Устройство для самоподдержания детонации - RU2201293C2

Чертежи

Описание

Область применения
Настоящее изобретение в основном относится к области технологии нанесения покрытия посредством мгновенного взрыва газа и, в частности, относится к повышению скорости детонации устройства для детонационного нанесения покрытия путем самоподдержания детонации газа.

Устройство для самоподдержания детонации, подобное описанному в настоящем изобретении устройству, также относится к "устройствам пульсирующего горения". Они были разработаны главным образом для применений в двигателях (от более ранних, "пульсирующих воздушно-реактивных двигателей", подобных немецкому German VI "Buzz Bomb", который применялся во время Второй мировой войны до более современных "двигателей с пульсирующей детонацией", PDE's), но, как было установлено, также полезны и для других применений, как, например, сушки, плавки, нагрева воды и распыления суспензии.

Настоящее изобретение относится к усовершенствованию конкретного "устройства для пульсирующей детонации", используемого, в частности, но не исключительно, в качестве устройства для детонационного нанесения покрытия посредством мгновенного взрыва.

Предшествующий уровень
Покрытия обычно защищают подложки от воздействия жестких условий окружающей среды, как, например, тепла, износа и коррозии. Существенный фактор в защитной способности покрытий относится к способу, посредством которого покрытие наносится на подложку. Во множестве промышленных применений покрытия наносятся посредством технологий термического распыления. Два типа (2) устройств для термического распыления включают пистолеты HVOF (высокоскоростные с кислородным топливом) и детонационные пистолеты.

В пистолете-металлизаторе HVOF непрерывное высокотемпературное горение создает сверхзвуковую высокоэнергетическую струю. Порошок для покрытия инжектируется в непрерывную высокоэнергетическую струю, обычно внутри цилиндрического ствола пистолета, и образует покрытие при нанесении на подложку. В отличие от этого пистолета детонационный пистолет, действующий пульсирующим образом, использует кинетическую и тепловую энергию от мгновенного взрыва горючих газов для нанесения порошкообразных материалов для покрытия на подложку посредством импульсов. В камеру сгорания поступает определенное количество топлива и газообразного окислителя. Запальная свеча воспламеняет смесь горючих газов для инициирования горения, которое трансформируется в мгновенный взрыв. Ударная волна, созданная этим взрывом, перемещается со сверхзвуковой скоростью из камеры сгорания в цилиндрический ствол, в который обычно инжектируется подходящий порошок для покрытия. Ударная волна и продукты распространяющегося взрыва продвигают порошок для покрытия из цилиндрического ствола и осаждают его на подложку, образуя таким образом слой покрытия. Этот процесс повторяют до тех пор, пока на подложке не образуется слой покрытия достаточной толщины. В некоторых детонационных системах напыления между последовательными воспламенениями в камеру подают инертный газ, как, например, азот, для прекращения горения и предотвращения проскока пламени в устройство для подачи кислорода и топлива и очистки камеры сгорания и цилиндрического ствола от продуктов горения при взрыве.

Механизмы мгновенного взрыва являются ключевыми в работе детонационного пистолета. Мгновенный взрыв создает ударные волны, которые переносятся со сверхзвуковой скоростью порядка 4000 м/сек, и повышенные температуры порядка 3000^oC . Детонация внутри пистолета регулируется типом и количеством топлива (например, природного газа, пропана, ацетилена, бутана и т.п.), соотношением топлива и кислорода в смеси, первоначальным давлением газов в камере сгорания и геометрией камеры сгорания. Циклическое воспламенение порции горючей смеси создает горение, увеличивающее энтропию внутри камеры сгорания и, в конечном счете, распространяющее воспламенение горючей смеси по всей камере сгорания. При правильной комбинации параметров, приводящих к достаточным локальным давлению и температуре внутри заданного объема, накопленная энергия горения обеспечивает переход к мгновенному взрыву.

В определенный момент времени фронт взрывной волны создает систему отдельных детонационных ячеек. Поведение взрыва на уровне ячейки является важным характерным признаком при регулировании и работе типичного детонационного пистолета. Детонационная ячейка является многоразмерной структурой, которая образуется под воздействием как фронта взрывной волны, так и поперечных взрывных волн. Распространение фронта ударной волны, созданной взрывом, перпендикулярно внутреннему периметру камеры сгорания, и он направляется от закрытого конца камеры сгорания к открытому концу камеры сгорания. У внутреннего периметра камеры сгорания также образуются поперечные ударные волны, перемещающиеся к центральной линии камеры сгорания и от нее. В современном понимании взрывная волна составляет конечную оболочку многоразмерной структуры фронта взрыва, содержащего множество поперечных ударных волн.

Фронтальная поверхность детонационной ячейки имеет выпуклую форму. Позади фронтальной поверхности находится реакционная зона, в которой происходит химическая реакция. У края ячейки, по существу, под прямым углом к фронтальной поверхности детонационной ячейки создаются поперечные ударные волны. Поперечные волны имеют акустические хвосты, проходящие от кормовых (задних) кромок поперечных волн и ограничивающие кормовую кромку детонационной ячейки. Поперечные волны перемещаются от ячейки к ячейке и отражаются друг от друга и от любой ограничивающей структуры, как, например, стенки камеры сгорания. После инициирования взрыва реакция довольно стабильно продолжается, если последующие детонационные циклы инициируются и поддерживаются при условиях, сходных с условиями предыдущих мгновенных взрывов.

Ударные волны перемещаются от закрытого конца камеры сгорания в направлении открытого конца камеры сгорания и в цилиндрический ствол. Очень важно, чтобы камера сгорания имела достаточные длину и диаметр для обеспечения перехода от сгорания к мгновенному взрыву до поступления в цилиндрический ствол, поскольку в ином случае аккумулированная энергия может рассеиваться внутри цилиндрического ствола пистолета. При работе детонационного пистолета также очень важно создать ударную волну и направить ее в цилиндрический ствол пистолета настолько эффективно, насколько это возможно, с тем, чтобы огромное количество кинетической и тепловой энергии газообразных продуктов мгновенного взрыва непосредственно направлялось на перенесение порошка из цилиндра на подложку. Однако отраженные поперечные волны, сталкиваясь с другими волновыми структурами, могут разрушаться, вследствие чего снижаются как скорость взрывной волны, так и передача энергии мгновенного взрыва при их перемещении через камеру сгорания. Эти противоречия уменьшают количество энергии, которое может быть передано порошку для перекрытия, в результате чего ухудшаются характеристики сцепления между покрытием и подложкой и снижается плотность самого покрытия.

Другим важным характерным признаком для регулирования и работы детонационного пистолета является размер детонационной ячейки. Размер ячейки является функцией молекулярной природы топлива, исходного давления внутри камеры сгорания и отношения топливо/кислород. Конкретный размер ячейки для определенных условий может быть определен экспериментально. Ширина ячейки S_с измеряется вдоль фронта волны между последовательными поперечными волнами. Длина ячейки L_с является расстоянием по перпендикуляру от линии тангенса к фронту волны, измеренным до точки пересечения с акустическими хвостами от смежных поперечных волн. Типичное отношение ширины ячейки S_с к длине ячейки L_с для рассматриваемых детонирующих газов составляет S_с = 0,6 L_с. Физические параметры конкретного детонационного пистолета, как, например, геометрия и рабочие давления, определяются размером ячейки конкретной топливокислородной смеси.

В типичном детонационном пистолете компоненты взрывной смеси подаются в камеру сгорания, и порошок для покрытия подается непосредственно в цилиндрический ствол пистолета посредством инертного газа впереди взрывной волны. Система с конкретным содержанием газа и различные газы подаются от постоянного источника через клапанное устройство пистолета. Например, работа порошкового клапана координируется с зажиганием запальной свечи с тем, чтобы порошок и несущие газы находились в позиции вдоль цилиндрического ствола пистолета для должного воздействия на них взрывной волны. Типичные клапаны для регулирования газа открываются посредством механических средств, как, например, кулачка и толкателей или соленоида, которые создают проблему надежности в связи с тем, что они являются быстро движущимися деталями. Порошковый клапан, ответственный за транспортировку порошков, имеет тенденцию к истиранию, естественно связанную с заботами, касающимися срока службы пистолета и его технического обслуживания. Кроме того, клапаны создают проблему безопасности, связанную с тем, что протечки, заедание при открывании или поломки открывают изменчивый и потенциально опасный путь для выпуска продуктов взрыва. Еще одним недостатком этих механизмов является то, что они часто ограничивают частоту, с которой может запускаться пистолет, поскольку клапан должен быть открыт достаточно далеко и достаточно долго для обеспечения возможности пропускания необходимого количества газа через пистолет.

Скорость, с которой детонационный пистолет напыляет на подложку порошок для покрытия, является важным экономическим параметром в промышленных применениях. Скорость детонации регулируется и иногда ограничивается множеством факторов, как, например, типом топлива, системой подачи топлива, геометрией камеры сгорания и цилиндрической части пистолета, системой подачи порошка, очисткой системы между последовательными инициациями и частотой детонирования горючей газовой смеси. Скорость осаждения выражается как отношение между скоростью напыления и площадью напыления ("площадью пятна напыления"). Скорость напыления определяется в терминах массы порошка для покрытия, использованного в единицу времени, обычно в кг/час, и обычно находится в пределах от 1 до 6 кг/час. На скорость напыления в огромной степени оказывает влияние скорость, с которой мгновенно взрывается горючая газовая смесь. В типичных детонационных пистолетах средством для воспламенения горючей газовой смеси является запальная свеча, которая срабатывает с максимальной скоростью от 6 до 10 раз в секунду. Площадь пятна напыления является площадью покрытия, нанесенного за один взрыв пистолета, которая грубо равна площади поперечного сечения цилиндрического ствола и обычно выражается в мм². Скорость напыления типичного промышленного детонационного пистолета составляет от около 0,001 до 0,02 кг/мм²•час.

В типичных детонационных пистолетах горючие топлива и кислород подаются либо в камеру смешения, либо непосредственно в камеру сгорания через серию клапанов. Горючие газы подаются под давлением от около 1 до 3 МПа из постоянного источника в систему клапанов перед их подачей в пистолет. Как было рассмотрено ранее, система клапанов, применительно к типичному детонационному пистолету, поднимает серьезные проблемы, касающиеся скорости, надежности и безопасности.

Важной характеристикой, оказывающей влияние на качество покрытия, являются сверхзвуковые скорости, с которыми перемещаются ударные волны. Ударная волна инициирует ускорение порошков для покрытия, тогда как продукты взрыва переносят порошки для покрытия для образования высокоплотных покрытий с лучшими адгезионными свойствами, чем при других способах напыления покрытий. На скорость порошка для покрытия на выходе из цилиндрического ствола пистолета оказывают влияние, среди прочего, тип применяемого топлива, геометрия камеры сгорания и цилиндрического ствола пистолета. Типичные скорости взрывной волны для взрывных газовых смесей составляют от около 1200 до 4000 м/сек. Например, скорости взрывной волны для смеси водород-кислород составляют около 2830 м/сек и для смеси метан-кислород составляют около 2500 м/сек. Максимально достижимые скорости известных конструкций детонационных пистолетов составляют приблизительно 3000 м/сек.

Еще одной характеристикой, оказывающей влияние на качество покрытия, являются температуры, при которых работает детонационный пистолет и которые оказывают влияние на плотность покрытия. Для нанесения плотного покрытия порошок должен расплавляться внутри цилиндрического ствола детонационного пистолета. Чем выше адиабатическая температура пламени горючей газовой смеси, тем легче плавится порошок для покрытия. Типичные адиабатические температуры пламени взрывных газовых смесей находятся в диапазоне от около 1900^oС до около 3200^oС, при этом для смеси водород-кислород они составляют около 2807^oС, для смеси метан-кислород - около 2757^oС. Тепло, передаваемое порошком, является функцией множества параметров, включающих геометрию цилиндрического ствола и активное охлаждение цилиндрического ствола. Эти температуры достаточно высоки для расплавления большинства материалов для подложки, однако прерывистая природа мгновенного взрыва внутри детонационного пистолета и быстрое рассеяние тепла в атмосферу между цилиндрическим стволом пистолета и подложкой предотвращают оказание вредного воздействия на подложку.

Использование негорючих газов, инертных газов при работе детонационного пистолета оказывает воздействие на качество полученных покрытий путем снижения плотности покрытия, а также вредного воздействия на адгезионные характеристики между покрытием и подложкой. При работе детонационного пистолета обычно принято использовать три негорючих газа, включающих: 1) очистные продувочные газы; 2) газы-носители порошка; и 3) газы для регулирования детонационного процесса.

Продувочными очистными газами обычно являются инертные газы, которые обычно используются для продувки камеры сгорания между последовательными зажиганиями запальной свечи для прекращения процесса горения. Это важно для работы детонационного пистолета, поскольку камера сгорания между последовательными зажиганиями должна заполняться через серию клапанов небольшими количествами горючей топливокислородной смеси. Если горение продолжается в камере сгорания в то время, пока открыты клапаны, возможно, что горение будет продолжаться в устройстве для подачи топлива и газообразного окислителя и может явиться причиной взрыва. Одной из проблем при использовании продувочных газов является их смешивание с горючими газами, приводящее к снижению полной энергии взрыва. Следовательно, уменьшается тепловая и кинетическая энергия, которая может быть передана порошку для покрытия, что выразится в оказании вредного воздействия на плотность и сцепление покрытия.

Газы-носители для порошка, часто сжатый воздух, обычно используются для переноса порошков для покрытия из резервуара в цилиндрический ствол детонационного пистолета перед взрывной волной. В больших количествах эти газы также снижают кинетическую энергию, которая может быть передана порошкам для покрытия, поскольку они снижают температуру и скорость фронта взрывной волны. Воздействие на качество покрытия выражается в снижении плотности покрытия и слабой адгезии к подложке. Наконец, инертные газы также смешиваются с взрывными газами при регулировании взрывного процесса. Эти газы обычно используются в небольших количествах для регулирования температуры, скорости и химической среды продуктов взрыва и стабильности детонации.

Следовательно, существует потребность в уникальном пистолете с самоподдержанием детонации (т.е. с автогенным поддержанием детонации).

Описание изобретения
Настоящее изобретение относится к устройству и способу самоподдержания детонации (т.е. автогенного поддержания самопроизвольного разряда).

Известно устройство для самоподдержания детонации, содержащее камеру сгорания с закрытым концом, открытым концом, имеющую объем, достаточный для инициирования в нем мгновенного взрыва, средство для введения топлива в камеру сгорания, средство для введения газообразного окислителя в камеру сгорания, средство для воспламенения топлива газообразного окислителя в камере сгорания (см. SU 1827872).

Отличие заявленного устройства от известного заключается тем, что предложенное устройство снабжено средством для создания вторичного давления внутри камеры сгорания, при этом после мгновенного взрыва средство для воспламенения в сочетании со средством для создания вторичного давления создают окружающую среду, вызывающую воспламенение топлива и газообразного окислителя и инициирование последующего мгновенного взрыва.

Кроме того, устройство для самоподдержания детонации дополнительно содержит цилиндрический ствол, имеющий входное и выходное отверстия, при этом входное отверстие примыкает к открытому концу камеры сгорания, средство для введения порошка в устройство таким образом, чтобы порошок покидал устройство через выходное отверстие цилиндрического ствола, лабиринт или клапан для предотвращения распространения горения из камеры сгорания в средство для введения газообразного окислителя и второй лабиринт или клапан для предотвращения распространения горения из камеры сгорания в средство для введения топлива.

Согласно варианту осуществления средство для введения топлива и средство для введения газообразного окислителя представляют собой камеру смешения, сообщенную с камерой сгорания.

Кроме этого, средство для воспламенения выполнено в виде инициирующего элемента, способного поглощать достаточно энергии от мгновенного взрыва для достижения температуры, достаточной для воспламенения топлива и газообразного окислителя и инициирования последующего мгновенного взрыва при вторичном давлении.

Кроме того, средство для воспламенения дополнительно содержит средство для создания искры, при этом средство для создания искры воспламеняет горючее топливо и газообразный окислитель до тех пор, пока инициирующий элемент не достигнет температуры, достаточной, в сочетании со вторичным давлением, для воспламенения топлива и газообразного окислителя.

Инициирующий элемент дополнительно имеет нихромовый конденсаторный участок и изоляционный участок, а также может нагреваться посредством электричества.

Камера сгорания дополнительно содержит: сужающуюся секцию, имеющую переднее по ходу потока отверстие и заднее по ходу потока отверстие, образующее открытый конец, переднее по ходу потока отверстие сходится с задним по ходу потока отверстием под углом β; секцию воспламенения, проходящую от закрытого конца к заднему по ходу потока отверстию, при этом угол β составляет около 50^o или меньше, и как еще один вариант, угол β составляет от около 8^o до около 35^o.

Кроме того, устройство для самоподдержания детонации дополнительно содержит расширяющуюся секцию, имеющую первое отверстие и второе отверстие, при этом расширяющаяся секция расширяется от первого отверстия ко второму отверстию под углом α, расширяющаяся камера размещена между секцией воспламенения и сужающейся секцией, причем второе отверстие примыкает к расположенному выше по потоку отверстию сужающейся секции, и расширяющаяся секция, и инициирующая секция имеют достаточный объединенный объем для инициирования мгновенного взрыва перед сужающейся секцией, при этом угол α больше чем около 15^o, и, кроме того, дополнительно содержит промежуточную секцию, имеющую длину, при этом промежуточная секция размещена между расходящейся секцией и сужающейся секцией.

Известно также устройство для детонационного напыления покрытия, содержащее цилиндрический ствол, имеющий входное и выходное отверстие, средство для введения порошка в устройство таким образом, чтобы порошок покидал устройство через выходное отверстие, средство для введения топлива в камеру сгорания, средство для введения газообразного окислителя в камеру сгорания, средство для предотвращения распространения горения из камеры сгорания в средство для введения газообразного окислителя, средство для предотвращения распространения горения из упомянутой камеры сгорания в средство для введения топлива (см. SU 1827872).

Отличие заявленного устройства от известного заключается в том, что камера сгорания имеет сужающуюся секцию и объем, достаточный для инициирования мгновенного взрыва перед сужающейся секцией, при этом секция воспламенения проходит от закрытого конца к сужающейся секции, сужающаяся секция имеет переднее по ходу потока отверстие и заднее по ходу потока отверстие, образующее открытый конец, переднее по ходу потока отверстие сходится с задним по ходу потока отверстием под углом β, достаточным для того, чтобы вызвать отражение взрывных волн из сужающейся секции обратно в направлении к секции воспламенения для создания вторичного давления внутри камеры сгорания, и инициирующий элемент, способный достигать температуры, достаточной, в сочетании с вторичным давлением, для воспламенения топлива и газообразного окислителя, при этом инициирующий элемент расположен в камере сгорания.

Кроме того, устройство дополнительно содержит расширяющуюся секцию, имеющую первое отверстие и второе отверстие, при этом расширяющаяся секция расширяется от первого отверстия ко второму отверстию под углом α, расширяющаяся секция размещена между секцией воспламенения и сужающейся секцией, причем второе отверстие примыкает к переднему по ходу потока отверстию сужающейся секции, а также дополнительно содержит промежуточную секцию, имеющую длину, при этом промежуточная секция расположена между расширяющейся секцией и сужающейся секцией.

Кроме того, устройство содержит устройство для создания искры, предназначенное для воспламенения топлива и газообразного окислителя до тех пор, пока температура инициирующего элемента не станет достаточной, в сочетании со вторичным давлением, для воспламенения топлива и газообразного окислителя, при этом устройство для создания искры расположено внутри камеры сгорания, при этом инициирующий элемент нагревается посредством электричества.

Известен также способ самоподдержания детонации в устройстве для детонационного напыления покрытия, включающий следующие операции: подачу топлива и газообразного окислителя в камеру сгорания, воспламенение топлива и газообразного окислителя для создания взрывной волны, создание вторичного давления внутри камеры сгорания (см. SU 1827872).

Отличие заявленного способа от известного заключается в нагревании инициирующего элемента до температуры, достаточной для воспламенения дополнительных топлива и газообразного окислителя внутри камеры сгорания при вторичном давлении, которое вызовет последующий мгновенный взрыв.

Кроме того, способ включает введение порошка перед взрывной волной с тем, чтобы порошок продвигался к подложке.

Кроме того, способ включает смешивание горючих топлива и газообразного окислителя.

Кроме того, способ включает предотвращение попадания детонационной ячейки в средствах для подачи топлива и газообразного окислителя.

Кроме того, способ обеспечивает создание вторичного давления, включает отражение взрывной волны внутри камеры сгорания от расположенной под углом стенки секции камеры сгорания.

Далее настоящее изобретение будет описано и пояснено более подробно со ссылкой на варианты, изображенные на чертежах. Признаки, изображенные и описанные в описании на чертежах, являются только иллюстративными и могут быть использованы в других вариантах настоящего изобретения либо отдельно, либо в любой желательной их комбинации.

Описание чертежей
Фиг. 1 является видом в плане с частичным разрезом одного из вариантов детонационного пистолета настоящего изобретения.

Фиг.1А является увеличенным видом одного варианта инициирующего элемента настоящего изобретения, изображенного на Фиг.1.

Фиг.1В является увеличенным видом альтернативного варианта инициирующего элемента настоящего изобретения, изображенного на Фиг.1.

Фиг. 2А является видом в плане сечения детонационного пистолета настоящего изобретения.

Фиг. 2В является графиком зависимости давления от времени детонационного пистолета настоящего изобретения.

Фиг.3А является альтернативным видом в плане сечения детонационного пистолета настоящего изобретения.

Фиг. 3В является альтернативным графиком зависимости давления от времени детонационного пистолета настоящего изобретения.

Фиг. 4 является графиком зависимости отражения вторичного давления от угла β детонационного пистолета настоящего изобретения.

Предпочтительный вариант настоящего изобретения.

Воспламенение горючей газовой смеси, являющейся комбинацией топлива и газообразного окислителя, зависит от температуры и давления внутри камеры сгорания и состава горючей газовой смеси, тогда как детонация (самопроизвольный распад) зависит от температуры и давления внутри камеры сгорания и ее объема. В последующем описании сделано допущение, что состав горючей газовой смеси остается постоянным. Следовательно, при увеличении давления внутри камеры сгорания требуемая температура воспламенения снижается в определенных пределах, и наоборот. При воспламенении горючей газовой смеси температура и давление возрастают до уровня, когда количество накопленной энергии достигает точки взрыва, при этом инициируется мгновенный взрыв, и взрывная волна начинает распространяться по всей камере сгорания.

Изображенное на Фиг. 1 устройство для нанесения покрытия взрывом, как, например, детонационный пистолет, в целом обозначено позицией 10. Детонационный пистолет содержит устройство для подачи топлива 12, устройство для подачи газообразного окислителя 14, камеру смешения 16, камеру сгорания 26, цилиндрический ствол 36, устройство для подачи порошка 38, запальную свечу 40 и инициирующий элемент 44.

Топливо и газообразный окислитель могут соединяться в камере смешения 16 с образованием, по существу, гомогенной горючей газовой смеси перед поступлением в камеру сгорания 26. Устройство для подачи топлива 12 обеспечивает подачу топлива (например, природного газа, пропана и т.п.) в камеру смешения 16, тогда как устройство для подачи газообразного окислителя 14 обеспечивает подачу газообразного окислителя (например, кислорода или воздуха). Обычно является предпочтительным, чтобы горючая газовая смесь поступала в секцию воспламенения 28 камеры сгорания 26 с тем, чтобы горение происходило как можно ближе к закрытому концу 46, в результате чего обеспечивается возможность накопления энергии, полученной в результате сгорания и мгновенного взрыва, прежде чем она достигает цилиндра 36. И устройство для подачи топлива 12, и устройство для подачи газообразного окислителя 14 доставляют топливо и газообразный окислитель, соответственно, под повышенным давлением и с расходом, достаточным для питания камеры сгорания 26 топливом и газообразным окислителем в течение промежутка времени между пиком давления отражения и последующим пиком давления мгновенного взрыва.

Для предотвращения распространения горения или мгновенного взрыва в камеру смешения 16, устройство для подачи газообразного окислителя 14 или устройство для подачи топлива 12 горючая газовая смесь предпочтительнее пропускается через лабиринт 25 прежде, чем она поступит в секцию воспламенения 28. Лабиринт 25 образуется при перекрывании первого отверстия 22 первой втулки (бушинга) 18 и второго отверстия 24 второй втулки (бушинга) 20 с образованием проходного канала. Проходной канал имеет размер, достаточно большой для того, чтобы обеспечить возможность свободного течения горючей газовой смеси из камеры смешения 16 в секцию воспламенения 28, но достаточно малый для того, чтобы предотвратить прохождение детонационной ячейки через канал из секции воспламенения 28 в камеру смешения 16, устройство для подачи газообразного окислителя 14 или устройство для подачи топлива 12. Предотвращение прохождения детонационной ячейки через проходной канал сводит к минимуму возможность распространения горения из камеры сгорания 26 в камеру смешения 16, устройство для подачи топлива 12 или устройство для подачи газообразного окислителя 14.

При поступлении горючей газовой смеси в секцию воспламенения 28 устройство для создания искры, как, например, запальная свеча 40 или инициирующий элемент 44, воспламеняет горючую газовую смесь, вызывая горение. Горение повышает температуру и давление внутри камеры сгорания 26, таким образом повышая уровень энергии благодаря ее объему, и переходит в мгновенный взрыв. Мгновенный взрыв создает сверхзвуковую взрывную волну из множества детонационных ячеек. Взрывная волна предпочтительнее проходит из секции воспламенения 28 через расширяющуюся секцию 30, промежуточную секцию 32 и сужающуюся секцию 34 перед поступлением в цилиндрический ствол 36 (см. Фиг. 2А).

Мгновенный взрыв предпочтительнее происходит перед цилиндрическим стволом 36 для обеспечения эффективного распространения порошка к подложке 42. Является особенно предпочтительным, когда мгновенный взрыв происходит перед сужающейся секцией 34, так что взрывные волны могут отражаться сужающейся секцией 34 и создавать давление отражения внутри камеры сгорания 26. Цилиндрический ствол 36 представляет собой удлиненную камеру, через которую проходит взрывная волна перед выходом из детонационного пистолета 10. Устройство для подачи порошка 38 обычно вводит порошок для покрытия во взрывную волну при прохождении последней через цилиндрический ствол 36. Цилиндрический ствол 36 предпочтительнее имеет достаточную длину для того, чтобы было достаточно времени для возрастания температуры порошка, введенного во взрывную волну, до температуры, выше его температуры плавления, в результате чего повышается плотность готового покрытия. Хотя устройство для подачи порошка 38 может быть ориентировано для подачи порошка в камеру сгорания 26, для предотвращения попадания порошка во внутреннюю полость камеры сгорания 26 и прилипания к ней, оно предпочтительнее размещено на достаточном расстоянии, измеренном от открытого конца 47 камеры сгорания 26 вдоль цилиндрического ствола 36.

В то время как взрывная волна проходит через камеру сгорания 26 и выходит из цилиндрического ствола 36, в секции воспламенения 28 детонационного пистолета прогрессирует следующий цикл воспламенения, горения и детонации. Поскольку детонация (самопроизвольный распад) является экзотермической реакцией, выделяющей значительное количество энергии большей частью в виде тепла от расширяющихся продуктов мгновенного взрыва, эта реакция вызывает повышение температуры инициирующего элемента 44. При достижении инициирующим элементом 44 достаточной для заданного давления отражения температуры (будет рассмотрено ниже) создаются два параметра окружающей среды, обуславливающие воспламенение и мгновенный взрыв горючей газовой смеси. Инициирующий элемент 44 обычно расположен в секции воспламенения 28 камеры сгорания 26 предпочтительнее у закрытого конца 46 для того, чтобы горение могло происходить как можно ближе к закрытому концу 46, обеспечивая максимум времени для накопления энергии горения и инициирования мгновенного взрыва.

Согласно Фиг.1А инициирующий элемент 44 имеет конденсаторный участок 48а и изоляционный участок 50а. Конденсаторный участок 48а выполнен из теплоемкого материала, способного поглощать достаточно энергии от мгновенного взрыва и создавать горение, когда происходит отражение давления. Предпочтительнее конденсаторный участок 48а выполнен из материала с такой теплоемкостью, что он способен поглощать энергию со скоростью, обеспечивающей повышение температуры конденсаторного участка до минимальной температуры, достаточной для воспламенения горючей газовой смеси для менее, чем около десяти взрывов предпочтительнее от около 2 до около 10 взрывов. При достижении конденсаторным участком 48а минимальной температуры запальная свеча 40 может быть отсоединена или отключена.

Изоляционный участок 50а инициирующего элемента 44 предпочтительнее изготовлен из материала, как, например, керамики, предотвращающего передачу накопленной в конденсаторном участке 48а энергии в закрытый конец 46 камеры сгорания 26, для обеспечения возможности должного воспламенения горючей газовой смеси из того же самого места.

Фиг.1В иллюстрирует альтернативный вариант инициирующего элемента 44, не требующего устройства для создания искры, как, например, запальной свечи 40, для первого воспламенения горючей газовой смеси. Скорее конденсаторный участок 48b инициирующего элемента 44 нагревается от внешнего источника, например, посредством электричества, до температуры, достаточной для воспламенения горючей газовой смеси. Когда детонационный пистолет уже находится в рабочем состоянии и инициирующий элемент достиг требуемой температуры, внешний источник энергии для конденсаторного участка 48b может быть отключен. Энергия, полученная от мгновенного взрыва, будет поддерживать температуру конденсаторного участка 48b выше минимальной температуры воспламенения горючей газовой смеси при заданном давлении отражения.

На рабочее давление внутри камеры сгорания оказывает воздействие поведение детонационных ячеек. Перед воспламенением давление внутри камеры сгорания регулируется давлениями источников топлива и кислорода и геометрией камеры сгорания. После воспламенения горючей газовой смеси локальное давление внутри камеры сгорания возрастает и достигает максимума, при котором происходит мгновенный взрыв. Это первоначальное максимальное давление упоминается далее как пик давления взрыва (Р1) (см. Фиг.2В). При перемещении взрывной волны далее в цилиндрический ствол внутри камеры сгорания измеряют пик давления разрежения (Р3). Пик давления разрежения (Р3) является минимальным давлением в пределах детонационного цикла. При определенных условиях в камере сгорания затем измеряют пик повышенного давления вследствие присутствия отраженных волн от фронта взрывной волны. Этот следующий пик давления относится к пику вторичного давления или пику давления отражения (Р2), являющегося вторым самым высоким пиком давления в пределах детонационного цикла.

На Фиг. 2В изображены профиль давления для части детонационного цикла, время (Т) между пиком давления взрыва (Р1) и пиком давления отражения (Р2). (Р1) является пиком первоначального давления вследствие мгновенного взрыва, тогда как (Р2) является пиком вторичного давления. Как установлено выше, вторичное давление создается вследствие отражения первоначальной взрывной волны от стенок сужающейся секции 34 обратно к закрытому концу 46 камеры сгорания 26, создающего "давление отражения" в камере сгорания 26.

Давление отражения повышает локальное давление внутри камеры сгорания 26 до уровня, который в сочетании с температурой инициирующего элемента 44 является достаточным для воспламенения горючей газовой смеси в камере сгорания 26. Время детонационного цикла сокращается вследствие уменьшения длины (L) камеры сгорания 26 (см. Фиг.2А). Уменьшение длины (L) приводит к сокращению времени (Т) между пиком давления взрыва (Р1) и пиком давления отражения (Р2) (см. Фиг. 2В в сравнении с Фиг.3В). Работа детонационного пистолета 10 при минимальном времени (Т) его детонационного цикла повышает скорость детонации.

Как упоминалось выше, когда происходит мгновенный взрыв, взрывная волна перемещается от точки ее инициирования в направлении цилиндрического ствола 36. Максимальное расстояние, которое взрывная волна должна пройти для того, чтобы достигнуть цилиндрического ствола 36, является расстоянием (L) (см. Фиг. 2А). Расстояние (L) измеряется от закрытого конца 46 камеры сгорания 26 до открытого конца 47 камеры сгорания 26, который также является задним по ходу потока концом сужающейся секции 34. Время (Т), необходимое для выполнения детонационного цикла, зависит от времени, которое необходимо для перенесения взрывной волны от точки ее инициирования до сужающейся секции 34 и обратно в направлении к секции воспламенения 28. Максимальным расстоянием, которое, вероятно, может пройти взрывная волна, следовательно, является расстояние 2L, если точка инициирования находится точно у инициирующего элемента 44. При уменьшении длины (L) время (Т) детонационного цикла также сокращается. Как видно из Фиг.3А, длина (L') сокращается при удалении промежуточной секции 32 камеры сгорания 26, вследствие чего, как видно из Фиг.3В, сокращается время (Т') в сравнении с временем (Т).

Кроме зависимости от длины камеры сгорания 26 скорость детонации также является функцией интенсивности пика давления отражения (Р2). При увеличении интенсивности пика давления (Р2) наклон кривой от пика давления разрежения (Р3), являющегося минимальным давлением в камере сгорания 26, испытываемым в течение детонационного цикла, до пика давления отражения (Р2) увеличивается. При увеличении интенсивности пика давления отражения (Р2) горючая газовая смесь будет воспламеняться быстрее, поскольку давление внутри камеры сгорания 26 достигнет давления, необходимого для воспламенения газа, в течение более короткого периода времени. Для достижения максимальной скорости детонации интенсивность давления внутри камеры сгорания 26 должна иметь ее максимальное значение, которое является максимальным давлением отражения (Рмакс) (см. Фиг.4).

Давление отражения является функцией угла β, который является углом, под которым сужающаяся секция 34 втягивается в цилиндрический ствол 36 (см. Фиг. 3А и 4). При увеличении угла β давление внутри камеры сгорания 26 возрастает до тех пор, пока оно не достигнет значения его максимального давления отражения (Рмакс). Если угол β продолжает увеличиваться после того, как давление достигнет максимального давления отражения (Рмакс), давление внутри камеры сгорания 26 начинает снижаться для того, чтобы постоянно инициировать детонацию, давление внутри камеры сгорания 26 должно превышать критическое давление (Рс), являющееся минимальным давлением, необходимым для инициирования мгновенного взрыва при заданной температуре инициирующего элемента 44. Следовательно, угол β должен оставаться ниже максимального критического угла (β макс) и выше минимального критического угла (β мин). Например, максимальный критический угол (β макс) для горючей газовой смеси кислород/природный газ при их соотношении в смеси от около 2 до около 7 обычно составляет около 50^o, предпочтительнее около 35^o, тогда как минимальный критический угол (β мин) составляет около 8^o, предпочтительнее около 15^o.

В отличие от сужающейся секции 34, создающей давление отражения, расширяющаяся секция 30 предназначена для поддержания стабильности детонационного процесса. Расширяющаяся секция 30 проходит от секции воспламенения 28 под углом α (см. Фиг. 3А). После воспламенения горючая газовая смесь проходит через расширяющуюся секцию 30, фронт ее горения расширяется, и ее скорость снижается, что, в конечном счете, обеспечивает возможность повышения давления внутри расширяющейся секции 30, способствующего переходу к мгновенному взрыву. Угол α обычно составляет более чем около 15^o, предпочтительнее, от около 30^o до около 75^o для снижения скорости фронта горения и повышения локального давления внутри расширяющейся секции 30 после секции воспламенения 28.

Например, детонационный пистолет 10, в котором расширяющаяся секция 30 имела угол α, составляющий 30^o, а сужающаяся секция 34 имела угол β, составляющий 15^o, применяли для нанесения на подложку покрытия из порошка для покрытия марки Amperit 526.062, который вводили в детонационный пистолет 10 со скоростью распыления около 4 кг/час. В секцию воспламенения 28 подавали природный газ с расходом 10 л/мин, тогда как кислород и воздух, соединяющиеся с образованием газообразного окислителя, подавали с расходами 47 и 12 л/мин соответственно. Эффективность осаждения составила 80%, т.е. 80% порошка, введенного в детонационный пистолет, сцепилось с подложкой 42. Кроме того, была достигнута скорость детонации 55 мгновенных взрывов в секунду.

Детонационный пистолет настоящего изобретения не только превосходит известные детонационные пистолеты по скорости детонации за счет показателя, который выше более чем в 5 раз несмотря на то, что использовались сходные расходы газов и поддерживались эквивалентные качественные характеристики, например плотность и пористость покрытия, но этот детонационный пистолет способен достичь скорости детонации вплоть до или выше чем 100-300 мгновенных взрывов в секунду. Кроме того, этот детонационный пистолет является пистолетом с самоподдержанием детонации (т.е. с автогенным поддержанием самопроизвольного распада), в связи с чем скорость детонации детонационного пистолета не ограничивается стесняющим влиянием любых запальных устройств, как, например, запальных свечей. Скорее, этот детонационный пистолет воспламеняет горючие газовые смеси при создании вторичного давления.

Следует понимать, что в описанных вариантах могут быть осуществлены различные модификации. Например, инициирующий элемент 44 может оказаться ненужным, если температура топлива и газообразного окислителя является достаточной для того, чтобы в сочетании с давлением внутри камеры сгорания 26 воспламенить горючую газовую смесь. Кроме того, инициирующий элемент может нагреваться отличными от электрических средствами или конденсаторный участок 48 инициирующего элемента 44 может быть выполнен из материала, имеющего большую теплоемкость, чем указано в настоящем описании. Кроме того, сжимание камеры сгорания 26 может вызвать второй пик давления внутри камеры сгорания 26, достаточный для воспламенения горючей смеси. Таким образом, вышеприведенное описание не предназначено для ограничивания предпочтительными вариантами, которые приведены только в качестве примеров осуществления настоящего изобретения. Для специалистов должны быть очевидны и другие модификации в пределах сферы применения и духа формулы изобретения, приведенной ниже.

Реферат

Изобретение относится к технологии нанесения покрытия посредством мгновенного взрыва газа, в частности к повышению скорости детонации устройства для детонационного нанесения покрытия путем самоподдержания детонации газа. Устройство снабжено средством для создания вторичного давления внутри камеры сгорания. После мгновенного взрыва средство для воспламенения в сочетании со средством для создания вторичного давления создает окружающую среду, вызывающую воспламенение топлива и газообразного окислителя и инициирование последующего мгновенного взрыва. Изобретение увеличивает скорость детонации, с которой напыляется покрытие, путем увеличения скорости детонации горючей газовой смеси. 3 с. и 22 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула