Способ формирования струи жидкости или газа и устройство для его осуществления (его варианты)

Изобретение относится к способу формирования струи жидкости или газа и устройству для его осуществления и может быть использовано в горной, строительной, машиностроительной и других отраслях жизнедеятельности. Технической задачей группы изобретений является формирование струи жидкости или газа сопутствующим энергетическим потоком, свободным от явлений турбулентности по всей длине рабочей струи. Задача решается тем, что в качестве сопутствующего энергетического потока используют лазерное излучение кольцеобразного сечения, во внутреннюю полость которого помещают струю жидкости или газа. Обеспечивается практически абсолютная компактность струи жидкости или газа и сохранение осевого динамического давления на всей длине ее свободного полета за счет полного ее ограждения от внешней среды. 6 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к струйным технологиям и может быть использовано в горной, строительной, машиностроительной и других отраслях жизнедеятельности для решения широкого спектра практических задач.

Известны способы струеформирования, характеризующиеся тем, что поток атмосферного (см. Авт. свид. СССР №694637, Бюл. №40, 1979 г.) либо сжатого воздуха (см. Авт. свид. СССР №503022, Бюл. №6, 1976 г., Авт. свид. СССР №825927, Бюл. №16, 1981 г.) направляют по поверхности струи жидкости в направлении ее движения, а также экспериментальные исследования взаимодействия струи жидкости с коаксиальным потоком воздуха (см. Альбом течений жидкости и газа. Перевод с англ. Сост. М. Ван-Дайк, - М.: Мир, 1986 г., с.107, фотография 181). Отметим, что сжатый воздух подают как в непрерывном, так и в пульсирующем режимах и даже в режиме закручивания потока воздуха.

Общим недостатком указанных способов струеформирования является то, что турбулентный поток жидкости формируют с помощью сопутствующего турбулентного потока воздуха, что малоэффективно, причем само это воздействие осуществляют на ограниченном участке рабочей струи, в результате чего эти способы не получили должного распространения.

Предлагаемое изобретение решает задачу струеформирования потока жидкости (газа) сопутствующими энергетическими потоками свободными от явлений турбулентности по всей длине рабочей струи.

Задача решается тем, что в качестве сопутствующего энергетического потока используют лазерное излучение кольцеобразного сечения, в полость которого помещают струю жидкости или газа.

Известно, что световой луч представляет собой электромагнитную волну, которая при распространении в среде воздействует на электронные оболочки ее атомов, при этом на атомы действуют силы, выталкивающие их из электромагнитного поля светового луча, либо наоборот, втягивающие их в электромагнитное поле. Явления "втягивания" или "выталкивания" зависят от частоты изменения поля, а именно от ее соотношения с так называемой резонансной частотой, характерной для данного вещества. Известно, что атомы любого вещества характеризуются вполне определенной частотой собственных колебаний электронной оболочки, при этом если частота внешнего электромагнитного поля выше этой собственной частоты, то электронная оболочка, а с ней и весь атом, из луча выталкивается, если ниже - втягивается внутрь луча. Для интенсификации воздействия луча на вещество выгодно, чтобы частота электромагнитной волны была близка к резонансной: чем меньше они различаются, тем сильнее взаимодействие поля с атомом вещества (см. журнал "Наука и жизнь" №9, 1980 г, с.82-85, рис.1-5). Отметим, что это явление экспериментально подтверждено применительно к транспортированию паров щелочных металлов.

В нашем случае это явление используем для применения по новому назначению (вариант 1), а именно: для непрерывного постоянного полного ограждения напорной струи жидкости или газа от внешней среды с целью обеспечения практически абсолютной компактности струи и сохранения осевого динамического давления на всей длине ее свободного полета от места истечения до преграды. Это позволит значительно уменьшить потери энергии струи более чем в два раза (см. Автореф. дисс. "Снижение энергозатрат гидравлической технологии добычи угля" Стефанюк Б.М., Кемерово, 1998 г., с.13, табл.1). На примере гидромонитора 12ГД2 показано, что струеформирующим устройством струе передано энергии в количестве 837 кВт·ч, в то время как у груди забоя количество энергии в струе составляло 351 кВт·ч, т.е. 486 кВт·ч потеряно в воздухе в результате взаимодействия с ним струи, приведшей к ее распаду на отдельные капли с отклонением их от осевой линии струи. При использовании "лазерной оболочки" с частотой изменения электромагнитного поля, превышающей частоту собственных колебаний электронных оболочек атомов жидкости (например воды), обеспечиваем условия, при которых на любой атом воды, выделившийся из струи, будет действовать сила, возвращающая его обратно в струю, сохраняя ее компактность на всем пути ее полета. Отметим, что энергия, затраченная на "лазерную оболочку", не пропадает даром и будет израсходована на разрушение той мишени, на которую направлена струя жидкости в связи с возникновением светогидравлического эффекта, т.к. струя жидкости (например, воды), соударяясь с поверхностью мишени, будет растекаться во все стороны и неизбежно войдет в контакт с кольцевым лазерным пятном, отражаемым на поверхности мишени, в результате чего и будет постоянно возникать светогидравлический эффект, сопровождающийся всплеском сверхвысокого давления, пригодного для дополнительного разрушения материала мишени.

Формирование струи жидкости или газа может быть реализовано способом (вариант 2), когда лазерное излучение выполняют в импульсном режиме при непрерывном либо импульсном истечении струи. Возможность реализации данного способа струеформирования обосновывается тем, что экспериментами подтверждено явление возникновения канала (вакуумного трубопровода) в среде на пути импульсного лазерного луча, при этом время существования канала значительно превосходит продолжительность лазерного импульса в десятки тысяч раз, при этом плотность газа на пути луча уменьшается в сотни раз и такое разрежение сохраняется довольно долго (см. ж. "Наука и жизнь" №9, 1980 г., с.84). Это открывает возможность снижения энергозатрат на генерирование лазерного луча и в конечном счете на образование вакуумного канала. Разумеется, все требования к параметрам "лазерной оболочки", изложенные выше, сохраняются в полном объеме.

Третий вариант способа формирования струи жидкости или газа характеризуется тем, что струи могут быть защищены двумя коаксиальными полыми лазерными лучами, при этом внешняя "лазерная оболочка" менее энергоемка по отношению к внутренней при соблюдении условия, что частоты изменения электромагнитных полей обоих лучей превосходят частоту собственных колебаний электронных оболочек атомов струи жидкости или газа. Отметим, что радиальный зазор между лучами назначают минимально возможным для исключения между ними появления атомов внешней среды, которая в принципе может быть взрывоопасной. Это актуально в случае использования изобретения в условиях угольных газовых шахт, т.е. в условиях метановоздушной среды при добыче угля. В данном случае энергоемкость внешнего луча должна быть принята из условия ее взрывобезопасности, т.е. на уровне шахтных лазерных указателей направления или взрывозащищенных лазерных дальномеров для промышленных роботов (см. Информац. листок о научно-техническом достижении №88-22, Кемеровский ЦНТИ, 1988 г.). Основная функция внешнего луча - создать защитный канал, свободный от метановоздушной смеси, по которому в последующем направляют значительно более энергоемкий внутренний полый луч для формирования струи жидкости (газа), при этом луч может функционировать как в непрерывном, так и импульсном режимах, в то время как внешний луч только постоянном (непрерывном) режиме. Отметим также то, что энергоемкость (мощность) внутреннего луча должна быть такой, чтобы энергия электромагнитного поля превосходила кинетическую энергию вылета атомов жидкости (газа) из струи. При уравновешивании гравитационных сил струи на всем пути ее движения силами электромагнитного поля будет обеспечена прямолинейность ее траектории и неизменность сечения и тем самым идеальная компактность, что полностью исключит потери энергии струи в воздухе. Это особенно важно в технологиях отбойки тонкими высоконапорными струями (давление от 250-350 МПа) диаметром 0,5-0,8 мм, характеризующихся малой энергоемкостью процесса отбойки, равной 1-1,5 кВт·ч/т, при весьма незначительных расстояниях насадка от груди забоя, в пределах 1-10 мм, т.к. при больших расстояниях происходит сильное распыление струи в воздушной среде (см. XV Международный горный конгресс. Перспективы развития горной промышленности, Испания, Мадрид, 25/29, Май, 1992 г., с.187-196). Это обстоятельство практически полностью исключает возможность использования этого способа в реальных условиях угольных шахт. Считаем, что преодолеть эти трудности возможно только используя нетрадиционные способы формирования струи, предлагаемые настоящим изобретением.

Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом позволяет сделать вывод, что оно существенно отличается от известного уровня техники введением новых существенных признаков, указанных выше, и соответствует критерию новизны, изобретательского уровня и промышленно применимо.

Известен гидромонитор, включающий корпус, ствол с водоподводящим трубопроводом и насадку со струеформирующим устройством, представляющим собой каркас из продольных и поперечных трубок, при этом продольные трубки расположены по цилиндрической поверхности каркаса и имеют отверстия по всей своей длине, причем оси отверстий направлены в одну сторону по касательным к цилиндрической поверхности каркаса, а внутренние полости трубок соединены между собой и с нагнетателем воздуха (см. Авт. свид. СССР №825927, Бюл. №16, 1981 г.), в котором использован способ формирования струи жидкости, путем направленного воздействия потоком сжатого воздуха на поверхность струи в направлении ее движения с целью повышения ее качества и дальнобойности.

Недостаток указанного струеформирующего устройства состоит в невозможности обеспечения направленного воздействия потоком сжатого воздуха на струю по всей ее длине в связи с ограниченными размерами струеформирующего устройства по сравнению с протяженностью струи, при этом само воздействие малоэффективно в связи с высокой турбулентностью потока сжатого воздуха.

Известен гидромонитор, включающий раму, ствол, механизм поворота ствола и лазер с оптической системой, на котором установлены дальномер и механизм поворота луча лазера, связанный с дальномером (см. Авт. свид. СССР №853023, кл. Е 02 F 3/90, Бюл. №29, 1981 г.).

Недостатком гидромонитора является его конструктивная сложность, заключающаяся в том, что лазерная установка оснащена механизмами управления с дальномером расстояния, а также механизмами привода лазера с использованием шагового двигателя и зубчатого зацепления. Подобное решение исключает использование лазерного луча для целей струеформирования, в связи с чем взаимодействие лазерного луча практически будет не со струей жидкости, а с ее каплями, в результате чего эффективность светогидравлического эффекта будет минимальной.

Известно устройство для формирования струи жидкости (см. Авт. свид. СССР №1580011, Бюл. №27, 1990 г.), включающее подводящий цилиндрический патрубок и три ступени, состоящие из совокупности конического и цилиндрического патрубков, две ступени из которых снабжены успокоителями.

Недостатком этих устройств является невозможность формирования струи по всей ее длине.

Предлагаемые технические решения реализуются в устройствах, которые иллюстрируются чертежами, а именно: на фиг.1 - общий вид лазерного струеформирующего устройства, установленного на подводящей трубе с насадкой; на фиг.2 - общий вид лазерного струеформирующего устройства, установленного на насадке; на фиг.3 - общий вид лазерных струеформирующих устройств, установленных на подводящей трубе и на насадке.

Струеформирующее устройство (фиг.1) включает в себя подводящую трубу (патрубок) 1, которая коническим патрубком 2 соединена с цилиндрической насадкой (соплом) 3. На подводящей трубе 1 установлен полый цилиндр 4 кольцеобразного сечения, представляющий собой активную среду лазера с соответствующими зеркалами (непрозрачным и полупрозрачным), установленными по торцам цилиндра 4 (не показаны). По внешней поверхности цилиндра уложена спиралевидная лампа 5 системы накачки лазера, а вокруг лампы предусмотрена зеркальная цилиндрическая поверхность, нанесенная на внутреннюю цилиндрическую поверхность кожуха 6 (не показана), который защищен внешним кожухом 7, с образованием торцевой кольцевой щели 8, при этом между обоими кожухами образуется пространство, которое имеет гидравлическую связь с подводящей трубой через отверстия 9, предназначенные для подачи жидкости или газа из подводящей трубы для охлаждения лазера в процессе его работы.

На фиг.2 - оптическая лазерная система 10, подобная системе рассмотренной выше, установлена на насадке 3 с соответствующей системой охлаждения лазера от трубы 1 или от насадка 3.

На фиг.3 - оптические лазерные системы 10 и 11 установлены на цилиндрических элементах струеформирующего устройства, т.е. на трубе 1 и на насадке 3.

Устройство функционирует следующим образом.

Принудительно подают поток жидкости или газа к подводящей трубе (патрубку) 1 и далее к коническому и цилиндрическому патрубкам 2 и 3 соответственно. Жидкость или газ через отверстия 9 поступает в пространство между кожухами 6 и 7 и истекает через кольцевую щель 8, охлаждая лампу накачки 5. После этого включают лампу накачки 5 и производят настройку лазера на режим, при котором частота изменения электромагнитного поля лазера превзойдет частоту собственных колебаний электронных оболочек атомов жидкости или газа, а также устанавливают непрерывный или импульсный режимы его функционирования. После достижения нормативных параметров режима работы лазера струю жидкости или газа направляют на мишень.

1. Способ формирования струи жидкости или газа, при котором направляют сопутствующий поток энергии вдоль траектории ее движения, отличающийся тем, что в качестве сопутствующего потока энергии используют лазерное излучение кольцеобразного сечения и обеспечивают его функционирование в импульсном режиме, при этом в полость луча помещают струю жидкости или газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту изменений электромагнитного поля лазерного излучения назначают большей относительно частоты собственных колебаний электронных оболочек атомов жидкости или газа.

3. Способ формирования струи жидкости или газа, при котором направляют сопутствующий поток энергии вдоль траектории ее движения, отличающийся тем, что в качестве сопутствующего потока энергии используют лазерное излучение кольцеобразного сечения и обеспечивают его функционирование в непрерывном режиме, при этом в полость луча помещают струю жидкости или газа.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что частоту изменений электромагнитного поля лазерного излучения назначают большей относительно частоты собственных колебаний электронных оболочек атомов жидкости или газа.

5. Способ формирования струи жидкости или газа, при котором направляют сопутствующий поток энергии вдоль траектории ее движения, отличающийся тем, что в качестве сопутствующего потока энергии используют два кольцеобразных концентричных лазерных луча: внешний и внутренний, при этом в полость внутреннего лазерного луча помещают струю жидкости или газа.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что внешнему лазерному лучу обеспечивают функционирование в непрерывном режиме, а внутреннему лазерному лучу - в импульсном.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что частоту изменений электромагнитного поля лазерного излучения назначают большей относительно частоты собственных колебаний электронных оболочек атомов жидкости или газа.

8. Струеформирующее устройство, включающее соединенные между собой подводящий, конический патрубки и насадок, отличающееся тем, что на подводящем патрубке установлен лазер с оптической системой, выполненный в виде кольцеобразного (полого) цилиндра, охватывающего подводящий патрубок струеформирующего устройства.

9. Струеформирующее устройство, включающее соединенные между собой подводящий, конический патрубки и насадок, отличающееся тем, что на насадке установлен лазер с оптической системой, выполненный в виде кольцеобразного (полого) цилиндра, охватывающего насадок струеформирующего устройства.

10. Струеформирующее устройство, включающее соединенные между собой подводящий, конический патрубки и насадок, отличающееся тем, что на подводящем патрубке и насадке установлены лазеры с оптическими системами, выполненными в виде кольцеобразных (полых) цилиндров, охватывающих соответственно подводящий патрубок и насадок струеформирующего устройства.