Устройство гидрокавитационного эрозионного разрушения наростов, отложений и горной породы в водной среде
Устройство гидрокавитационного эрозионного разрушения наростов, отложении и горной породы в водной среде, содержащее пустотелый открытый с двух сторон корпус и тело кавитации, закрепленное в центре него продольно, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит пустотелый диффузор, корпус внутри представляет собой двухступенчатую цилиндрическую камеру, у которой диаметр первой ступени, являющейся входом устройства, равен 0,5 диаметра второй ступени или меньше этого, а тело кавитации является пустотелым конфузором с сужением его канала и внешней формы с волнообразной поверхностью по направлению движения струи от входа устройства, причем диффузор является съемным и своим меньшим диаметром ввинчивается внутрь второй ступени корпуса, проникая в нее на половину ее длины, а своим расширением образует выход устройства, хвостовик тела кавитации начинается на входе устройства, а его наконечник незначительно заходит в диффузор, при этом отношения наименьших диаметров диффузора и конфузора равно 1,25-2,0.
Устройство относится к областям строительства, горного дела, геологии и добычи полезных ископаемых и может быть использовано для бурения или разрушения естественных и искусственных препятствий.
Широко известны устройства, использующие для разрушения преград гидравлический удар, недостатком которых является весьма высокое требуемое гидравлическое давление: 500-1000 атмосфер. Снизить гидравлическое давление возможно за счет возбуждения в струйном потоке кавитации.
Например, известно изобретение «Способ инициирования кавитирующей струи жидкости» (патент №2060344 по МПК Е 21 В 7/18, Бюл. №14 за 1996 г.), в котором описано устройство кавитации, содержащее корпус, внутри которого располагается тело кавитации (в известном изобретении - центральное тело), на вход которых подают исходную струю, а на выходе которых получают кавитирующкую струю.
Недостатком известного устройства является необходимость подавать на его вход пара от паровой магистрали или парового котла, что создает дополнительные неудобства. Но существеннее то, что в известном устройстве не определены геометрические формы и соотношения тела кавитации и полости корпуса, что определяет условия возбуждения кавитации и ее мощности.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является изобретение «Смеситель» (патент №2081689 по МПК B 01 F 5/00, Бюл. №17 за 1997 г.), содержащий пустотелый открытый с двух сторон корпус, внутри которого закреплено тело кавитации (в известном устройстве - кавитаторы).
Данное известное устройство, имеющее простейший цилиндрический корпус и тело кавитации из нескольких усеченных конусов, не обладает оптимальной геометрией корпуса и тела кавитации для получения максимальной мощности кавитационного процесса, что подтверждают результаты исследований, проведенных авторами настоящей заявки.
Целью заявленного технического решения является устранение указанного выше недостатка, точнее - получение максимальной мощности кавитационной струи воды за счет оптимизации геометрической формы и соотношений отдельных частей тела кавитации и корпуса устройства.
Указанная цель достигается тем, что устройство гидрокавитационного эрозионного разрушения наростов, отложений и горной породы в водной среде, содержащее пустотелый открытый с двух сторон корпус и тело кавитации, закрепленное в центре него продольно, дополнительно содержит пустотелый диффузор, корпус внутри представляет собой двухступенчатую цилиндрическую камеру, у которой диаметр первой ступени, являющейся входом устройства, равен 0,5 диаметра второй ступени, а тело кавитации является пустотелым конфузором с сужением его канала и внешней формы с волнообразной поверхностью по направлению движения струи от входа устройства, причем диффузор является съемным и своим меньшим диаметром ввинчивается внутрь второй ступени корпуса, проникая в нее на половину ее длины, а своим расширением образует выход устройства, хвостовик тела кавитации начинается на входе устройства, а его наконечник заходит в диффузор, при этом отношения наименьших диаметров диффузора и конфузора равно 2,0.
Технический результат заявленного устройства состоит в увеличении мощности кавитационной струи в 2-3 раза, а также в существенном снижении стоимости оборудования, обусловленном снижением требуемого гидравлического давления до 90-200 атмосфер.
На фиг.1 представлен эскиз заявляемого устройства. Устройство содержит корпус 1 с первой ступенью 1.1 и второй ступенью 1.2, тело 2 кавитации с хвостиком 2.1 наконечником 2.2, волнообразной поверхностью 2.3 и каналом 2.4, диффузор 3 с наименьшим диаметром 3.1, расширением 3.2 и резьбой 3.3, рукав 4 для подачи воды с сочленяющим разъемом 4.1 и запорным механизмом 4.2.
Для пояснений также показаны направление 5 движения струи воды и оптимальное расстояние 6 до разрушаемой преграды 7.
Крепление, например, с помощью спиц тела 2 кавитации внутри корпуса 1 не показано в силу не принципиальности этого в рамках заявленного технического решения. По той же причине не показаны направляющие и удерживающие средства, ориентирующие устройство в пространстве.
Диаметр первой ступени 1.1 камеры корпуса 1 равен 0,5 диаметра второй ступени 1.2, а тело 2 кавитации является пустотелым конфузором с сужением его канала 2.4 и волнообразной поверхностью 2.3 по направлению 5 движения струи.
Отношение наименьших диаметров диффузора 3 и конфузора 2 (соответственно 3.1 и 2.2 - диаметр наконечника) равно 2,0.
Устройство работает следующим образом.
Пусть устройство направлено на дне моря на горную породу 7 и удерживается на расстоянии 6 от этой преграды. Необходимо отметить, что экспериментально установлено, что наилучшие результаты устройство показывает при расстоянии до преграды от края диффузора 3 равном 20-1500 мм.
После чего открывают запорный механизм 4.2 и направляют струю воды по направлению 5 через устройство. В силу изменяющейся площади сечения устройства (максимальная - на входе устройства, затем при движении в первой ступени - постепенно уменьшается, далее во второй ступени - резко увеличивается, а затем на входе диффузора - резко уменьшается) водная струя испытывает вынужденные колебания. Эти колебания усиливаются за счет смешения двух потоков, проходящих разные пути через тело 2 кавитации и вне его, а также за счет волнообразной поверхности тела 2 кавитации. Устройство
представляет собой генератор колебаний, параметры которого подобраны экспериментально. Возникают микроударные волны (импульсы сжатия), вызывающие локальное нагревание среды и ионизацию, что приводит к разрушению находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), т.е. - преграды 7.
Устройство гидрокавитационного эрозионного разрушения наростов, отложений и горной породы в водной среде, содержащее пустотелый открытый с двух сторон корпус и тело кавитации, закрепленное в центре него продольно, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит пустотелый диффузор, корпус внутри представляет собой двухступенчатую цилиндрическую камеру, у которой диаметр первой ступени, являющейся входом устройства, равен 0,5 диаметра второй ступени, а тело кавитации является пустотелым конфузором с сужением его канала и внешней формы с волнообразной поверхностью по направлению движения струи от входа устройства, причем диффузор является съемным и своим меньшим диаметром ввинчивается внутрь второй ступени корпуса, проникая в нее на половину ее длины, а своим расширением образует выход устройства, хвостовик тела кавитации начинается на входе устройства, а его наконечник заходит в диффузор, при этом отношения наименьших диаметров диффузора и конфузора равно 2,0.
