DE1918964A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bohren von Loechern in festen Koerpern mit einer Flammenstrahlvorrichtung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Bohren von Loechern in festen Koerpern mit einer FlammenstrahlvorrichtungInfo
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Description
PATENTANWALT DIPL-ING. H. E. BÖHMER
703 B OB LI NGE N/W ü UTT. · S !.N" DKL!·'! NGEH STn A3 8 E 49 \.
FEnNSPRECHER (07031) 6131)40
Verfahren und Vorrichtung zum Bohren von Löchern in
festen Körpern mit einer Flammenstrahivorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bohren von
Löchern und Herstellen von Kanälen in festen Körpern, insbesondere in felsigen und anderen Böden oder mineralischen Materialien mit einer Flammenstrahivorrichtung unter Verwendung eines innenIlegenden Brenners als
Wärmequelle und Luft als Oxydationsmittel. Mit Hilfe dieses neuen Verfahrens und der hier beschriebenen verbesserten Vorrichtung lassen sich
größere Arbeitsgeschwindigkeiten bei vorgegebenem Bohrlochausmaß oder vorgegebenen Abmessungen des Kanals erzielen als mit den bekannten Verfahren und den üblichen Flammenstrahl bohrvorriehtungen.
Beim Herstellen von Bohrlöchern und Rinnen oder Kanülen mit Flammen-Strahlvorrichtungen verwendet man im wesentlichen zwei grundlegend
verschiedene Verfahren. Wenn der Fels· oder das Erdreich sich für die Be-
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arbeitung durch die Wirkung der heißen Flamme allein eignet, daran kann
man damit- bereits ein Bohrloch erstellen. Härtere FeSjarfere werden- msf diese
Weise geibobrf, wie z.B. Granit, Takonit, Dolomit updQtmnz.lt.
Viele bekennte Felssfrukturen können mit der Flamme allein nicht gebohrt
werden. In diesen Fällen wird ein Gebläsesand durch den Ffammensfrahl
auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt und gegen die felsige Oberfläche geschleudert. Dabei erzielt man zusätzlich eine mechanische Schneidoder
Bohrwirkung'.
Bei den ständig laufenden Forschungsarbeiten zur Verbesserung des Flammenstrahl-Bohrverfahrens
ergaben sich einige grundlegende Nachfeile dsr bisher üblichen Verfahren. "Innenbrenner", d.h. Vorrichtungen mit innen
liegender Brennkammer wurden vorgeschlagen unter Verwendung von Sauerstoff
als Oxydationsmittel und Brennkammerdrücken bis zu 12,25 atU,
aber solche Brenner sind im Betrieb sehr aufwendig wegen der hohen Kosten des Sauerstoffes. Will man Bohrlöcher mit einem Durchmesser größer als der
Durchmesser des Brenners herstellen, dann muß der größte Teil der Verbrennungsgase
durch eine oder mehrere Düsen ausgestoßen werden, deren Achsen gegen dm Achse des Brenners unter einem Winkel nach außen verlaufen.
Wird andererseits Luft als Oxydationsmitte! benutzt und mit den Üblichen
Drllcken von etwa 7tQß at zugeführt, dann Ist das durch einen axial austretenden
Strahl erzeugte Bohrloch in seinem Durchmesser immer grofc
als der Durchmesser des Brenners, jedoch sind solche Bohrlöcher häufig
viel zu groß, um praktisch brauchbar zu sein. !Beispielsweise liefert ein®
Vorrichtung mit efncm Druck!uftdurchsaiz vor« ca, 17.COO i/mm in Granit
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ein Bohrloch mii einem Durchmesser von 25.»4 cm» Es ist eäher wünschenswert,
den Durchmesser dieses Bchrloches auf etwa !5 era oder weniger zu
verringern. Verwendet man reinen Sauerstoff ats Oxydationsmittel, dann
tritt dieses Problem nicht aufv efo der axial austretende Sirahl ein Bohrloch
mit geringem Durchmesser erzeugt, aber, wie bereits erwähnt, müssen bei
Benutzung von Sauerstoff die Flammenstrahfen in einem Winkel von der
Achse des Brenners nach außen austreten, um ein Bohrloch zu erzeugen,
dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des Brenners.
Es wurde nunmehr gefunden, daß der Bohrlodkdurchmesser bei Verwendung
von Luft als Oxydationsmittel im engen Zusammenhang mit und umgekehrt proportional zu dem in der Brennkammer des Brenners aufrechterhaltenen
Druck steht, d.h. das Brennkammerdrücke oberhalb von 10,55 atü erhöhte
Bohrgeschwindigkeiten mit abnehmendem Durchmesser des ßohrlochbereiches
ergeben, wobei natürlich als untere Grenze der Durchmesser des Brenners
selbst erreichbar ist. Diese Wirkung ergibt sich zum Teil aus der Tatsache,
daß der Stickstoffgehalt der Luft (etwa 78%) durch seine mechanische Wirkung
auf den Fels oder anderes Material in Verbindung mit der hohen Temperatur
und der hohen Geschwindigkeit der aus dem Brenner ausströmenden Verbrennungsprodukte merkbar zu der Bohr leistung beiträgt.
Ein üblicher, mit Luft und Brennstoff betriebener Brenner mit einem Druckluftverbrauch
von ca. 17.000 l/min erzeugt ein Bohrloch von 25,4 dm Durchmesser in einem bestimmten Takonit mit etwa 8 1/2 m je Stunde. Dieser
Brenner arbeitet bei einem Brennkammerdruck von 4,9 atü mit einem Strahldüsendurchmesser von 31,8 mm. Verringert man jedoch gemäß der Erfindung
den Düsendurchmesser auf 22,2 mm und erhöht gleichzeitig den Brennkammerdruck auf mehr als 10,55 atü bis auf nahezu 14 atü, dann er-
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hält man wesentlich bessere Ergebnisse. Natürlich braucht man dazu einen
mit entsprechend höheren Drücken arbeitenden Luftkompressor. Die bei höherem Druck arbeitende Vorrichtung, die dieselbe Menge von ca. 17.000
l/min an Preßluft benötigt, erzielt jetzt ein Bohrloch mit einem Durchmesser von etwa 21 cm bei einer Bohrgeschwindigkeit von etwa 10,5 m Je Stunde,
Es ist in diesem Zusammenhang bemerkenswert, daß im letzteren FaI! beim Bohren tatsächlich weniger Abraummaterial anfällt als bei den bisher üblichen
Verfahren. Trotzdem ist das ganze Verfahren doch weit wirksamer, da es die gewünschten Ergebnisse bringt, nämlich eine beträchtliche Erhöhung
der linearen Bohrgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung des Bohrlochdurchmessers.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung
mit den beigefügten Figuren näher beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine isometrische Querschnittsansicht eines
Brenners beim F lammenstrahl bohren;
Fig. 2 eine Längs-Querschnittansicht eines erfin
dungsgemäß benutzbaren Brenners;
Fig. 3 eine Abwandlung des Brenners nach Fig. 2,
bei dem Gebläsesand oder Schleifpartikel in den Brenner eingeführt werden können
und
Fig. 4a, b u. c schematische Ansichten von felsigen Oberflächen,
auf die je ein Flammenstrahl mit unterschiedlicher
Geschwindigkeit auftrifft.
Fig. 1 zeigt das Flammenstrahlbohren eines unter Hitze absplitternden Ma-
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terials 13, wie z.B. Takonit. Der in einem Gehäuse Hegende Brenner 11
erzeugt einen Flammenstrahl 15, weicher auf der Vortriebfläche 21 des
Bohrloches 12 auftrifft. Abgespaltenes Material und die Verbrennungsprodukte Io strömen nach oben und an der Erdoberfläche 14 aus dem Bohrloch
aus. Die Geschwindigkeit des Flammenstrahles 15 liegt im Überschallbereich und wird durch etwa doppe !trapezförmige Stoßerregungsfelder 49 gekennzeichnet,
die im Zusammenhang mit Fig. 2 noch näher beschrieben werden.
Der Brenner 11 ist an einem Rohr 17 befestigt, das auch der Zuführung von
Preßluft vom Schlauch 19 zu dem Brenner dient. Der andere Brennstoff,
beispielsweise öl, wird Über einen Schlauch 20 durch ein Rohr 18 zugeführt,
das innerhalb des größeren Rohres 17 liegt. Zwischen dem Rohr 18 und dem
Schlauch 20 ist eine ringförmige Abdichtung vorgesehen. Beim Bohren des Bohrloches wird die Brennervorrichtung mit einer entsprechenden Geschwindigkeit
vorwärts bewegt.
Eine ausführliche Darstellung eines Luft-Brennstoff-Brenners ist in Fig. 2
gezeigt. Diese Konstruktion kann als 3-Rohrkonstruktion bezeichnet werden und stellt eine kompakte symmetrische Einheit dar. Verbrennungsluft
gelangt über das Rohr 17 in dieVerteilerkammer 39 und von dort in das
-vordere oder düsenseitige Ende des Brenners durch einen ringförmigen Raum
41, tier zwischen dem äußeren Rohr 31 und dem mittleren Rohr 32 liegt.
Die Luft kehrtdann ihre Strömungsrichtung, wie durch die Pfeile angedeutet um, und strömt zwischen dem Rohr 32 und dem innenlsegenden Rohr 33 nach
oben durch radiai angeordnete Bohrungen 43 in dem VersehlußstSfck 38 in
die Mischkammer 44. Das öl gelangt vom Rohr 18 in ein® Sprühdüse 37 und
bildet einen SprUhkege! 46, der sich mtl dor Preßluft vermischt und in der
Brennkammer 45 verbrennt. Die Verbrennungsprodukt® expandieren von dem
Ho, hdruckbesekh in der Verbrennungskammer 45 «Jyreh dl© Düse 4J ynd
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bilden den Fiammensirahf 48.
Der Brenner selbst ist an sich einfach aufgebaut. Zusätzlich zu den drei
Rohren 31, 32 und 33, wobei das Rohr 33 die Außenwand der Brennkammer
45 bildet, ist das oben Hegende BrennkammerendstUck 38 und die unten eingesetzte
oder eingeschraubte Düse 47 vorgesehen,, die die untere Fläche
der Brennkammer 45 bildet, und die beide mit der Brennkammer fest verschweißt
sind. (Schweißnaht 52). Das BrennkammerendstUck 38 bildet die obenliegende Fläche der Brennkammer 45 und ist mit dem Rohr 33 und der
Sprühdüse 37 ebenfalls durch eine Schweißnaht 53 fest verbunden.
Das mittlere Rohr 32 leitet den Preßluftstrom nach dem vorderen (untern)
Ende des Brenners, wobei dieser Luftstrom eine ausreichende Kühlung des äußeren Rohres 31 bewirkt, das durch die austretenden^ nach oben durch
das Bohrloch 12 ausströmenden heißen Gase (FIg. 1) erhitzt wird. Das innere Rohr 33 wird beim Betrieb rotglühend und fördert damit die in der Kammer
45 ablaufenden intensiven Reaktionen.
Die hohen Betriebstemperaturen des inneren Rohres 33 bewirken eine merkliche
Verlängerung dieses Rohres in axialer Richtung. Ein etwa 45,7 cm langes Rohr dehnt sich bei den hier vorkommenden Temperaturen um bis zu
^ 9,5 mm aus. Um ein Verziehen und Verkrümmen der verschiedenen Rohre
wegen ungleich großer Ausdehnung zu verhindern, (die anderen beiden
Rohre 31 und 32 erreichen kelns so hohen B&inehstmmpztuimen} nr.uß «das
33
Rohr bezüglich der Rohre 31 und 32 frei beweglich sein« Ep bisher bekennten Konstruktionen waren das Endstück 38 und die Düse 47 sfew mit dsm
außen!legenden Rohr 31 verbunden, während das inReniaegsnde- Rohr die
zylindrischen Abschnitte der das Rohr 31 stützenden Teile frei !b@we@! ich
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Solch eine gleitende Anordnung der Rohre hat jedoch den ganz wesentlichen
Nachteil, daß durch ungleichmäßige Ausdehnung der verschiedenen Teile unvermeidbare Leckverluste an Druckluft auftreten. Durch diese
undichten Steifen kann es zu sehr unerwünschten Pfeif- und Zischtönen
kommen. Außerdem wird nicht die gesamte zugeführie Luft zum Kühlen und
zur Verbrennung benutzt. Die einzelnen Rohre werden heißer als erwünscht und es ergibt sich eine verringerte VerbrennungsinSensIfät.
in der neuen erfindungsgernäßen Konstruktion wird nicht nur eine freie
gegenseitige Bewegung dar verschiedenen Brennerrohre ermöglicht, sondern Leckverluste an Preßluft werden vermieden. Wie man aus Fig. 2 erkennt,
kann das untere Ende des mitieren Rohres frei gleiten und kann sich unabhängig
vom Ausdehnen oder Zusammenziehen jedes anderen Bauteiles ausdehnen oder zusammenziehen. Dehnt sich das innere Rohr 33 aus, dann
wird diese Ausdehnung durch eine Bewegung des Rohres 18 aufgenommen, das auf dem Ölschlauch 20 gleitet.
Außerdem läßt steh die Konstruktion des Brenners nicht nur eine Längsausdehnung
der einzelnen Teile zu sondern auch eine seitliche Verschiebung, die sich durch ungleichförmiges Erhitzen rund um den Umfang der Rohre
ergibt. Der Ölschlauch 20 ist mechanisch nicht festgelegt und läßt damit eine solche Bewegung zu.
Obgleich die Düse 47 (in ausgezogenen Linien) als sich verengende Düse
dargestellt ist, ist ein zusätzlicher sich erweiternder Abschnitt der Düse in einem Düsenkörper 58 in gestrichelten Linien dargestellt und könnte
ebensogut verwendet werden. Die verschiedenen Druckbereiche des aus der Düse 47 austretenden Flammenstrahles ergeben sich daraus, daß der
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Flammenstrahl mit Überschallgeschwindigkeit austritt. Die Stoßerregungsbereiche
49 sind dabei charakteristisch für einen Bereich mit einer unsymmetrischen Verteilung von Gasdrücken. In der Austrittsebene der Düse 47 ist
der Gasdruck (bei hohem Druck der Verbrennungskammer) viel höher als der der umgebenden Atmosphäre. Der Strahl dehnt sich beim Eintritt in diese Atmosphäre
aus. Da jedoch die Schallgeschwindigkeit kleiner ist als die Strahlgeschwindigkeit,
ergibt sich nicht unmittelbar ein Ausgleich zwischen Strahldruck und atmosphärischem Druck. Es ergeben sich Stoßwellengebiete und
die Strahloberfläche dehnt sich abwechselnd aus und zieht sich zusammen.
ψ Der Mechanismus, durch den die Flammenstrahlen mit höherer Geschwindigkeit
in der Lage sind, schneller zu bohren und gleichzeitig ein Bohrloch mit geringerem Durchmesser zu erzeugen, soll nun im Zusammenhang mit
Fig. 4a, b und c beschrieben werden, wobei angenommen wird, daß der Mechanismus etwa in dieser Weise beschrieben werden kann. In den drei
Ansichten der Fig. 4 ist die gleiche Luft- und Brennstoffzufuhr angenommen. Außerdem ist die Strahlgeschwindigkeit Vj in Fig. 4b doppelt so hoch wie
die in Fig. 4a und die Strahlgeschwindigkeit in Fig. 4c ist doppelt so hoch wie die in Fig. 4b. Mit zunehmender Strahlgeschwindigkeit nimmt der
Strahldurchmesser ab. Außerdem kann bei zunehmenden Verbrennungsdrücken der Durchmesser des Brenners selbst kleiner gemacht werden.
In Fig. 4a sei VjI = 457 m/sec angenommen. Diese Geschwindigkeit des
Flammenstrahles liegt bei den hier herrschenden Drücken unterhalb der Schallgeschwindigkeit und ergibt ein Bohrloch mit relativ großem Durchmesser.
Die auftreffenden Gase müssen am Staupunkt 74 ihre Richtung ändern
und radial nach der Seite entweichen, da ihre Energie gering ist. Daher
wird der Wärmeübergang auf den Fels ganz wesentlich durch diejenige
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Komponente der Geschwindigkeit des sich ausdehnenden Gases bestimmt,
die mehr oder weniger horizontal längs der Felsoberfläche verläuft. Für
einen derart breiten Aufprall eines Flammenstrahles geringer Geschwindigkeit ist der tangentiaie Geschwindigkeitsgradient an der Kontaktfläche relativ klein, d.h. die Zunahme der Geschwindigkeit zwischen Punkt 75 und
Punkt 76 ist gering. Ein geringer Wärmeübergang in der Nähe des Staupnktes 74 ergibt eine geringere Abtraggeschwindigkeit des Felsmaterials in
der Mittellinie des Flammenstrahles. Die heißen Gase dehnen sich nach
außen aus und splittern den Fels noch eine relativ große Entfernung vom Staupunkt 74 ab. Dadurch ergibt sich ein Bohrloch mit großem Durchmesser, das in axialer Richtung langsam fortschreitet.
In Fig. 4b ist die Strahlgeschwindigkeit Vj2 mit 915 m/sec angenommen,
ein Wert, der einem Brennkammerdruck von etwa 3,5 atU zugeordnet werden kann. Der Aufprall der Strahlgase Überstreicht einen kleineren Abschnitt in der Mitte des Bohrloches und die Tangentialgeschwindigkeit vom
Staupunkt 84 zu den Pfeilen 85 und 86 ist viel höher als zuvor. Der Fels
wird an der Vortriebsfläche des Bohrloches ziemlich gleichförmig abgetragen und die Vortriebsfläche wird beinahe halbkugel form ig. Das Bohrloch hat einen geringeren Durchmesser und die Bohrgeschwindigkeit ist
größer, jedoch ist die gesamte abgetragene Felsmenge kleiner als in Fig. 4a.
Die höchsten Bohrgeschwindigkeiten mit kleinstem Bohrlochdurchmesser
erzielt man, wenn die Strahlgeschwindigkeit Vj3 in Fig. 4c auf 1830 m/sec erhöht wird. Für ein Luft-Brennstoffgemisch würde der entsprechende Kammerdruck bei etwa 21 atU liegen. Hier ist die tangentiaie Geschwindigkeitszunahme radial vom Staupunkt nach außen unmittelbar sehr hoch.
Dies ergibt in der Mitte des Bohrloches eine wesentlich höhere Abtragge-
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schwindigkeit als weiter außen. Obgleich hier am wenigsten Material abgetragen wird, ist hier die Bohrgeschwindigkeit am größten. Der Durchmesser des Bohrloches bleibt dabei nur wenig größer als der Gesamtdurchmesser
des Brenners.
Dadurch, daß man den Kammerdruck beim Flammenstrahlbohren wesentlich
höher wählt als bisher üblich und durchfuhrbar war, kann man wesentlich erhöhte Bohrgeschwindigkeiten erzielen, wobei Luft als das notwendige
Oxydationsmittel dient und die inerten Bestandteile der Luft zusammen mit den hohen Temperaturen und der hohen Flammeristrahlgeschwindigkeit .
eine hohe Bohrleistung ermöglichen.
Ein erfolgreich in der Praxis erprobter Brenner ist mit seinen Abmessungen
in der nachfolgenden Tabelle angegeben:
Druckluftbedarf | ca. 17.000 l/min bei ca 17,5 atü |
Bohrung der Düse | 22,22 mm |
Brennstoff | Öl (Nr. 2) ca. 100 l/h |
Innenrohr |
45,7 cm lang,
50,4 mm Innendurchmesser |
Wandstärke des
äußeren Rohres |
3,17 mm " ' - |
Wandstärke des
mittleren Rohres |
3,17 mm |
Brennkammerdruck * | 13,4 afü |
Strahltemperatur | ca. 1650° C |
Strahlgeschwindigkeit ca. 1586m/sec
Wird Bohren mit Schleif par tike In entweder allein oder in Verbindung mit
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Flammenstrahl bohren benutzt, trägt die erhöhte Strahlgeschwindigkeit des
erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich zur Erosionswirkung der Teilchen bei, wenn sie auf dem Fels mit wesentlich höherer kynetischer Energie aufireffen.
Wiederum erzielt man bei erhöhten Bohrgeschwindigkeiten eine Verringerung des Bohrlochdurchmessers.
In Fig. 3 ist in Schnittansicht, ζ.Teil weggebrochen, eine Brennerkonstruktion
gezeigt, in der sich der zu einer Einheit zusammengefaßte Brennerteil frei bewegen kann, wobei trotzdem Schleif partikel in die Brennkammer
eingeführt werden können. Ein zur Zuführung von Schleifpartikeln dienendes Rohr 65 wird fest mit dem Brennkammerendstück 38 verbunden. Die
Mischkammer 44 ist soweit seitlich verschoben, daß das Rohr 65 noch untergebracht
werden kann. Der Brennstoff wird wie zuvor zugeführt und die Schleif partikel werden durch das Rohr unter Druck zugeführt und sind nachher
nur ein Teil der aus dem Brenner ausgestoßenen Gase.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck "Innenbrenner"
eine Konstruktion, bei der Oxydationsmittel und Brennstoff mit relativ gleichförmiger Geschwindigkeit in eine Kammer zugeführt werden,
in der ständig ein Verbrennungsvorgang abläuft. Vorrichtungen, bei denen eine oder mehrere Explosionsreaktionen auftreten, sollen nicht unter
die hier beschriebene Art von Vorrichtung fallen.
Obgleich eine bestimmte Brennervorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen
Verfahrens beschrieben wurde, so umfaßt die Erfindung doch das gesamte hier beschriebene Verfahren zum Bohren oder Abtragen
oder Bearbeiten von Mineralien, Felsen oder Böden.
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Claims (5)
1. Verfahren zum Bohren von festen Körpern, wie z.B. Fels, Erdreich
oder mineralisches Material mit einer Ffammenstrah{vorrichtung unter Verwendung
eines innenIlegenden Brenners als Wärmequelle und Luft als Oxy-
. dationsmifrel, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner bei einem Brennkammerdruck
von mehr als IG aiii betrieben und der sich dabei ergebende
Flammenstrahl gegen den Körper gerichtet wird.
Flammenstrahl gegen den Körper gerichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch I, gekennzeichnet durch die zusätzliche
Zuführung von Schleifpartikeln zu dem aus dem Brenner austretenden Strahl.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schleif partikel in die Brennkammer des Brenners selbst eingeführt werden.
Schleif partikel in die Brennkammer des Brenners selbst eingeführt werden.
4. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch T bis 3
mit einem fnnenfregenden Brenner zur Ftammenstrahibearbeit'jng von felsigen
oder mineralischen Materialien, gekennzeichnet durch ein außenliegendes
Gehäuse (Rohr 3ϊ) und eine Brennkammer (45) innerhalb dieses Gehäuses, die eine Strahldüse (47) aufweist und in axialer sowie seitlicher
Richtung unter dem Einfluß van Wärmedehnung frei beweglich in Bfezug
auf das Gehäuse gelagert ist, wobei biegsame Leitungen zum Zuführen
des Brennstoffes und des Qxydaf ionsmirfefs zu deF Kammer vorgesehen sind.
Richtung unter dem Einfluß van Wärmedehnung frei beweglich in Bfezug
auf das Gehäuse gelagert ist, wobei biegsame Leitungen zum Zuführen
des Brennstoffes und des Qxydaf ionsmirfefs zu deF Kammer vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,- daß eine
Rohrleitung (65) vorgesehen ist, über die SchJeifpatrtifcel unmittefbar in=
die Brennkammer einführbar sind.
Rohrleitung (65) vorgesehen ist, über die SchJeifpatrtifcel unmittefbar in=
die Brennkammer einführbar sind.
909847/0510 0Ri0tNAL !MSPECTEO
Leerseite
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US72503068A | 1968-04-29 | 1968-04-29 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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BHN | Withdrawal |