Способ создания импульсных высокоскоростных струй слабопроводящих жидкостей и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к магнитогидродинамической технике. Сущность изобретения: способ создания импульсных высокоскоростных струй слабопроводящих жидкостей заключается в том, что слабопроводящую жидкость вводят в продолговатый канал порционально с созданием газового промежутка со стороны, противоположной направлению перемещения импульсных высокоскоростных струй слабопроводящей жидкости, и для каждой порции жидкости создают плазменный столб, через который пропускают разрядный ток одновременно с пропуском электрического тока через слабопроводящую жидкость, и в результате взаимодействия разрядного тока с внешним магнитным полем происходит ускорение порции слабопроводящей жидкости. Для этого в устройстве для осуществления указанного способа ствол, имеющий вытянутые ускоряющие электроды, образующие продолговатый канал для порции слабопроводящей жидкости, имеет отсек для создания плазменного столба, в котором между ускоряющими электродами расположен поджигающий электрод, и соединен с дозатором для подачи порций слабопроводящей жидкости в канал ствола. 2 с. и 7 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к магнитогидродинамической технике и может быть использовано для пробивания отверстий в твердых материалах, а также для механического воздействия на твердые тела: для резки, чистки и т.п.

Широко известны способы создания высоконапорных струй жидкостей и устройства для их осуществления. Большинство таких устройств содержит камеру с жидкостью, источник высокого давления и сопло. Скорость жидкости ограничена величиной напорного давления, которое, в свою очередь, ограничено прочностью камеры.

Для технологических применений в качестве источника энергии наиболее удобно, как правило, применять электроэнергию. При этом высокое давление в разрядной камере обычно получают за счет электрогидравлического эффекта от электрического разряда в жидкости. Однако при этом получаются очень высокие импульсные давления, что приводит к необходимости использования в конструкции специальных материалов.

Кроме того, из-за потерь энергии разряда на сжимание жидкости при высоких давлениях и на излучение из-за высоких температур в канале разряда давление в разрядной камере быстро падает со временем, что снижает эффективность разгона жидкости.

В некоторых способах и устройствах для их осуществления разгон жидкости осуществляют совместным воздействием высокого давления от электрогидравлического эффекта и сил электромагнитной породы.

Так, известен способ создания импульсных высокоскоростных жидкостей, заключающийся в том, что приводят во взаимодействие поток электрического тока, пропускаемого через жидкость, помещенную в продолговатый канал, с внешним магнитным полем, прикладываемым нормально направлению потока в жидкости (Повх И.Л. Техническая гидродинамика, Л. Машиностроение, 1969, с.472).

Известно устройство для создания импульсных высокоскоростных струй жидкостей, осуществляющее вышеуказанный способ и содержащее ствол, имеющий вытянутые ускоряющие электроды, образующие продолговатый канал для размещения жидкости и соединенные с источником питания, и магнитную систему, создающую внешнее магнитное поле, нормальное ускоряющим электродам (смотри там же).

Указанный способ и устройство для его осуществления предназначены в основном для перекачки хорошо проводящих жидкостей (расплавленных металлов). При разгоне таким способом электролитов жидкость быстро нагревается проходящим через нее током до закипания, после чего происходит электрический пробой столбика жидкости и его разрушение. Расчеты показывают, что разгон электролита типа морской воды ограничен из-за указанного эффекта скоростями 150-200 м/с.

Известен способ создания импульсных высокоскоростных струй жидкостей, заключающийся в том, что приводят во взаимодействие поток электрического тока, пропускаемого через жидкость, помещенную в кольцеобразный канал, с внешним бегущим магнитным полем (Брановер Г.Г. Цинобер А.Б. Магнитная гидродинамика несжимаемых сред, М. Наука, 1970, с.330-332).

В указанном способе бегущее магнитное поле воздействует на плавающие в жидкости твердые тела, имеющие высокую электропроводность и специальные ферромагнитные вставки.

Известно устройство для создания импульсных высокоскоростных струй жидкостей, осуществляющее вышеуказанный способ и содержащее кольцеобразный канал для размещения жидкости и твердых тел, имеющих высокую электропроводность, ферромагнитные вставки и индуктор бегущего магнитного поля (смотри там же).

Указанный способ и устройство для его осуществления при использовании для ускорения порций жидкости требуют непрерывной подачи тел-посредников, поскольку они вылетают из устройства вместе с порциями жидкости.

Известны способ создания импульсных высокоскоростных струй жидкостей, в том числе и слабопроводящих, и устройство для его осуществления, в которых ограничение, связанное с низкой проводимостью жидкости, устранено (Механика жидкости и газа, N 5, 1988, с.39-44).

Указанный способ создания импульсных высокоскоростных струй слабопроводящих жидкостей заключается в том, что приводят во взаимодействие поток электрического тока, пропускаемого через слабопроводящую жидкость, помещенную в продолговатый канал, с внешним магнитным полем, прикладываемым нормально направлению потока электрического тока, создаваемого в слабопроводящей жидкости (смотри там же).

В указанном способе поток слабопроводящей жидкости вводят в продолговатый канал непрерывно, а электрический разряд осуществляют непосредственно в жидкости.

Известно устройство для создания импульсных высокоскоростных струй слабопроводящих жидкостей, осуществляющее вышеуказанный способ и содержащее ствол, имеющий вытянутые ускоряющие электроды, образующие продолговатый канал для размещения слабопроводящей жидкости и соединенные с источником питания, и магнитную систему, создающую внешнее магнитное поле, нормальное ускоряющим электродам (смотри там же).

В указанном устройстве ускоряющие электроды расположены коаксиально. Один из торцов ствола герметично закрыт дном из диэлектрика. Кольцевой объем между электродами заполнен жидкостью. Вблизи дна электроды соединены между собой тонкой проволочной перемычкой. На электроды подают напряжение в несколько киловольт. При этом проволочная перемычка взрывообразно разрушается и жидкость ускоряется за счет электрогидравлического эффекта. Под действием тока, протекающего по коаксиальным электродам, в зазоре между ними образуется кольцевое магнитное поле. Взаимодействие тока в разрядном промежутке с магнитным полем приводит к появлению дополнительной ускоряющей силы, действующей на жидкость.

В указанном устройстве для осуществления вышеописанного способ сложно обеспечить высокую частоту повторения рабочего цикла из-за необходимости установки проволочной перемычки. Кроме того, необходимо предъявлять высокие требования к прочности материалов устройства, что связано с высокими давлениями при взрывном разрушении перемычки.

Большая энергоемкость источника питания, требуемая для создания и поддержания магнитного поля высокой напряженности в течение всего времени разгона жидкости, приводит к большим габаритам и весу источника питания, а значит, и всего устройства в целом.

Из-за низкой проводимости жидкости в указанном способе и устройстве для его осуществления невозможно пропускать ток непосредственно через жидкость, иначе последняя вскипает, не достигнув требуемой скорости.

В основу изобретения положена задача разработки способа создания импульсных высокоскоростных струй слабопроводящих жидкостей, по которому слабопроводящую жидкость вводят в продолговатый канал и создают такие условия для ее разгона, что позволяют максимально увеличить скорость и частоту выброса струй, а также создать простое устройство для создания импульсных высокоскоростных струй слабопроводящих жидкостей, которое так конструктивно выполнено, что позволяет осуществить вышеуказанный способ.

Это достигается тем, что по способу создания импульсных высокоскоростных струй слабопроводящих жидкостей, заключающемуся в том, что приводят во взаимодействие поток электрического тока, пропускаемого через слабопроводящую жидкость, помещенную в продолговатый канал, с внешним магнитным полем, прикладываемым нормально направлению потока электрического тока, создаваемого в слабопроводящей жидкости, согласно изобретению слабопроводящую жидкость вводят в продолговатый канал порционально с созданием газового промежутка со стороны, противоположной направлению перемещения импульсных высокоскоростных струй слабопроводящей жидкости, и для каждой порции слабопроводящей жидкости в этом газовом промежутке создают плазменный столб, через который пропускают разрядный ток одновременно с пропуском электрического тока через слабопроводящую жидкость, в результате чего при взаимодействии разрядного тока с внешним магнитным полем происходит ускорение порции слабопроводящей жидкости.

Порцию слабопроводящей жидкости можно разделить на отдельные части, отделенные одна от другой плазменными промежутками.

Желательно, чтобы создание газового промежутка осуществляли путем выбора заданного участка ввода порции слабопроводящей жидкости в продолговатый канал со стороны его боковой стенки.

Целесообразно, чтобы создание газового промежутка осуществляли путем ввода порции слабопроводящей жидкости в продолговатый канал со стороны его торца и отрыва порции слабопроводящей жидкости от этого торца.

Разумно, чтобы отрыв порции слабопроводящей жидкости от торца продолговатого канала осуществляли путем перекрытия потока слабопроводящей жидкости, подаваемой поз избыточным давлением, большим статического давления в торце продолговатого канала.

Вполне разумно, чтобы отрыв порции слабопроводящей жидкости от торца продолговатого канала осуществляли путем подачи газа в течение времени между соседними порциями слабопроводящей жидкости.

Это достигается также тем, что в устройстве для создания импульсных высокоскоростных струй слабопроводящих жидкостей, осуществляющем вышеуказанный способ и содержащем ствол, имеющий вытянутые ускоряющие электроды, образующие продолговатый канал для размещения слабопроводящей жидкости и электрически соединенные с источником питания, и магнитную систему, создающую внешнее магнитное поле, нормальное ускоряющим электродам, согласно изобретению ствол имеет отсек для создания плазменного столба и предусмотрены поджигающий электрод, расположенный в этом отсеке между ускоряющими электродами, и дозатор для подачи порций слабопроводящей жидкости в продолговатый канал ствола.

Дозатор может быть соединен с продолговатым каналом ствола за отсеком ствола по направлению перемещения высокоскоростных струй слабопроводящей жидкости или с торцом продолговатого канала ствола со стороны отсека.

Преимущества предлагаемых способа и устройства для его осуществления заключаются в том, что простыми средствами обеспечивается максимальное увеличение скорости и частоты выброса струй слабопроводящей жидкости.

На фиг. 1 изображена общая схема предлагаемого устройства для создания импульсных высокоскоростных струй слабопроводящих жидкостей, осуществляющего заявляемый способ (перед началом ускорения слабопроводящей жидкости); на фиг. 2 общая схема варианта выполнения предлагаемого устройства, осуществляющего заявляемый способ.

Предлагаемый способ создания импульсных высокоскоростных струй слабопроводящих жидкостей заключается в том, что приводят во взаимодействие поток электрического тока, пропускаемого через слабопроводящую жидкость, помещенную в продолговатый канал, с внешним магнитным полем, прикладываемым нормально направлению потока электрического тока, создаваемого в слабопроводящей жидкости. Слабопроводящую жидкость вводят в продолговатый канал порционально с созданием газового промежутка со стороны, противоположной направлению перемещения импульсных высокоскоростных струй слабопроводящей жидкости, и для каждой порции слабопроводящей жидкости в этом газовом промежутке создают плазменный столб, через который пропускают разрядный ток одновременно с пропуском электрического тока через слабопроводящую жидкость, в результате чего при взаимодействии разрядного тока с внешним магнитным полем происходит ускорение порции слабопроводящей жидкости.

Создание газового промежутка в первом варианте выполнения предлагаемого способа осуществляют путем ввода порции слабопроводящей жидкости в продолговатый канал со стороны его боковой стенки.

Таким образом, разрядный ток проходит через хорошо проводящий плазменный столб, который механически давит на разгоняемую порцию жидкости. Слабопроводящая жидкость и плазменный столб оказываются параллельно подсоединенными. Поскольку проводимость плазмы в разряде на несколько порядков превышает проводимость жидкости, то разогрев жидкости электрическим током незначителен и вскипания не происходит. Для облегчения образования плазменного столба и исключения возникновения высоких давлений при пробое жидкости создают плазменный столб не в жидкости, а в газе позади порции жидкости. Для этого порцию жидкости перед разгоном располагают путем выбора места ввода в ствол так, чтобы по обе стороны от нее был газовый промежуток. Этот промежуток с нужной стороны от столбика жидкости ионизируется импульсом высокого напряжения (поджигающий импульс). Одновременно с импульсом высокого напряжения подают ускоряющее напряжение. Если ускоряющее напряжение подать позже поджигающего импульса, то ионизированный газ может уже потерять проводимость и разряда не произойдет, а если раньше, то столбик жидкости окажется подключенным к высокому напряжению и может произойти его вскипание и электрический пробой. Пробой в объеме жидкости ведет к разбрызгиванию жидкости.

Создание газового промежутка во втором варианте выполнения предлагаемого способа осуществляют путем ввода порции слабопроводящей жидкости в продолговатый канал со стороны его торца и отрыва порции слабопроводящей жидкости от этого торца. Отрыв порции слабопроводящей жидкости от торца продолговатого канала в этом варианте осуществляют путем перекрытия потока слабопроводящей жидкости, подаваемой под избыточным давлением, большим статического давления в торце продолговатого канала, а порцию слабопроводящей жидкости разделяют на отдельные части, отделенные одна от другой плазменными промежутками. Остальные приемы способа выполняют аналогично, как это описано выше в первом варианте выполнения способа.

Третий вариант выполнения предлагаемого способа осуществляют аналогично второму варианту выполнения способа. Отличие заключается в том, что отрыв порции слабопроводящей жидкости от торца продолговатого канала осуществляют путем подачи газа в течение времени между соседними порциями слабопроводящей жидкости.

При осуществлении предлагаемого способа следует иметь в виду, что порцию слабопроводящей жидкости можно разделить на части и в первом варианте его выполнения. Кроме того, следует иметь в виду, что предлагаемым способом можно ускорять любые слабопроводящие жидкости, в том числе и воду.

Предлагаемое устройство содержит ствол 1 (фиг.1), имеющий вытянутые ускоряющие электроды 2 и 3, образующие совместно с диэлектрическими прокладками 4 и 5, расположенными на вытянутых поверхностях электродов 2 и 3, продолговатый канал 6 для размещения порции слабопроводящей жидкости 7. Электроды 2 и 3 электрически соединены с источником 8 питания. Устройство содержит также магнитную систему 9, создающую внешнее магнитное поле, нормальное ускоряющим электродам 2 и 3, и дозатор 10 для подачи порции слабопроводящей жидкости 7 в продолговатый канал 6 ствола 1. Ствол 1 имеет отсек 11 для создания плазменного столба, в котором между ускоряющими электродами 2 и 3 расположен поджигающий электрод 12. Магнитная система 9 содержит соленоиды 13 и 14, охватывающие ствол 1. Одни из концов проводников соленоидов 13 и 14 соединены с электродами 2 и 3 соответственно. Другой конец проводника соленоида 13 соединен через ключ 15 с источником 8 питания и через сопротивления 16 с первичной обмоткой 17 импульсного трансформатора 18, соединенной с другим концом проводника соленоида 14. Вторичная обмотка 19 трансформатора 18 одним концом соединена через сопротивление 20 с поджигающим электродом 12, а другим концом с электродом 3 и одним из концов проводника соленоида 14. Параллельно источнику 8 питания подключен диод 21 и конденсаторная батарея 22, соединенная с ключом 15 и с первичной обмоткой 17 трансформатора 18 и концом проводника соленоида 14.

В описываемом варианте устройства, осуществляющего предлагаемый способ, дозатор 10 соединен с продолговатым каналом 6 ствола 1 за отсевом 11 ствола 1 по направлению перемещения высокоскоростных струй слабопроводящей жидкости (направление стрелки А). Дозатор 10 соединен с резервуаром 23.

Устройство, представленное на фиг.2, выполнено аналогично устройству по фиг. 1. Отличие заключается в том, что оно осуществляет второй и третий варианты выполнения предлагаемого способа, по которым порция слабопроводящей жидкости 7 разделена на отдельные части 24, отделенные одна от другой плазменными промежутками, поэтому дозатор 10 соединен с торцом 25 канала 6 ствола 1 со стороны отсека 11 и имеется блок 26 управления трансформатором 18. Стрелками Б показано направлена магнитного поля.

Принцип работы предлагаемого устройства для создания импульсных слабопроводяших жидкостей, осуществляющего заявляемый способ, заключается в следующем.

Разгон порции слабопроводящей жидкости 7 (фиг.1) начинается при замыкании ключа 15. Трансформатор 18 дает импульс высокого напряжения, подаваемый на электрод 12. Воздух вблизи электрода 12 ионизируется и пробивается напряжением, приложенным к ускоряющим электродам 2 и 3. Ток, текущий через плазменный столб в отсеке 11, проходит также и через обмотку соленоидов 13 и 14, создающих между ускоряющими электродами 2 и 3 магнитное поле. Взаимодействие разрядного тока с магнитным полем приводит к ускорению порции жидкости 7.

После вылета порции жидкости 7 из ствола 1 и израсходовании энергии, распределенной в батарее 22, и индуктивности соленоидов 13 и 14, разряд прекращается и начинается подготовка следующего ускорительного цикла. Для этого конденсаторная батарея 22 заряжается от источника 8 питания, дозатор 10 впрыскивает очередную порцию жидкости 7 в канал 6 ствола 1. Затем процесс повторяется.

До начала ускорения порция жидкости 7 удерживается в заданном месте капиллярными силами и силами инерции, так как при частоте повторения цикла порядка 100 Гц порция жидкости 7 не успевает существенно сместиться под действием силы тяжести и других сил.

Принцип работы устройства по фиг.2 аналогичен принципу работы устройства по фиг.1. Отличие заключается в том, что ускорение очередной порции жидкости 7 начинается до вылета предыдущей порции из ствола 1. Это позволяет повысить частоту выброса порций жидкости.

При реализации второго варианта способа в устройстве по фиг.2 дозатор 10 выполняет функцию заслонки, перекрывающей поток жидкости, подаваемой под давлением по магистрали. При резком перекрытии потока порция жидкости 7 отрывается силами инерции от торца 25 ствола 1. После того, как порция жидкости 7 пройдет при движении по инерции поджигающий электрод 12, блок 26 управления через импульсный трансформатор 18 подает на поджигающий электрод 12 высоковольтный импульс, ионизирующий пары жидкости, заполняющие отсек 11 между торцом 25 ствола 1 и порцией жидкости 7. Ионизация пара приводит к пробою разрядного промежутка между ускоряющими электродами (на фиг. 2 не показаны) и началу нового цикла ускорения. Поскольку во втором варианте способа в стволе 1 одновременно находится несколько плазменных столбов, пропускающих ток (позади каждой порции жидкости), то необходимы меры для устранения шунтирующего влияния плазменных столбов одного на другой, например, путем разделения ускоряющих электродов на отдельные секции по длине ствола 1.

При реализации третьего варианта способа в устройстве по фиг.2 дозатор 10 после подачи очередной порции жидкости 7 в ствол 1 подает порцию газа, достаточную для перемещения порции жидкости 7 за пределы поджигающего электрода 12. В этом варианте жидкость может подаваться в ствол 1 при более низком давлении, чем при реализации второго варианта способа. В остальном второй и третий варианты реализации способа не различаются между собой.

Предлагаемые способ и устройство для его осуществления просты в реализации. Поскольку ток протекает через плазму, а не через жидкость, в данном устройстве можно ускорить слабопроводящие жидкости, в том числе воду. Ускорение электромагнитными силами позволяет избежать ограничения по максимальной скорости струи, связанного со сравнительно низкой величиной скорости ударной волны в газе. Обеспечив примерно постоянный разрядный ток, легко получить режим разгона, близкий к равноускоренному. В этом случае максимальное давление жидкости на стенки устройства имеет минимальное значение при прочих равных условиях. Это позволяет изготовить устройство из доступных материалов. Устройство конструктивно несложно. Нет высоких требований к прочности материалов.

Формула изобретения

1. Способ создания импульсных высокоскоростных струй слабопроводящих жидкостей, заключающийся в том, что приводят во взаимодействие поток электрического тока, пропускаемого через слабопроводящую жидкость, помещенную в продолговатый канал, с внешним магнитным полем, прикладываемым нормально направлению потока электрического тока, создаваемого в слабопроводящей жидкости, отличающийся тем, что слабопроводящую жидкость вводят в продолговатый канал порционально с созданием газового промежутка со стороны, противоположной направлению перемещения импульсных высокоскоростных струй слабопроводящей жидкости, и для каждой порции слабопроводящей жидкости в этом газовом промежутке создают плазменный столб, через который пропускают разрядный ток одновременно с пропуском электрического тока через слабопроводящую жидкость, в результате чего при взаимодействии разрядного тока с внешним магнитным полем происходит ускорение порции слабопроводящей жидкости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что порцию слабопроводящей жидкости разделяют на отдельные части, отделенные одна от другой плазменными промежутками.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что создание газового промежутка осуществляют путем выбора заданного участка ввода порции слабопроводящей жидкости в продолговатый канал со стороны его боковой стенки.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что создание газового промежутка осуществляют путем ввода порции слабопроводящей жидкости в продолговатый канал со стороны его торца и отрыва порции слабопроводящей жидкости от этого торца.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что отрыв порции слабопроводящей жидкости от торца продолговатого канала осуществляют путем перекрытия потока слабопроводящей жидкости, подаваемой под избыточным давлением, большим статического давления в торце продолговатого канала.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что отрыв порции слабопроводящей жидкости от торца продолговатого канала осуществляют путем подачи газа в течение времени между соседними порциями слабопроводящей жидкости.

7. Устройство для создания импульсных высокоскоростных струй слабопроводящих жидкостей, содержащее ствол, имеющий вытянутые ускоряющие электроды, образующие продолговатый канал для размещения слабопроводящей жидкости и электрически соединенные с источником питания, и магнитную систему, создающую внешнее магнитное поле, нормальное ускоряющим электродам, отличающееся тем, что в нем ствол имеет отсек для создания плазменного столба и предусмотрены поджигающий электрод, расположенный в этом отсеке между ускоряющими электродами, и дозатор для подачи порций слабопроводящей жидкости в продолговатый канал ствола.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что дозатор соединен с продолговатым каналом ствола за отсеком ствола по направлению перемещения высокоскоростных струй слабопроводящей жидкости.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что дозатор соединен с торцом продолговатого канала ствола со стороны отсека.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2