CN105478272B - 无泵式高压脉冲水射流发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无泵式高压脉冲水射流发生装置，包括脉冲射流产生组件、电源(1)、火花塞(2)、氧气罐(5)、氢气罐(17)、水箱(10)和离心鼓风机(18)，所述脉冲射流产生组件包括动力腔体(3)、一级活塞(6)、连杆(7)、弹簧、底座(9)、二级活塞(15)、射流腔体(11)、阀芯(14)、密封环(13)；一级活塞(6)位于动力腔体(3)内，二级活塞(15)位于射流腔体(11)内，一级活塞(6)通过穿过底座(9)的连杆(7)与二级活塞(15)相连；动力腔体(3)、射流腔体(11)、底座(9)的中轴线在同一直线上。本发明利用氧气和氢气的混合气体爆炸产生的能量推动活塞运动进而将腔室内的水挤压出去，活塞的往复运动产生脉冲射流，从而不需要提供高压泵就能产生有效的脉冲水射流，且装置结构简单、成本低、使用方便。

Description

无泵式高压脉冲水射流发生装置
技术领域
本发明涉及水射流技术领域，具体的说是一种无泵式高压脉冲水射流发生装置。
背景技术
水射流技术一项涉及多个学科的新技术，由于其日益广泛的应用而在近几十年来得到了迅猛发展。为了提高水射流的打击力和工作效率，脉冲水射流应运而生。脉冲水射流是非连续性射流，由发射器喷出的分离状水团周期性的作用在靶件上，产生远远大于同等压力下连续射流的滞止压力，俗称“水锤”，从而在不提高泵压情况下对靶件造成巨大的破坏。
脉冲水射流根据产生方式可分为自激式和它激式。自激式是利用弹性流体力学、水声学等原理，通过特殊的喷嘴结构在腔内产生压力振荡，从而使射出的压力发生脉动，形成脉冲射流，如公告号为CN102069049的发明专利所公开的自激吸气式脉冲射流喷嘴等。然而，由于自激振荡脉冲射流的产生机理极为复杂，目前还没有研究能将其解释清楚，因而脉冲效果并不是很理想。
当前，工业上使用的脉冲射流主要还是它激式。它激式脉冲射流使通过其他动力装置将射流周期性阻断，从而使射流间断的作用在靶件上。如公告号为CN100514023的发明专利公开的变频脉冲射流装置，通过开有条形缝隙的转轮对射流的周期性遮挡。但在高压射流工况下，射流对转轮的破坏很严重，且由于射流打在转轮上做的是无用功，因而此脉冲射流的能量利用率很低。另一方面，无论是自激还是它激振荡脉冲射流，都需要用高压泵站来提供动力。对于大流量的高压射流，所需提供的高压泵的成本很高，重量很大，移动不方便，且维护成本很高。
目前还没有一种能量利用率高、维护成本低，且不需要提供高压泵就能产生有效的脉冲射流的装置或方法。
发明内容
本发明的目的是为了简化脉冲射流发生装置和降低装置成本，并提高脉冲射流能量利用效率，从而提供一种无泵式高压脉冲水射流发生装置。
本发明通过电火花塞点燃爆炸室内氢气和氧气的混合气体，利用爆炸产生的冲击力来推动活塞运动，为高压射流提供动力，且爆炸生成物为水，清洁无污染；活塞的运动配合阀芯的自动启闭，从而造成间断的射流由喷嘴射出，形成有效的脉冲水射流。
本发明无泵式高压脉冲水射流发生装置，包括脉冲射流产生组件、电源1、火花塞2、氧气罐5、氢气罐17、水箱10和离心鼓风机18，所述脉冲射流产生组件包括动力腔体3、一级活塞6、连杆7、弹簧、底座9、二级活塞15、射流腔体11、阀芯14、密封环13；
所述动力腔体3为一端开口的中空圆柱体，动力腔体3的开口端设有定位槽23A，用于与底座9相配合；动力腔体3的圆柱面上开有氧气进口19、氢气进口25、通气孔22，动力腔体3的封闭端面上开有火花塞孔20和与离心鼓风机18相连的排气孔21；
所述底座9为台阶圆柱体；
所述射流腔体11一端开口，另一端设有锥直形射流出口；射流腔体11的开口端设有定位槽23B，用于与底座9相配合；射流腔体11的圆柱面上设有与水箱10相连的进水孔28；射流腔体11内设有阀芯14和密封环13；
一级活塞6位于动力腔体3内，二级活塞15位于射流腔体11内，一级活塞6通过穿过底座9的连杆7与二级活塞15相连；动力腔体3、射流腔体11、底座9的中轴线在同一直线上。
所述底座9上连有弹簧8A，底座9的中心沿轴线设有通孔24B，通孔24B内有一圆柱槽26，用于设置密封圈16。
所述动力腔体3和射流腔体11的开口端均设有凸缘，二者通过螺栓相连。
所述阀芯14为一端开口的中空圆柱体，且靠近封闭端的圆柱面上有若干通孔24C，阀芯14的开口端外表面为圆柱台阶27，圆柱台阶27的外圆柱面设有弹簧8B。
所述密封环13为中空的台阶圆柱体。
所述射流腔体11内表面还设有两个卡簧槽29A、29B，对应设置有两卡簧12A、12B，用于固定密封环13。
本发明无泵式高压脉冲水射流发生装置及方法的优点是：利用氧气和氢气的混合气体爆炸产生的能量推动活塞运动进而将腔室内的水挤压出去，活塞的往复运动产生脉冲射流，从而不需要提供高压泵就能产生有效的脉冲水射流，且装置结构简单、成本低、使用方便。
附图说明
图1为本发明无泵式高压脉冲水射流装置的整体结构示意图；
图2为动力腔体的结构示意图；
图3为底座的结构示意图；
图4为阀芯的结构示意图；
图5为密封环的结构示意图；
图6为射流腔体的结构示意图。
图中：1为电源、2为火花塞、3为动力腔体、4A、4B、4C为阀门、5为氧气罐、6为一级活塞、7为连杆、8A、8B为弹簧、9为底座、10为水箱、11为射流腔体、12A、12B为卡簧、13为密封环、14为阀芯、15为二级活塞、16为密封圈、17为氢气罐、18为离心鼓风机、19为氧气进口、20为火花塞孔、21为排气孔、22为通气孔、23A、23B为定位槽、24A、24B、24C、24D为通孔、25为氢气进口、26为圆柱槽、27为圆柱台阶、28为进水孔、29A、29B为卡簧槽。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明：如图1-6所示，无泵式高压脉冲水射流发生装置，由电源1、火花塞2、阀门4、氧气罐5、氢气罐17、水箱10、离心鼓风机18和脉冲射流产生部件组成；所述脉冲射流产生部件主要包括动力腔体3、一级活塞6、连杆7、弹簧8、底座9、密封圈16、二级活塞15、射流腔体11、阀芯14、密封环13；所述动力腔体3和射流腔体11均为中空圆柱体，且动力腔体3一端开口一端封闭，射流腔体一端开口一端设有锥直形射流出口；所述动力腔体3与射流腔体11分别通过其凸缘上的通孔24A和24D用螺栓连接，并将置于其定位槽23A和23B中的底座9夹紧固定，从而保证动力腔体3、射流腔体11、底座9三者轴线共线。
所述动力腔体3的圆柱面一上一下对称设有氧气进口19和氢气进口25，并分别通过管道与氧气罐5和氢气罐17相连，管道上分别设置有阀门4A和4B；其端面上设置有火花塞孔20和排气孔21，火花塞孔20内安装有火花塞2,并通过导线与电源1相连，排气孔21通过管道与离心鼓风机18相连。
所述一级活塞6置于动力腔体3内，其外表面与腔体内表面光滑接触，且一端与连接杆7刚性连接。
所述连接杆7穿过弹簧8A和底座9中心的通孔24B，并与二级活塞15刚性连接，且弹簧8A一端固定在底座9的小圆柱面上。
所述底座9的圆柱槽26内设置有一密封圈16，防止二级活塞15做功时将水压入动力腔体3中。
所述射流腔体11一端开口，另一端设有锥直形射流出口；腔体内的圆柱面上还设有两个卡簧槽29A和29B，圆柱面上设有进水孔28，并通过管道与水箱10相连，且管道上设置有阀门4B。
所述阀芯14中空，一端开口，一端封闭，且靠近封闭端的圆柱面上有若干通孔24C；所述弹簧8B一端卡在其圆柱台阶27的外圆柱面上。
所述密封环13为中空的台阶圆柱体，并通过安装在卡簧槽29A和29B中的卡簧12A和12B固定在射流腔体中，其内圆柱面与阀芯14的外圆柱面光滑配合，并在初始位置时将阀芯14上的通孔24C封住；所述弹簧8B另一端卡在密封环13的小圆柱外圆柱面上。
本发明是这样实现的：
1、打开阀门4B，将射流腔体11的左端空腔充满水，由于此时的水不受压，弹簧8B所受压力很小，不收缩，且由于阀芯14上的通孔24C被密封环13封住，充入的水不会由射流腔体11的锥直形出口流出。
2、打开阀门4A和4B，向动力腔体3的左端充入一定时间的氧气和氢气，当充入到所需量时，关闭阀门4A和4B。
3、启动火花塞3，点燃腔室内的氧气和氢气混合气体。此时，一级活塞6瞬间右移并通过连杆7推动二级活塞15向右运动，从而挤压射流腔体11左端空腔的水，随后弹簧8B被压缩，阀芯14右移，压力水通过其通孔24C进入到射流腔体11的锥形流道中，并加速由出口射出。
4、启动离心鼓风机18。此时一级活塞6在弹簧8A的作用下减速，且由于动力腔体3左端由爆炸产生的气体被抽出，形成负压，一级活塞6的右端由从通气孔22进入的空气推动，一级活塞6开始左移，当二级活塞15接触底座9后，运动停止。另一方面，压力水被射出后，并在二级活塞15左移后，被压缩的弹簧8B开始恢复，并推动阀芯14恢复到初始位置。此时，装置处于初始的平衡位置，等待下一次脉冲射流的触发。
5、重复上述步骤。
本发明提供了一种产生高压脉冲水射流装置，通过爆炸产生的能量高、除了少许的热耗散和摩擦导致的能量损耗外，几乎所有的能量都用于产生脉冲射流，因而能量利用率高，且不需要使用高压泵站就能产生有效的脉冲射流，整个装置构造简单、成本低、维护和使用方便，具有广阔的应用前景。
需要指出的是，本发明虽然提出点燃氢气和氧气混合气体爆炸产生的脉冲射流的动力，但爆炸的产生不仅仅局限于氢气和氧气的混合，也可用其他的爆炸方式，如甲烷和氧气、氢气和空气等等，所有这些简单的变换、组合、改装均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无泵式高压脉冲水射流发生装置，其特征在于：包括脉冲射流产生组件、电源(1)、火花塞(2)、氧气罐(5)、氢气罐(17)、水箱(10)和离心鼓风机(18)，所述脉冲射流产生组件包括动力腔体(3)、一级活塞(6)、连杆(7)、弹簧、底座(9)、二级活塞(15)、射流腔体(11)、阀芯(14)、密封环(13)；
所述动力腔体(3)为一端开口的中空圆柱体，动力腔体(3)的开口端设有第一定位槽(23A)，用于与底座(9)相配合；动力腔体(3)的圆柱面上开有氧气进口(19)、氢气进口(25)、通气孔(22)，动力腔体(3)的封闭端面上开有火花塞孔(20)和与离心鼓风机(18)相连的排气孔(21)；
所述底座(9)为台阶圆柱体；
所述射流腔体(11)一端开口，另一端设有锥直形射流出口；射流腔体(11)的开口端设有第二定位槽(23B)，用于与底座(9)相配合；射流腔体(11)的圆柱面上设有与水箱(10)相连的进水孔(28)；射流腔体(11)内设有阀芯(14)和密封环(13)；
一级活塞(6)位于动力腔体(3)内，二级活塞(15)位于射流腔体(11)内，一级活塞(6)通过穿过底座(9)的连杆(7)与二级活塞(15)相连；动力腔体(3)、射流腔体(11)、底座(9)的中轴线在同一直线上。
2.如权利要求1所述的无泵式高压脉冲水射流发生装置，其特征在于：所述底座(9)上连有第一弹簧(8A)，底座(9)的中心沿轴线设有第二通孔(24B)，第二通孔(24B)内有一圆柱槽(26)，用于设置密封圈(16)。
3.如权利要求1所述的无泵式高压脉冲水射流发生装置，其特征在于：所述动力腔体(3)和射流腔体(11)的开口端均设有凸缘，二者通过螺栓相连。
4.如权利要求1所述的无泵式高压脉冲水射流发生装置，其特征在于：所述阀芯(14)为一端开口的中空圆柱体，且靠近封闭端的圆柱面上有若干第三通孔(24C)，阀芯(14)的开口端外表面为圆柱台阶(27)，圆柱台阶(27)的外圆柱面设有第二弹簧(8B)。
5.如权利要求1所述的无泵式高压脉冲水射流发生装置，其特征在于：所述密封环(13)为中空的台阶圆柱体。
6.如权利要求1所述的无泵式高压脉冲水射流发生装置，其特征在于：所述射流腔体(11)内表面还设有两个卡簧槽(29A、29B)，对应设置有两卡簧(12A、12B)，用于固定密封环(13)。
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