода, цилиндрической полости механически прочного диэлектрического тела и выходному каналу электрода, и возбуждение в цилиндрической полости механически прочного диэлектрического тела ударной волны посредством осуществления электрического разряда между электродами.

Недостатком известного способа является то, что при осуществлении электрического разряда по представленной схеме в потоке газа формируется цилиндрическая, расходящаяся ударная волна, распространяющаяся в радиальном направлении, относительно оси цилиндрической полости механически прочного диэлектрического тела. Волновой фронт ударной волны перемещается перпендикулярно ламинарному движению газового потока, тем самым изначально не создается условие направленности, что отрицательно сказывается на формировании ударной волны высокого и сверхвысокого давления. В процессе протекания процесса волна претерпевает многократные отражения от стенок цилиндрической полости механически прочного диэлектрического тела и электродов, что приводит к значительным потерям энергии, снижению степени эффективности способа, уменьшению КПД.

Техническим результатом данного изобретения является получение направленной ударной волны высокого и сверхвысокого давления с использованием динамических свойств газовых потоков и энергии электрического взрыва металлических проводников, повышение КПД.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе получения ударных волн высоких и сверхвысоких давлений в газах, включающем соосное расположение на концах цилиндрической полости, выполненной в механически прочном диэлектрическом теле, электродов, ограничивающих полость и имеющих подающий и выходной каналы, создание внешним источником потока газа, протекающего последовательно по подающему каналу электрода, цилиндрической полости механически прочного диэлектрического тела и выходному каналу электрода, и возбуждение в цилиндрической полости механически прочного диэлектрического тела ударной волны, используют электрически взрывающийся элемент, выполненный в виде плоского кольца из фольги, площадь сечения которого уменьшается по линейному закону от центра к периферии, размещают его на плоскости механически прочного диэлектрического тела, выполненного в виде пластины, в отверстии которой устанавливают электрод с подающим каналом, соединяемый с центральной частью плоского кольца из фольги электрическим контактом, а периферийную часть соединяют с торцом электрода с выходным каналом, имеющего соосную незамкнутую полость, криволинейная поверхность которой выполнена в виде усеченного тела вращения функции подобной "Локон Аньези", а выходной канал представляет собой сопло Лаваля, в полости, ограниченной плоскостью механически прочной диэлектрической пластины и внутренней поверхностью электрода с выходным каналом, находящихся в жестком механическом соединении между собой, производится электрический взрыв плоского кольца из фольги.

Применение электрически взрывающегося элемента позволяет создавать в представленной конфигурации электродов однородную ударную волну.

Использование в качестве электрически взрывающегося элемента плоского кольца из фольги позволяет возбуждать в полости с газовым потоком плоскую ударную волну направленного действия. Благодаря переменной площади сечения плоского кольца из фольги, уменьшающейся по линейному закону от центра к периферии, создается условие постоянства плотности электрического тока в сечении плоского кольца из фольги. При подаче высокого напряжения на электроды от внешнего источника, по плоскому кольцу из фольги в радиальном направлении протекает ток большой плотности, приводящий к осуществлению однородного взрыва. В полости возбуждается симметричная относительно оси ударная волна с однородным распределением давления вдоль волновых поверхностей, что является одним из условий повышения КПД.

Полость образуется двумя конструктивными элементами - плоской поверхностью механически прочной диэлектрической пластины, в отверстии которой расположен электрод с подающим каналом, и криволинейной внутренней поверхностью второго электрода, имеющего выходной канал в виде сопла Лаваля. Плоская поверхность механически прочной диэлектрической пластины, на которую опирается плоское кольцо из фольги, играет роль рефлектора и предназначена для эффективного отражения ударной волны, генерируемой взрывающимся плоским кольцом из фольги. Отраженная и бегущая волна накладываются друг на друга, и вследствие эффекта нелинейности взаимодействия результирующая волна имеет повышенную амплитуду.

Криволинейная поверхность полости электрода в виде усеченного тела вращения функции вида "Локон Аньези" предназначена для преобразования фронта ударной волны и перераспределения потока энергии в полости. За счет плавности образующей полость электрода линии возникающие при отражении от стенок полости энергетические потери будут минимальными, что влечет за собой увеличение КПД.

Выполнение выходного канала в виде сопла Лаваля обеспечивает формирование газового потока, распространяющегося со сверхзвуковой скоростью. По создавшемуся стационарному сверхзвуковому потоку газа распространяется ударная волна, сгенерированная электрическим взрывом плоского кольца из фольги повышенной амплитуды. Таким образом, при наложении двух течений в пространстве за срезом сопла Лаваля возникает результирующая ударная волна высокого и сверхвысокого давления.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема способа получения ударных волн высокого и сверхвысокого давления в газах с использованием электрода, в котором выполнена полость в виде усеченного тела вращения функции "Локон Аньези", на фиг.2 - плоское кольцо из фольги с переменным сечением от центра к периферии, на фиг.3 - усеченное тело вращения функции "Локон Аньези", на фиг.4 - схема способа получения ударных волн высокого и сверхвысокого давления в газах с использованием электрода, в котором выполнена полость в виде тела вращения параболической функции.

Электрод 1 (фиг.1) выполнен в виде стержня с конусной частью и имеет соосный подающий сквозной канал 2. Электрод 1 расположен в отверстии механически прочной диэлектрической пластины 3, на плоскую поверхность которой опирается плоское кольцо из фольги 4, с переменным сечением от центра к периферии (фиг.2). Центральная часть плоского кольца из фольги 4 соединена с электродом 1 электрическим контактом, а периферийная часть соединена с торцом второго электрода 5. Второй электрод 5 представляет собой цилиндр, имеющий соосную незамкнутую полость 6, криволинейная поверхность которой выполнена в виде усеченного тела вращения функции подобной "Локон Аньези", а также выходной канал 7, который представляет собой сопло Лаваля. Тело вращения, описываемое функцией вида "Локон Аньези" (фиг.3), определяется выражением - где R(z) - радиус тела с координатой z, совпадающей с осью полости 6, d - некоторая константа, определяющая геометрические размеры полости 6. Электроды 1 и 2 расположены коаксиально относительно друг друга, механически прочная диэлектрическая пластина 3 и электрод 5 жестко соединены между собой, в частности, резьбовым соединением. Полость 6 может быть выполнена в виде тела вращения параболической функции (фиг.4).

Предложенный способ получения ударных волн высоких и сверхвысоких давлений в газе состоит в следующем. Ламинарный поток газа по подающему каналу 2 в электроде 1 поступает в полость 6, которая предназначена для организации протекания газового потока и направленного распространения ударной волны. В силу того что диаметры каналов различны, газ в полости находится при повышенном давлении. Путем подачи высокого напряжения на электроды 1 и 5 осуществляется электрический взрыв плоского кольца из фольги 4. Для осуществления более надежного электрического контакта центральная и периферийная части плоского кольца из фольги 4 завальцованы. При электрическом взрыве плоского кольца из фольги 4 в безграничном пространстве формируются две плоские ударные волны, распространяющиеся в противоположных направлениях. В представляемом способе электрический взрыв плоского кольца из фольги 4 производится в пространстве, ограниченном плоскостью поверхности механически прочного диэлектрической пластины 3 и внутренней криволинейной поверхностью полости 6 электрода 5. Причем одна из поверхностей плоского кольца из фольги 4 опирается на плоскость поверхности механически прочной диэлектрической пластины 3, от которой в процессе взрыва плоского кольца из фольги 4 происходит отражение. Отраженная от поверхности механически прочной диэлектрической пластины 3 волна распространяется по газовому потоку, находящемуся в возмущенном состоянии вследствие прошедшей бегущей волны, и догоняет последнюю. Таким образом, в полости 6 происходит наложение волн, бегущих в одном направлении в сторону расположения сопла Лаваля 7, в результате чего амплитуда возникшей результирующей волны увеличивается вдвое и более вследствие эффекта нелинейности взаимодействия (М.А.Исаакович. Общая акустика. М.: Наука. 1973. - 496 с.). Результирующая ударная волна увеличенной амплитуды давления распространяется по газу с повышенным давлением вследствие наличия потока газа в полости 6 электрода 5, причем плотность потока газа, протекающего через канал сопла Лаваля, стремится к критическому значению j_*=ρ_*υ_* (Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Теоретическая физика. Гидродинамика. М.: Наука. 1986). Внутренняя криволинейная поверхность полости 6 выполнена таким образом, чтобы минимизировать потери энергии при отражении ударной волны от стенки за счет плавности образующей линии. Это достигается путем выполнения соосно электроду 5 тела вращения функции вида "Локон Аньези ". В процессе распространения волны в полости 6 происходит ее трансформация с изменением волнового фронта и перераспределением энергии в пространстве. Волновой фронт 8 ориентирован перпендикулярно криволинейной поверхности полости 6. При приближении волнового фронта к каналу сопла Лаваля происходит уменьшение удельного объема и соответственно увеличение плотности потока энергии волны, который достигает максимального значения в области начала канала сопла Лаваля 7. Наложение двух возникающих течений, а именно вытекающий из сопла Лаваля со сверхзвуковой скоростью газовый поток и распространяющаяся по нему ударная волна повышенной амплитуды формируют в пространстве направленную ударную волну высокого и сверхвысокого давления.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет создавать ударные волны в газах высоких и сверхвысоких амплитуд давлений.

Изобретение может быть применено в технологических процессах и устройствах, в которых используются направленные ударные волны высоких и сверхвысоких давлений и потоков газов. Способ получения ударных волн высоких и сверхвысоких давлений в газе включает в себя соосное расположение электродов, имеющих подающий и выходной каналы, и соединение их электрическим контактом с взрывающимся элементом, выполненным в виде плоского кольца из фольги. Кольцо располагается на плоскости диэлектрического тела в виде пластины. В отверстии пластины устанавливают электрод с подающим каналом, соединяемый с центральной частью кольца, а периферийную часть соединяют с торцом электрода с выходным каналом. Второй электрод имеет соосную незамкнутую полость, криволинейная поверхность которой выполнена в виде усеченного тела вращения функции подобной "Локон Аньези", а выходной канал представляет собой сопло Лаваля. Внешним источником создается поток газа, протекающего последовательно по подающему каналу электрода, полости, ограниченной плоскостью механически прочной диэлектрической пластины и внутренней поверхностью электрода с выходным каналом, и по выходному каналу. Пластина и электрод находятся в жестком механическом соединении между собой. Производится электрический взрыв кольца, вследствие чего на выходе создается ударная волна высокого давления. Повышается КПД. 4 ил.

Способ получения ударных волн высоких и сверхвысоких давлений в газе, включающий соосное расположение на концах цилиндрической полости, выполненной в механически прочном диэлектрическом теле, электродов, ограничивающих полость и имеющих подающий и выходной каналы, создание внешним источником потока газа, протекающего последовательно по подающему каналу электрода, цилиндрической полости механически прочного диэлектрического тела и выходному каналу электрода, и возбуждение в цилиндрической полости механически прочного диэлектрического тела ударной волны, отличающийся тем, что используют электрически взрывающийся элемент, выполненный в виде плоского кольца из фольги, площадь сечения которого уменьшается по линейному закону от центра к периферии, размещают его на плоскости механически прочного диэлектрического тела, выполненного в виде пластины, в отверстии которой устанавливают электрод с подающим каналом, соединяемый с центральной частью плоского кольца из фольги электрическим контактом, а периферийную часть соединяют с торцом электрода с выходным каналом, имеющего соосную незамкнутую полость, криволинейная поверхность которой выполнена в виде усеченного тела вращения функции, подобной "Локон Аньези", а выходной канал представляет собой сопло Лаваля, в полости, ограниченной плоскостью механически прочной диэлектрической пластины и внутренней поверхностью электрода с выходным каналом, находящихся в жестком механическом соединении между собой, производится электрический взрыв плоского кольца из фольги.