CN102165517B - 用于产生爆炸的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于产生爆炸的设备和方法，包括耐压容器(1)，其具有设置在耐压容器(1)的主爆炸腔(11)，还包括用于提供可流动的爆炸性材料的供给线(9’)以及排放口(2)，用于方向性排放引发爆炸性材料产生的气压。通过优选地为活塞(3)的闭合装置直接关闭排放口，活塞通过气体弹簧压在排放口上并保持关闭，并且直到大致快引发时。在实际主爆炸之前，通过引发辅助爆炸并通过该辅助爆炸的压力来移动该闭合装置，从而暴露排放口。

Description

用于产生爆炸的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于产生爆炸的方法和设备，具体用于产生高强度压力脉冲。

背景技术

产生用于清洗锅炉的压力波和压力脉冲的各种设备是公知的。WO2007/028264描述了一种这类设备。利用其中所示设备，可以重复性很好地产生爆炸。因而，本发明的目的是形成这类爆炸发生器的特殊设计。

发明内容

该设备包括耐压容器，其具有用于压力脉冲的排放口和关闭排放口的闭合装置，例如活塞或滑块。可通过辅助爆炸使闭合装置移动到其暴露排放口的位置。用于打开排放口的延迟后，引发耐压容器中的主爆炸腔中的爆炸，由此产生的压力脉冲通过现在至少部分打开的排放口释放出来。优选地，主爆炸腔和辅助爆炸腔设置在耐压容器中。

首先，引发辅助爆炸。这通过辅助爆炸腔之内或之上的点火装置实现。引发辅助爆炸后经延迟引发主爆炸。优选地，通过闭合装置自身把辅助爆炸腔和主爆炸腔隔开。可以通过连接到主爆炸腔之内或之上的点火装置来实现主爆炸延迟，通过例如延迟开关时间延迟后引发。然而，也可以通过安装在辅助爆炸腔和主爆炸腔之间的延迟导管来导引该辅助爆炸。这样，辅助爆炸腔包括一个点火装置，不需要主爆炸腔之内或之上的点火装置。

通过闭合装置保持耐压容器的排放口关闭。优选地，这通过弹簧元件实现。弹簧元件可以是普通螺旋弹簧，但是，优选地由气体弹簧构成。这种弹簧元件还在爆炸后使闭合装置返回并且使得该方法具有可重复性。

把可流动的爆炸性物质或通过混合自身不能爆炸的成分形成的可流动的爆炸性混合物引入爆炸腔中。可流动物质和/或物质混合物例如为气态的、液态的、粉末状的或者粉状的，或者是这些成分物质的混合物，优选地，是包括两种压缩气体的混合物。此处，把物质和混合物的所有变化和可能组合称为可流动的爆炸性材料，不能将此视为限于一种物质或者特定的混合物。

通过引发主爆炸腔中的可流动的爆炸性材料，产生气压非常高的爆炸，通过在引发爆炸材料之前和在很短时间之前仍关闭的排放口排出该气压。因而，排放口限定排放压力波的方向。

优选地，闭合装置打开得如此之快，从而主爆炸腔中实际引发之前，最多为部分的压缩气体混合物可以通过已经由闭合装置部分打开的排放口散逸而出。也就是说，经引发后，气体混合物继续被压缩，因而所产生的爆炸压力很高。例如使用化学计算配比的乙烯和氧气，出现比引发那一刻的压力高约25倍的爆炸压力。本方法的目的是产生具有尽可能高的峰值的压力脉冲。为此，优选地，闭合装置最快速地运动，这样，在引发主爆炸的那一刻，虽然排放口打开，但是气压继续保持尽可能高。为了产生这种高的闭合装置的速度，优选地在辅助腔中使压缩的气体混合物爆炸。这样，非常高的辅助爆炸压力作用于闭合装置，并且使其加速很大。随后可通过弹簧元件制动闭合装置的运动。

为此采用以下手段：闭合装置关闭排放口，所述设备布置成通过引发辅助爆炸而使闭合装置移动，这样直接暴露排放口，从而可以非常简单的方式构造整个设备。特别是，设备可由很少的部件构成。除了闭合装置外，优选地不使用其他移动部件。随着产生如此高强度的爆炸而形成的极端载荷，这些部件会承受非常高的材料应力。为了形成可重复产生爆炸的装置，具有尽可能沿直线运动同时最优地保护特别受应力的部件的方法是必须的或者特别优选的。根据本发明的方法和相应的装置就是这样的。

该设备的优选实施例中，主爆炸腔和闭合装置在耐压容器中设置的方式使得主爆炸腔的填充压力，即触发引发之前向爆炸腔填充可流动的爆炸性材料的气压垂直作用于闭合装置的运动方向。这样的好处在于，在所述设备完全闭合的状况下，弹簧元件不需要克服上述填充压力，而是只需克服辅助爆炸腔中的填充压力，因而该主爆炸腔的填充压力既不能用于排放口关闭，也不会克服该弹力而暴露排放口。

本发明的一个实施例中，闭合装置在初始位移并且暴露排放口后，通过主爆炸腔的爆炸压力被进一步加速，并且被向后推。

将两个独立的点火装置用于辅助爆炸腔和主爆炸腔，辅助爆炸腔和主爆炸腔的填充压力以及其中的可流动爆炸性材料可以彼此不同。因而，同一系统中，可产生用于驱动和用于压力脉冲的不同爆炸压力，这样，可以用同一设备就能实现结构布置和被装入的装置的高度灵活性。

通过耐压容器以及其中用作排放口阀门的闭合装置的设计而适当地设置辅助爆炸腔和主爆炸腔以及气体弹簧腔，可通过一个闭合装置把这些腔隔开，优选地，闭合装置设计成活塞，最好是还通过该闭合装置使这些腔密封。

优选地，该设备用于清洗大型设施（例如清洗废品燃烧设备、煤电站、竖井等）中的锅炉以清除炉渣或沉淀物等。此处，重大益处在于可以非常快速地多次重复各个清洗循环。由此使用气体作为用于产生爆炸和与之相关的压力脉冲的清洁材料是很有利的，它可产生高爆炸压力。在触发爆炸之前很短时间内才把本身不可爆炸的物质导引进去进一步大大地增加了人员和设备的安全性。还可以对还在工作的依然温热或热的装置进行清洁，这是由于爆炸性物质不会长时间处于热的环境中。因而，可通过长距离的管子把产生的压力波导引到锅炉，导引到要清洗的位置。管子可以固定安装在要清洗的设备上，但是，也可从外部插入，例如，以可伸缩移动的方式插入设备或锅炉中。通过利用爆炸产生的压力脉冲吹走锅炉管和锅炉的覆盖层或者污染物，同时使管子和壁震动。这两个动作有效地清洗了要清洗的隔离物。

可以构想需要较大、较快冲击力、压力脉冲或高强度和/或高重复性的压力波的各种其他用途。一些示例为用于金属板材压力成型的压力产生器，或者用于射击武器的驱动力，这时，压力脉冲用于弹头的加速推动。

由于离开排放口的爆炸气体的排放速度以及所产生的冲击大于火箭发动机连续燃烧所得的冲击，还可设想使用根据本发明的方法和装置来驱动太空船或者作为脉冲爆震发动机。

附图说明

下文中，通过示例实施例形式表示本发明，其中：

图1是具有两个点火装置的爆炸发生器。

图2是具有延迟导管的爆炸发生器。

图3是具有滑块的爆炸发生器。

具体实施方式

图1示出具有耐压容器1和位于该容器中的排放口2的爆炸发生器。可移动地位于容器中的活塞3作为打开排放口和保持排放口关闭的阀门。活塞的后端4直径扩大并且具有密封件，这样，后端优选地以完全密封的方式在容器内壁上滑动。后部区域中的耐压容器包括第一腔，该腔被活塞的后端分成两个部分腔。一个部分腔是气体弹簧腔5，另一个部分腔是辅助爆炸腔6。气体弹簧腔5填充有气体，例如空气、氮气、二氧化碳等，所述气体通过用于填充目的的气体填充口7被引入气体弹簧腔5。活塞3的前端即阀门被气体弹簧腔中的气压或者闭合压力压在排放口的阀门座8上。该闭合压力非常高，可以把活塞推动到闭合位置并将活塞保持在该位置，并且克服辅助爆炸腔中的填充压力，从而使排放口安全关闭。

通过进料导管9把如氧气和乙烯的爆炸性混合物填充到辅助爆炸腔6中。通过点火装置10，例如火花塞或者电热塞或者利用导向到装置内部的强激光束，实现辅助爆炸腔中辅助爆炸的点火。利用引发辅助爆炸腔中的爆炸性混合物产生的高压，活塞受到压力并且克服气体弹簧力被向后推动。向后推动活塞使得排放口2打开，此时由于主爆炸腔11中的填充压力的作用，活塞进一步加速并且向后部移动。

主爆炸腔11设置在耐压容器的前部。本实施例中，主爆炸腔包括两个在一侧的、与活塞成直角设置并且在一端封闭的管子。类似地，通过进料导管9'向管子填充爆炸性材料，有些情况下，也通过辅助爆炸腔的同一进料导管填充。优选地，用于主爆炸的爆炸性材料和用于辅助爆炸的材料相同。因而，主爆炸腔的填充压力主要垂直作用于活塞，这种情况下，不影响活塞位置。

在填充两个爆炸腔时，尽可能按化学计算的配比逐一填充用作爆炸性混合物的物质。在此之前，也可把各个物质填充到压力相同的单独压力容器内，并把这些物质以相应的比例从压力容器导引到爆炸腔中，以实现良好完全混合。

通过点火装置10引发辅助爆炸后，压力传感器15记录辅助爆炸腔内的压力增加。该信号通过如延时继电器的延迟开关13以延迟方式触发主爆炸腔内的点火装置14，从而引发主爆炸。代替外部压力传感器，活塞冲程自身可以启动主爆炸的引发，例如通过运动的活塞致动的点火开关。也可以通过延迟开关直接连接辅助爆炸腔和主爆炸腔的两个点火装置10、14。然而，通过压力传感器或者点火开关进行延迟控制可保证例如辅助爆炸腔点火出故障时，不会引发主爆炸，排放口依然关闭。

也可以通过如图2所示的延迟导管22来形成延迟。利用该延迟导管22或者点火导管，把爆炸从辅助爆炸腔6引导到主爆炸腔11。然后，通过导管长度和爆炸速度来确定延迟时间，主爆炸腔中不需要单独的点火装置。可以通过延迟导管22对主爆炸腔进行填充，这样，主爆炸腔也不需要单独的进料导管22。所示例子中，主爆炸腔包括进料导管9并且通过延迟导管对辅助爆炸腔6进行填充。利用这种填充方法，辅助爆炸腔和主爆炸腔受到同样的填充压力。

在用两个点火装置时，点火装置优选地为如火花塞或者激光点火器的“快速”装置，因为两个点火装置必须在精确的时间点引发。这种“快速”点火装置对根据本发明的若干设备的协调配置也是优选的。例如并列设置的多个设备，会出现互相放大的效应，并且可以利用这种效应。例如，利用同时引发的多个爆炸发生器中的多个爆炸清洗大型锅炉时，压力波或压力脉冲会累积，利用该现象，强化了清洗效果，或者这样说，可以减少清洁设置的数量。利用延迟导管并只有一个点火装置相应地在辅助爆炸腔中，点火装置可以是例如“慢速”的电热塞，其需要约3秒钟来加热。一类新的点火器利用激光点火，即激光点火器，激光点火器用作爆炸发生器或者压力波发生器中的点火装置尚且不是公知的。利用激光点火器，把激光束耦合到耐压容器中。从而激光束可以直接引发气体，或者激光束对容器表面的某个位置加热，然后引发容器中该位置处的爆炸性气体。为此，耐压容器包括让相应激光波长透明的窗口。该装置的益处在于容器内没有点火元件，而点火元件会发生磨损、受到污染或者被爆炸损坏。而且耐热容器上不需要电引线。激光束可以聚焦到非常高的能量密度，非常精确，可以非常精确地设定其时间，甚至可以利用对其他点火装置不利的表面污染。

作用于活塞或者总体上作用于闭合装置的力、和特别是在活塞排放口区域由于释放爆炸波而出现的热非常高。利用辅助爆炸，在实际主爆炸之前，已经将活塞位置移动到排放口区域以外的后部，因而活塞受到保护，但同时产生的压力波会不可阻挡地离开所述设备。优选实施例中两个爆炸的时间错开的范围为几个毫秒，优选地0.2到10毫秒，例如0.5到2毫秒。

向后运动的活塞继续压缩气体弹簧腔中的气体。这样，一方面，防止活塞由于爆炸而不可制动地冲击压力容器的后壁，另一个方面，实际主爆炸进行完之后，随后使活塞返回其起始位置，即排放口的封闭位置。这样，爆炸后，装置自动位于起始位置，可以通过填充腔重新开始爆炸的产生过程。

图3示出爆炸发生器，其中，用滑块33使排放口2保持关闭。主爆炸腔31与排放口在平接方向设置在耐压容器100中。滑块平行于排放口平面或垂直于排放方向（箭头所示）移动，排放方向由排放口限定。辅助爆炸腔、气体弹簧腔和滑块的原理以和图2所示的活塞结构基本相同的方式构造，其中，这两个腔垂直于排放方向设置。优选地，滑块设置成平状的，但是也可以设计长圆柱形的（活塞）或者多角形的并且包括活塞驱动装置，或者直接设计有活塞驱动装置。在通过共同的进料导管9填充辅助爆炸腔和主爆炸腔后借助点火装置10启动辅助爆炸腔的点火。随后通过延迟导管22把爆炸导引到主爆炸腔31。

下面给定用于产生爆炸的装置示例值：

主爆炸腔容积1-3升

气体填充压力（爆炸腔）10-30巴，例如15-25巴

排放口直径40-80mm

Claims (18)

1.一种用于通过爆炸产生压力脉冲的设备，包括耐压容器（1、100），其具有设置在耐压容器的主爆炸腔（11、31）和具有点火装置（10、14）的辅助爆炸腔（6），还包括用于馈入可流动的爆炸性材料的至少一个进料导管（9、9’）以及用于定向性地排放主爆炸腔中的爆炸性材料点火所产生的压力脉冲的排放口（2），还包括关闭排放口的闭合装置，通过辅助爆炸腔中的作用于所述闭合装置上的爆炸的压力使得所述闭合装置的位置改变从而所述排放口至少部分地打开，并且所述设备具有主爆炸腔和辅助爆炸腔之间的延迟装置，用于延迟主爆炸腔中的主爆炸的引发，从而在发生主爆炸的时间点，至少部分打开排放口，其中主爆炸腔（11、31）和关闭排放口（2）的闭合装置设置成使得主爆炸腔中的填充压力沿垂直于闭合装置的运动方向作用于闭合装置。

2.根据权利要求1所述的设备，其中耐压容器（1）包括弹簧元件，利用所述弹簧元件可把闭合装置保持在排放口的闭合位置，并且该闭合装置是可返回该闭合位置的。

3.根据权利要求2所述的设备，其中弹簧元件是位于填充有气体的气体弹簧腔（5）中的气体弹簧。

4.根据权利要求1所述的设备，其中主爆炸腔（11、31）包括点火装置（10、14）。

5.根据权利要求1所述的设备，其中延迟装置是触发点火装置（10、14）的延时继电器。

6.根据权利要求1所述的设备，其中延迟装置是主爆炸腔和辅助爆炸腔（6、11、31）之间的延迟导管（22），用于把爆炸导引到主爆炸腔。

7.根据权利要求1所述的设备，其中闭合装置是滑块（33），主爆炸腔（11、31）设置成平行于由排放口（2）限定的排放方向。

8.根据权利要求1所述的设备，其中闭合装置是活塞（3），主爆炸腔（11、31）设置成垂直于由排放口（2）限定的排放方向。

9.根据前述任意一项权利要求所述的设备，其中点火装置（10、14）是火花塞、电热塞或者激光点火器。

10.一种用于通过爆炸产生压力脉冲的方法，包括下面步骤：

—把闭合装置导引到耐压容器（1、100）中的排放口（2）的闭合位置，所述闭合装置在该闭合位置关闭所述排放口；

—用可流动的爆炸性材料填充耐压容器中的主爆炸腔和辅助爆炸腔（6、11、31）；

—引发主爆炸腔（11、31）中的可流动的爆炸性材料，由此产生通过至少部分打开的排放口而定向地排放的压力脉冲，

其中：

在主爆炸腔点火之前使辅助爆炸腔（6）中可流动的爆炸性材料爆炸，辅助爆炸的压力作用于所述闭合装置上使得闭合装置移动并改变其位置，从而在发生主爆炸的时间点，至少部分打开排放口，

其中所述主爆炸腔中的填充压力沿垂直于闭合装置的运动方向作用于闭合装置。

11.根据权利要求10所述的方法，其中通过弹簧元件把闭合装置保持在闭合位置和让其返回到该位置。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中引发辅助爆炸和主爆炸之间的延迟小于10毫秒。

13.根据权利要求10所述的方法，其中通过管子把释放的压力脉冲导引到作用位置。

14.根据权利要求10所述的方法，其中用气体状碳氢化合物和氧气的混合物作为可流动的爆炸性材料。

15.根据权利要求10所述的方法，其中用压力至少为2巴的气体混合物作为可流动的爆炸性材料。

16.根据权利要求11所述的方法，其中所述弹簧元件为气体弹簧。

17.根据权利要求12所述的方法，其中所述延迟为0.5-2毫秒。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述主爆炸腔中的填充压力为15-25巴。

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