Читать книгу Сверхзвуковая струйная термогазодинамическая обработка объектов - Е. П. Боженов - Страница 2

СВЕРХЗВУКОВАЯ СТРУЙНАЯ ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКВЯ                                                         ОБРАБОТКА ОБЪЕКТОВ.

Лаб. «Новых физические методы направленной обработки естес-твенных и искусственных минеральных сред, НФМНОЕИМС, примени-ла термогазодинамический метода в строительной индустрии и других областях народного хозяйства, [3], [4], [5 [, [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]. (Ленинградский инж-строит. ин-т. Зав. Каф. ДМ. д.т. н. А.А.Жданко, ст. н. с. Е.П.Боженов). Термогазодинамический метод использует особые свойства сверхзвуковой (С\з-й) газовой струи, иногда одно или много фазной, для обработки объектов. С\з-я струя, это сложный, не-однород-ный поток скоростей, давлений, температур в сдвинутых сло-ях газоди-намических характеристик, сверхзвуковых и дозвуковых, рис.1. Она на слух и визуально, отличается от огнегазового факела, рис.2, как и конечный результат их воздействия на объект При её нате-кании происходит: 1. Комплекс термогазодинамического воздействия на объект, не только теплового. 2.Обратная реакция материала объекта на это во-здействие. Параметры и строение С/з-х струй зависят от гео-метрии сопла Лаваля, рода газового тела, параметров термогазогене-ратора и окружающей среды. Метод изучался на созданных стендах, [1], [2]. Создана новая область применения С\з-й струи: 1. Патент 171421, «Устройство для закрепления грунта в стенках тоннелей, скважин и подобных сооружений», [3],63г; 2. Патент 299370, «Газост-руйный инструмент», для нанесения декоративных, антикоррозион-ных покрытий и для упрочнения грунтов и иных поверхностей, нане-сением тех. агентов, [4],69г.

Ранее, С\з-я струя сопла Лаваля применялась в ракетных двига-телях (РД), а затем для бурения, резки твердых горных пород. В СССР работы Чл. Кор. АН Каз. ССР, д.т.н, проф. А. В. Бричкина, Каз. П ин-т и его последователей.

1. ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКОЕ УКРЕПЛЕНИЕ ГРУНТА.

Сроки стройки растягиваются из-за отсутствия местных стройма-териалов и дорожной сети. Существующие методы улучшения грунтов ограничены грунто-геологическиими условиями, видом, генезисом гр-унов стройки. Тепло меняет структуру грунта, удаляет часть связанной воды, уменьшая и убирая просадочность, размокаемость. Но, термиче-ский способ, при его многовековой истории, не нашел должного места на стройплощадке. «Генераторы низкотемпературной плазмы для стр-ойиндустрии находятся на начальном этапе», [В. Сиротюк,«Плазменная технология термического укрепления грунтовых оснований зданий, сооружений»]. Термогазодинамический способ упрочнения, меняет ситуацию, [3], [9], [10], [11], [12], [13].

Патент 171631, [3],рис.3. Впервые, для упрочнения грунта, приме-нены: Газогенератор-1 с соплом Лаваля-2 и газоотражателем-З, кото-рые составляют Особый Сопловой блок. Сопло Лаваля-2, в отличии от термических снобов, делает процесс сгорания топлива, независимым от размеров скважины и давления в ней. С\з-я струя из сопла-2, транс-формируется на газоотражателе-3 и из полости Особого Соплового бл-ока выходит рабочий поток Т=700—800 С., заполняя скважину продук-том сгорания или воздухом из электо-нагревател с соплом Лаваля. Сопло Лаваля-2, в отличии от термических снобов, делает процессы сгорания топлива, независимыми от размеров скважины и давления в ней. Патент 550003, рис.3, [14], закрепляет грунт скважин и может создавать уширение скважин в местах своей остановки.

На рис.4 даны схемы термических способов и термогазодинами-ческого, который эффективней и мобильней их. Газогенератор-14, дви-гаясь в скважине, рис.4, стоит на любом горизонте, что увеличивает эффект термохимического упрочнения её грунтовых стенок.

Грунты при Т= 750—850°С упрочняются. Ниже, процесс затухает при Т=350°С. Выше Т=850°С верхний слой оплавится и газ не пройдет в грунт. Созданы газогенераторы, [15], [16], [17], [18], рис.5. с регули-руемой температурой горения топлива и давлением до 40—60 ати. Температура факела форсунки 1400—1500°С. Воздух, из отверстий в стенках камеры сгорания, дожигает горючее в факеле. Воздух из следующего ряда отверстий снижают температуру газа до нужных ве-личин. Так же его можно снижать регулируя коэф. «избытка окисли-теля» в форсунке. Применение сменных форсунок, сопел Лаваля и насадок на срезе сопла, позволяет менять вид обработки.

Для подачи топлива к термогазогенераторам на стройплощадке, применен компрессор, ЗИФ-55, рис.6, с дополнительными баком горю-чего и щитком регулировки режима работы, рис.6, [19]. Воздух из ресивера, через щиток регелировки, выесняет бензин из бака в шлнг подачи. Модернизированная ходовая часть ЗИФ-55 позволяет пере-возить ЗИФ-55 со скоростью до 60 км./час.

1.2. Закрепление водонасыщенных скважин, рис.7.

Известно, сопло Лаваля работает в воде. Устройство, рис.7, создано на базе патента 527085, [15]. Из С\з-х сопел Особого Соплового блока продукты сгорания или нагретый воздух отжимают воду. Образуется газовая зона-6, по контуру Особого Соплового блока-4 и лба. Газовый поток тормозится на лбе с отсоединенным скачком уплотнения-5. За ним возник рабочий поток с температурой и давлением, близкими к их значению при входе в сопло Лаваля. Газ обжимается в кольцевом конфузоре и резко расширяют в диффузоре-8.

Впервые применены: кольцевые С\з-е сопла, образованные стен-ками скважины и контуром обечайки-2. В отличии от сопел РД, термогазогенераторов и термобуров.

1.3. Упрочнение лба скважин рис.8.

Грунт лба забоя упрочняется:

1. Фиг.1, рис.8, патент 527085, [15]. Тепловой радиацией от С\з-й струи из термогазогенератора стоящего на нужном расстоянии от лба забоя.

2. Фиг.2.Патент а. с.390252, [20],71г. Впервые применен централь-ный ввод порошка в тело в С\з-й стуи из центра-льной трубки-4, для его нанесения на поверхность, в частности на лоб забоя.

В рис.7, рис.8, контур С\з-х сопел впервые создан стенкой скважины и кон-туром термогазогенератора в ней.

1.4. Уширение в скважинах под буронабивные сваи, рис.9.

При работе на стенде, [54], выявлено, что в местах остановки работающего термогазогенератора на уровне выходного среза его сопла Лаваля растет диаметр циркуляционных торовых газовых вих-рей, которые разрушают грунт стенок скважины и создают её уширение в местах остановки.

1.5. Упрочнение грунтовых плоскостей, рис.10.

Существующие способы упрочнения грунтовых плоскостей, дорог, аэродромов, насыпей и подобных земляных устройств, не отвечают требованию времени. В лаб.«НФМНОЕИМС», создан принципиально новый способ упрочнения грунтовых поверхностей. Боженов Е. П. «Термогазодинамические устройства для закрепления грунтовых по-верхностей дорог, аэродромов» и подобных грунтовых сооружении», [21], 71г., рис.10. Впервые применено перерасширенное сопло Лава-ля для направленной обработки наземных объектов, например для упрочнении грунтов и других операций, в отличии от высотного сопла РД. С\з-я струя перестраивается в закритической зоне сопла Лаваля и из среза сопла выходит дозвуковая, высокотемтературная, направ-ленная струя, обрабатывающая объект.

1.5.1.Создание дорог, аэродромов из местного грунта,. рис.13. Патент 528371,«Способ возведения грунтового покрытия и устрой ство для его осуществления», [22],73г. рис.13. Впервые термогазоди-намика перерасширенной С\з-й струи применена для создания дор-ог, аэродромов, насыпей с применением местного грунта. Который из бункера-9, рис.13, обрабатывается высокотемпературным динами-ческим газовым потоком из перерасширенных сопел Лаваля-4 и ук-ладывается в один и несколько слоев, для создания прочных, изоляци-онных, защитных грунтовых покрытий. При необходимости, из форсу-нок-8 в грунт вносятся термопластичные вяжущие или легкоплавкие тех. агенты, порошки, всвеси и т. п.

Разные виды тех. агентов вносятся одно-временно и периодически в зависимости от вида работ. При необходимости грунт еще прогрева-ют соплом Лаваля-4 и затем обрабывают катками 6,7.

Новый способ возведения грунтового покрытия, в том числе из местных материалов, с применением перерасширенных сопел Лаваля состоит из: 1. Отсыпки местного или привозного грунта; 2.Упрочнение слоев грунтовой отсыпки теплом из этих сопел; 3.Применения разных тех. агентов для улучшения свойств грунта отсыпки; 4.Оплавления, упрочнеия верхних слоев отсыпки теплом из сопел или всего массива отсыпки. Степень перерасширения сопел Лаваля и тип тех.агетов выбирается от вида обработки. Доклад- Е.П.Боженов, О.Н.Третьяков,«Улучшение механических свойств грунтов теплофизическим способом», Горногеологическая теплофизнки». ЛГИ. Л, 1981), [23].

Сверхзвуковая газовая струя из сопла Лаваля с давлением на срезе сопла Р.с= Р атмосферному, получаемая в темогазогене-раторе, на топливе сжатый кислород + бензин, керосин, выполняет прорезку температурных швов в сплошных железо-бетонных пок-рытии дорог и аэродромов, (Статья Боженов Е. П. Горб В. И. Исследова-ние характера взаимодействия горячего газового потока с железо-бетонными элементами. [7].). В лаб. «НФМНОЕИМС» разработанаы способы и устройства для их выполнения: «Способ заполнения швов и трещин». [69] и «Способ нарезания пазов в покрытиях и устройство для его осуществления» [70].

2. СОВМЕЩЕННАЯ ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ОБЪЕКТОВ ГАЗОВЫМ ПОТОКОМ ОТ ПЕРЕСЕЧЕНИЯ СВЕРХЗВУКОВЫХ СТРУЙ, ВСТРЕЧНЫХ и ПОПУТНЫХ.

1.Совмещенная струйная термогазодинамическая обработка предложена в 1960г., рис.16. В заявке на предполагаемое изобре-тение, впервые применено несколько С\з-х газовых струй. Их пересечение создает газовую зону обработки объекта, например для обжига грунта. Экспертиза неоднократно откланяла заявку, из-за её яко бы «нерабо-тосособности». Практика показала обратное.

2.Устройство, лаб.«НФМНОЕИМС», рис.17, создано для упрочнения и иной обработки плоско-выгнутых грунтовых поверхностей. Под кожухом-1, установлены сопла Лаваля. Пересекающиеся С\з-е струи, встречные и попутные, состоят из продуктов сгорания топлива или горячего воздуха. Под их пересечением возникает дозвуковая горячая газовая зона обработки поверхности. Кожух-1, с батареей газогене-раторов, ставится в рабочее положение. 17. В устройстве-3, в термога-зогазогенератор подается: кислород + бензин, керосин. В устрой-стве-4, подается топливо: сжатый воздух + углеводороды или только горячий сжатый воздух.

3. Патент 381546,«Способ обработки твердого материала», [24], 71г., рис.18. Впервые энергия пересекающихся С\з-х струй газа применена для разных видов обработки. При их пересечении возни-кает сложная трехмерная газовая структура перестроения С\з-х струй в высокотемпературный рабочий поток, обрабатывающий объект. Вид обработки зависит от параметров С\з-х струй и расстояния от среза сопла, обрабатываемой поверхности.

Впервые применена центральная трубка-2 для ввода порошка в тело С\з-ой струи в закритической зоне сопла Лаваля,71г., для его нанесения на поверхности. Трубка-2 открыта в сверхзвуковой зоне сопла. Конструкция трубки-2 может быть любая, в частности она выполнена как коаксиальный стержень, [24]. Трубка -2, ставится в центральном сопле-1 или в боковых соплах Лаваля-3. Способ, позво-ляет выполнять широкий диапазон различных операций, в том числе наносить антикоррозионные, декоративные, укепляющие, упрочня-ющие, изоляционные покрытия на поверхности объектов, изделий машиностроения и строй. индустрии и для улучшения грунтовых пове-рхностей и т. п. В зависимости от расстояния между срезом сопла Лаваля и обрабатываемой поверхностью представляется возможным выделить некоторые, достаточно условные, зоны обработки: 1.В на-чале зоны-4 материал бурится, разрезается, фрагментируется;

2. С середины зоны-4 выполняется чистка поверхности от твердых наростов, наслоений; З. В конце зоны-4 выполняется нанесение пок-рытий порошками и тех. агентами. 4. В зоне-5 выполняется наплав-ление, напыление, нанесение порошков и тех. агентов, находящихся в разогретом, полужидком виде. Устройство работает и без трубки-2, выполняя: 1.Фрагментацию, измельчение минеральных сред; 2.Упро-чнение грунтов; 3.Очистку, зачистку поверхностей и т. п. операции. В целом патент 381546, выполняет широкий круг технологий «струй-ной термогазодинаической обработки объектов».

В эту же группу входит: Патент.523980, «Устройство для тер-мического разрушения и обработки твердого минерального матери-ала», [25].74г. Из боковых сопел Лаваля выходят сверхзвуковые вы-сокотемпературные газовые струи и соударяясь, образуют вместе с центральной сверхзвуковой струей ударные волны. Ударные волны, охваченные конической насадкой-3, сжимаются, что увеличивает эф-фект обработки объекта термогазодинамическим способом. Из стер-жня-12 подаются любые порошки, тех. агенты. Устрой-ство работает и без центральной трубки-12.

З. ПОЛЫЕ НАСАДКИ НА ВЫХОДНЫХ СРЕЗАХ СВЕРХЗВУКОВЫХ СОПЕЛ ДЛЯ ОБРАБОТИ ОБЪЕКТОВ.

3.1. Патент 675290, «Термогазогенератор», [26], ЛИСИ, 71г. рис.19. Впервые обработка объектов выполняется насадкой на выходном срезе сопел Лаваля. Насадка или наружная обечайка-3, рис.19, на С\з-ом сопле может быть с любой геометрией внутренней полости, начиная от выходного среза сопла. Наружный воздух засасывается в полость насадки-3, понижая температуру рабочего газового потока в насадке до величины упрочнения грунтов или удаления ржавчины, грязе-красочных, ледовых и других наростов. Насадка устанавливается на срезе одного со-пла или одна насадка на несколько сопел.

3.2. Патент 607922, «Термоинструмент», [27], ЛИСИ, 70г., рис.20. Предназначен для термогазодинамического упрочнения грунтовых плоскостей, откосов, для очистки от ржавчины и лакокрасочных наслоений, для удаления снего-ледовых наносов. Впервые применён Особый Сопловой блок с: эжектором-2 и соплами, сопло Лаваля-3, сопло Лаваля-4. Они вместе создают газовую рабочую струю для об-работки объекта. Съемные сопло-3, сопло-4 имеют разную геометрию, что позволяет менять режим обработки. Передвижной и сменный эжектор позволяет менять: объем затягиваемого наружного воздуха, рабочую темп. струи и размер пятна контакта струи с поверхностью объекта.

3.3. Патент 426108, «Термогазогенератор», [28],71г, рис.21. Специ-альная сменная насадка в виде пирамиды ставится на выходном срезе сопла Лаваля или на промежуточной втулке-6, установленной на сопле Лаваля. Внутренняя полость имеет разную конфигурацию и объём. Насадки могут быть съемными или постоянными, жестко соединен-ными с стенками сверхзвуковой зоны сопла. Вид обработки зависит от типа насадок. Щелевое сопло-9 может быть сверхзвуковым и дозву ковым. В полости пирамиды, С/з-я струя из сопла Лаваля-5 перестраи-вается в рабочий поток. Пирамида-1 имеет один или несколько кол-лекторов-7, из которых, через отверстия-8, подаются в полость-1, до-полнительные тех. агенты: порошки, взвеси, жидкость, газы, воздух.

1.Воздух, как тех. агент, при меняют для изменения температуры рабочего газа из со пла-9, при разных видах обработки, например: 1. Упрочнение грунтов; 2. Удаление ржавчины, грязе-красочных насло-ений с поверхности стальных, бетонных конструкций, ферм мостов, судовых корпусов и надстроек; 3.Удаления снеголедовых наростов с конструкций, корабельных палубных надстроек, привальных портовых стенок, дорог, железнодорожных стрелок, переходов.

2. При создании структурированных слоев прочного грунта и вы – сокопрочного изоляционного грунтового слоя, нужны расплавляемые тех. агенты, жидкое стекло, подплавленная порошковую взвесь и терм опластичные взвеси для скрепления грунта. При необходимости вво-дят тех. агент для регулировки температуры рабочего газа. Тех. агенты вводятся единовременно или периодически через один или разные коллекторы. В ручном устройстве, рис.22, порошок вводят из отверстий в стенках сверхзвуковой зоны сопла Лаваля.

4.ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПРОХОДКИ, РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДОВЫХ И ГРУНТО-ЛЕДОВЫХ МАССИВОВ.

Воздействие льда на сооружения – больная проблема всей страны, особенно в Арктике. Известные способы воздействия на лед: 1.Тер-мические (радиационный, естественный, искусственный обогрев, рас-тапливание льда паром, горячим воздухом, горячей водой, огнега-зовым факелом); 2.Химические; 3.Электро-физические и Лазерные; 4.Взрывные; 5.Механические. Все они отличаются сложностью кон-струкции, высокой стоимостью изготовления и обслуживания. Патен-тные поиски и высокие затраты на НИР по борьбе с льдообразовани ями, пока не оправдываются. Их разовое применение вынужденное. Реальных методов борьбы с пайковым льдом, торосами, зажорами, заторами и стамухами- нет. В статье Боженов Е.П, «Термогазодина-мическое бурение ледовых массивов». Кн Горная технологическая теплофизикаа. Тез. 11 Всесоюзной, науч.-гех. Конф. «Проблемы горной теплофизнки». ЛГИ. Л., 1981, [38].В ней предложен прннципиально иной метод борьбы с льдообразованиями.

4.1. Высвобождение объектов из льда, мерзлого грунта.

Лом, пешня, кирка и отбойный молоток – основные средства выс-вобождения предметов, механизмов вмерзших в лёд, грунт. Для реше-ния этой задачи в лаб. «НФМНОЕИМС», спроектирован многоцелевой инструмент ТГИ-1В, «Устройство для разработки мерзлого грунта», с использованием патента 404924, [16] и патента а.с.527085 [15], для высвобождения подкрановых путей из мерзлого гру-нта на объектах УМ-250, трест «Глав. Зап. Строй», [19], рис.23. Установлено, ТГИ-В1 мгновенно «прожигает» С\з-й струёй лед и ледовый грунт в пятне её контакта с ними. При этом стенки реза в мерзлоте, льде остаются пр-очными. Компрессорщик, оператор, подсобник, одним ТГИ-В1, рабо-тающим от ЗИФ-55, высвобождают все звено подкранового пути за 45—50 мин., без его разрушения и повреждении деревянных, бетонных шпал, опорных плит. С/з-й струёй достаточно обдуть торцы шпал или 0.3—0,5 периметра опорной плиты не зависимо от степени смерзания, и засыпки звена. Нижняя часть путевого звена теряет связь с мерзлым грунтом, льдом, без её обдува С\з-й струёй. Звено легко вынимается из призмы пути. За создание, применение ТГИ-В1 лаб.«НФМНОЕИМС» и УМ- 250, за применение, награждены Медалями ВДНХ СССР.

Изогнутая под углом-110 гр. ручная штанга ТГИ-В1 позволила, в отличии от термобуров, удобно удерживать струю в нужной зоне, а отработанный газ не идет на оператора. Регулировка режима работы выполняется вентилями на его штанге, рис.23. Боженов Е. П. «Термо-газодинамический способ высвобождения шпал железнодорожных путей карьеров в зимнее время». Кн. Горнотехно-технологическая теп-лофизика. Всесоюз. науч. техн. Конф. «Проблемы горной тенлофизики», ЛГИ. Л. 1981. [29], [30].

Работая от пневморазводки, пневмопривода тепловоза ТГИ-В1 применяется при демонтаже железнодорожных. путей, удалении нале-дей на путевых, стрелочных переходах, между остряками и рамным рельсом, удалении льда водопропускных трубах дорог, мостов и т. п. сооружении. Его эффекивность на порядок выше скребка с воздушн-ым соплом и всех типов обогревателей при низких темтературах, в гололед, снегопад, изморозь, метель.

При обледенении любых судов, особенно промысловых в осенне-зимние «шторма», есть топор, кувалда, скребок. Они причина травм экипажа и аварийных ситуаций от повреждения такелажа, электро-проводки, судовых трубопроводов и других судовых систем, палубной вертолетной площадки. Ииструмент, рис.24, решает проблему.

4.2. ТЕРМОГАЗОСТРУЙНАЯ проходка ледовых массивов, ЗАЩИТА ИНЖЕНЕРНЫХ сооружений от ледового воздействия.

4.2.1.Походка ледовых скважин большого диаметра не решает-ся. Е. Боженов, А. Гаврилова создали способ и устройство, рис.25, 70г., для проходки скважины любого диаметра. Состоит из: 1.Теплового щита; 2. Газогенератор с соплом Лаваля. Струя горячего воздуха или продутов сгорания топлива из сопла Лаваля, нагревает шит-1. Газ, из сопл-4, сверхзвуковых или дозвуковых, и тепло от щита-1 разруша-ют лед. Создан принципиально новый «Способ проходки ледовых мас-сивов» и получение в них скважин любого диаметра,