DE2407632A1

DE2407632A1 - Fluessigkeitsstrahler

Info

Publication number: DE2407632A1
Application number: DE19742407632
Authority: DE
Inventors: Donald Stuart Miller
Original assignee: British Hydromechanics Research Association
Current assignee: British Hydromechanics Research Association
Priority date: 1973-02-19
Filing date: 1974-02-18
Publication date: 1974-09-05
Also published as: ZA741042B

Description

Flüssigkeitsstrahler Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Flüssigkeitsstrahls, in dem Hohlräume gebildet sind.
Zweck der Erfindun ist es, einen Flüssigkeitsstrahl zum Schneiden, Bohren und Zertrümmern zu verwenden, wobei die in der Flüssiakeit des Stranls durch Zusammenfallen von Gas- oder Dampfhohlräumen in der den Strahl bildenden Flüssigkeit erzeugten Stoßwellen verwendet werden.
Das Phänomen der Erosion in hydromechanischen Anlagen infolge Kavitation ist bekannt. Die Gewalt dieser Erosion wird als das Ergebnis von Stoßwellen angesehen, die entstehen, wenn Hohlräume in einer KavitationsflüssiLkeit einstürzen. Während Erzeugung und Wachstum dieser Hohlräume ein relativ allmählich fortschreitendes Verfahren sein kann, sind die Hohlräume selbst sehr instabil und fallen in Abhäneigkeit vom Zustand der Flüssigkeit, in der sie gebildet sind, sehr schnell in sich zusammen Hohlräume oder Cavernen können in der Flüssigkeit dadurch gebildet werden, daß gelöste Luft außer Lösung gebracht oder Flüssigkeitsdampf gebildet wird0 Da eine durch das Einstürzen asförmiger Hohlräume, z.B. Hohlräume aus Kohlendioxyd, bewirkte Kavitationszertrümmerung größer ist als eine durch das Einstürzen von Luftblasen bewirkte Kavitationssertrummerungfl, kann ein Gas, wie WzçB. Kohlendioxyd, gelöst oder in freier Form dem Flüssigkeitsstrahl zugefügt werden, um die Kavitationszertrümmerung zu steigern. Bei einem Hohlraum aus Flüssigkeitsdampf kann die schnelle Verringerung in der Größe sogar zu einem vollständigen und plötzlichen Zusammenbrechen des Hohlraumes mit der Erzeugung intensiver Druckwellen fuhren Wo diese Druckwellen auf begrenzte Bereiche einer festen Fläche auftreffen, zerstören sie das diese Fläche bildende Material-und entfernen es zusammen mit der Flüssigkeit, in der die Hohlräume gebildet sind, von der Fläche.
Dieses Phänomen kann deshalb zum Bohren, Schneiden und ZertrIi-nern von Werkstoffen, wie Beton oder Stein, verwendet werden. Zu diesem Zweck ist es möglich, eine Düse zu schaffen, mit der ein Flüssigkeitsstrahl erzeugt werden kann, in dem Hohlräume gebildet sind. Wenn dieser Strahl gegen eine feste Fläche gerichtet wird, so ist beobachtet worden, daß die rasche Verkleinerung der Größe der Hohlräume im Bereich der Fläche zur Erosion und Zerstörung der Fläche führt. Außer zum Bohren eines Loches oder Schneiden eines Schlitzes in Stein oder Fels kann der Flüssigkeitsstrahl auch zu ausgedehnter Zertrümmerung verwendet werden0 Bei der Anwendung in Felssteinbrüchenund Bergwerken ist es möglich, durch kurze Dauerimpulse des stationären Strahls von nur wenigen Sekunden Dauer größere Mengen an Fell abbau zu erreichen. Während dieser Zeit bohrt sich der Strahl zuerst in die Fels fläche und sprengt dann ein StUck des Materials von der Fläche ab. Auf diese Weise kann durch Zerstücken großer Materialabschnitte von'der Fläche Werkstoff von einer Fels fläche entfernt werden. Durch Anwendung eines kurzen Dauerimpulses auf einen Steinblock kann dieser wollstkldig auf eine Anzahl Stücke gespalten worden.
Zinke weitere Steigerung der Materialabtragungsrate durch Oberflächenzerstückelung kann durch geeignetes Auswinkeln der Richtung des Strahls oder einer Kombination von Strahlen zur Felstläche erreicht werden.
Eine für diesen Zweck geeignete Düsenform besteht aus einer hohlen Leitung mit einem sich verjüngenden Auslaß und Mitteln zum Bilden eines Dampfkerns in einem die DUse verlassenden Flüssigkeitsstrahl0 Die Mittel zum Bilden des Dampfkerns aus einem in der hohlen Leitung koaxial oder im wesentlichen koaxial angeordneten festen Teil oder einem oder mehreren in der Leitung angeordneten Ablenkflügeln bestehen, welche die durch die Leitung strömende Flüssigkeit in eine schraubenförmige Bahn lenken. Es ist auch möglich, diese zwei Mittel zu kombinieren, indem die Ablenkflügei an dem koaxialen Körper radial angebracht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstrahls der eingangs genannten Art so auszubilden, daß unter Beseitigung der Nachteile und Mängel des vorstehend geschilderten Standes der Technik mit der Vorrichtung eine Leistungssteigerung des Bohr-, Schneid- und Zertrümmerungsvorganges eines Flüssigkeitsstrahls erreicht wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einer Vorrichtung zum Erzeugen e ins eines FlUssigkeitsstrahlsJin dem Hohlräume gebildet sind, und die eine Düse und eine Steuerung zum Steuern der Bildung von in die die Düse verlassende FlUssigkeit eingeführten Hohlräumen zum Steigern der Kavitationszertrümmerung aufweist.
Die Erfindung ist in der Zeichnung an mehreren Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Es zeigen: Fig. 1 bis 5 Je einen Längsschnitt durch verschiedene Düsen und Fig. 6 eine schematische Ansicht der Anordnung einer Düse mit ihrer Versorgungsanlage.
Wie grundlegend aus Figur 1 ersichtlich ist, besteht die Düse aus einem hohlen Rohr 10 mit kreisförmigem Querschnitt.
Das Rohr 10 hat einen kegelstumpfförmig sich verjUngenden Teil ii an seinem Austragsende. Der sioh verjüngende Teil 11 kann jedoch irgendeine Form haben, mit der Druckenergie der durch das Rohr 10 strömenden Flüssigkeit in Geschwindigkeitsenergie umgewandelt werden kann. Koaxial in dem Rohr 10 ist eine Stange 20 angeordnet, die durch Flügel 21 festgehalten wird, die von der Stange 20 aus radial nach außen zu der Innenseite des Rohres 10 verlaufen. Die Flügel 21 sind alle in der gleichen Richtung geneigt, um dem axial durch das Rohr 10 strömenden Fludleine schraubenförmige Bewegung zu erteilen. Mit einer Düse dieser Form wird innerhalb des das Rohr 10 verlassenden Flüssigkeit des Strahls ein Dampfkern niedrigen Druckes gebildet. Dieser Kern hat eine konische Form und spitzt sich von der Stange 20 aus nach einer Stelle stromabwärts der Düse hin zu. Die Existenz dieses Kerns erleichtert die Bildung von Hohlräumen in der den Strahl bildenden Flüssigkeit.
Wenn der Strahl auf eine feste Fläche gerichtet wird, wie z.
B. die Oberfläche einer Masse aus Beton, Fels oder Stein, wird die Fläche ausgewaschen, wie weiter oben schon beschrieben worden ist. Wenn der Düsendruck genügend groß ist, werden infolge dessen große Materialstücke von der Oberfläche abgesprengt.
Gemäß der Erfindung kann die aus Fig. 1 ersichtliche Vorrichtung so abgewandelt werden» daß mit ihr die Bildung von Hohlräumen im Flüssigkeitsstrahl gesteuert werden kann.
Eines der einfachsten Mittel für eine solche Steuerung besteht aus einer Verstellung 20A, mit der die axiale Stellung der Stange 20* der Flügel 21 oder beider, die Stange 20 und die Flügel 21 verändert werden kann.
Die Stange 20 kann auch mit einem Vibrator 20 B verbunden sein, durch den sie in der Weise vibriert, daß die Bildung von Hohlräumen in der den Strahl bildenden Flüssigkeit bewirkt und gesteuert wird. Alternativ kann auch ein Vibrator 20 G mit der Düse verbunden sein.
Ein anderer Weg, um die Bildung von Hohlräumen zu schaffen, ist die Ausbildung einer Kalotte 20 D im äußeren freien Ende der Stange 20. Die Steuerung der Bildung von Hohlräumen kann auch dadurch bewirkt werden» daß das vordere innerhalb des sich verjüngenden Teils ii des Rohres 10 angeordnete Ende der Stange 20 zugespitzt wird.
Bei einer anderen Anordnung reichen die radial von der Stange 20 aus verlaufenden Ablenkflügel 21 nicht bis an die Innenseite des Rohres 10.
Obwohl die aus Fig. 1 ersichtliche Düse mit einer Stange 20 und Flügeln 21 versehen ist, kann die Stange 20 auch weggelassen werden» so daß die Bildung des inneren Hohlraums nur von dem durch die Flügel 21 in den Flüssigkeitsstrahl eingeführen Wirbel-abhWngt. Ganz ähnlich können die Flügel 21 der aus Fig. 1 ersichtlichen Düse weggelassen werden. In diesem Fall wird die erforderliche Wirbelbewegung dadurch erzeugt, daß die Flüssigkeit durch einen tangential gerichteten Einlaß 13 in die Düse eingeführt wird, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist.
In diesem Fall ist das Einlaßende des Rohres 10 durch eine Wand 12 verschlossen und die Flüssigkeit wird durch einen tangential gerichteten Einlaß 13 in die Düse eingerührt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, hat das Rohr 10 einen konvergierenden Teil 11 an seinem Austragsende und kann deshalb mit oder ohne einen koaxial in dem Rohr 10 gelagerten Körper verwendet werden.
Bei der aus Fig. 3 ersichtlichen Ausführüngsform ist der in dem Rohr 10 koaxial gelagerte Körper keine feste Stange, sondern ein Rohr 24. Durch dieses Rohr 24 können FlUssigkeiten, Gase oder Dämpfe in den Strahl gepumpt oder eingeführt werden. Wenn eine Flüssigkeit durch das Rohr 24 strömt, braucht es nicht dieselbe zur Strahlbildung durch das Rohr 10 strömende Flüssigkeit zu sein. Vorratsdruck und Durchflußmenge der Flüssigkeit, des Gases oder Dampfes durch das Rohr 24 können sowohl zur Bildung von Hohlräumen in den Strahl als auch zum Zusammenhalt des Strahls verwendet werden. Um den Zusammenhalt des Strahls zu verbessern und die seitliche Abstrahlung im Abstand von der Düse zu verringern, werden geringe Gasmengen in den Strahl eingespritzt. In einem gegebenen Abstand bewirkt ein Anwachsen der Intensität des Strahls auf Grund seines kleineren Querschnitts einen kleineren, mit größerer Rohrlänge gebohrten Bohrungsdurchmesser.
Wenn der Vorratsdruck auf das Rohr 24 stark vergrößert wird, rerfäll der Strahl in Tröpfchen, d.h. er wird auseinandergerissen.
Dadurch wird der durch den Strahl erzeugte Abtrag in großen Abständen von der Felsfläche vergrößert.
Bei der aus Fig0 4 ersichtlichen Anordnung ist das die Düse bildende Rohr 10 mit einem Hemd 30 versehen» das den Strahl von der Düse bis zu der AuszuwasehendenFläche 40 umgibt.
Das Hemd 30 wirkt wEe ein Fludhalter und hält so einen Mantel aus Flüssigkeit mit niedriger Geschwindigkeit rund um den Strahl aufrecht. Dieser Mantel aus langsam strömender Flüssigkeit hält den Strom äußeren Gases, wie beispielsweise die umgebende Luft, in den Strahl zurück und erleichtert so die Bildung von Hohlräumen innerhalb des Strahls. Diese Flüssigkeit niedriger Geschwindigkeit muß natürlich entweichen können. Dazu ist ein ringförmiger Freiraum 30 A zwischen dem Rohr 10 und dem Hemd 30 vorgesehen.
Als Alternative zu der aus Fig. 4 ersichtlichen Bauart kann der konvergierende Teil 11 der Düse von einer ringförmigen Kammer 31 umgeben sein, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist. Durch einen Einlaß 32 in die Kammer 31 eingeleitete Flüssigkeit verläßt die Kammer durch einen ringförmigen Freiraum 25 zwischen der Kammer 71 und einer gleichförmigen Verlängerung 14 des Rohres 10 wie eine Hülle aus FlUssigkeit niedriger Geschwindigkeit, die den aus dem Rohr 10 austretenden Strahl umgibt. Um weiterhin die Bildung von Hohlräumen in der den Strahl bildenden'Flüssigkeit zu schaffen, iks kann die in die Kammer 31 eingeleitete Flüssigkeit oberflächenwirksame oder schäumende Mittel und/oder bestimmte Mengen an partikelförmigem oder gasförmigem Material enthalten.
Die in den Figuren 4 und 5 veranschaulichten Ausführungsformen sind nicht nur zum Schneiden von durch ein gasförmiges-Medium umgebenen Flächen, wie z.B. die umgeben Luft, besonders geeignet, sondern haben noch einen weiteren Vorteil. An der Berührungsfläche zwischen dem Fltssigkeitsstrahl hoher Geschwindigkeit und der den Strahl umgebenden Flüssigkeit niedriger Geschwindigkeit sind erhöhte Bedingungen für die Bildung von Hohlräumen innerhalb des FlUssigkeitsstrahls gegeben.
Bei der schematisch in Fig. 6 veranschaulichten Vorrichtung strömt Flud von einem Behälter 60 durch einen Fluddruckverstärker 66 nach einer Düse 67. Diese FlUssigkeit entweicht als ein Strahl 68, der gegen die zu schneidende, zu zertrümmernde oder auszuwaschende Fläche 40 gerichtet ist.
Gas, Flüssigkeit oder ein Dampf, beispielsweise Wasserdampf, aus einem Vorratsbehälter 70, oder umgebende Luft, strdmt dann durch einen Fludverstärkor 76 und Wärmetauscher 16* die beide, falls notwendige überbrückt werden können» nach einem in der Düse 67 angebrachten Rohr 24. An Stelle der Druckverstärker 66 und 76 kann den Behältern 60 oder 70 durch Leitungen 63 und 73 zugeführter Flüssigkeits- oder Gasdruck verwendet werden. Das durch eine Leitung 64 in den Behälter 60 eintretendc Flud kann mit oberflächenwirksamen und schäumenden Mitteln und mit Gasen, wie z.B.
Kohlendioxyd, das bei den Temperaturen und Drücken an der Fläche 40 flüssig wird, gemischt werden. Diese Zusätze treten durch eine Leitung 65 in den Behälter 60 ein. Leitungen 74 und 75 dieses partikelförmigen Materials, das Kerne für die Bildung von Hohlräumen aufweist und den erosiven Effekt des Strahls steigert, kann auch der Flüssigkeit in dem Behälter 60 zugefügt werden.
Bei einer alternativen Anordnung zu der aus Fig. 6 ersichtlichen kann durch das koaxiale Rohr 24 (wie aus Fig.
3 ersichtlich) oder die Kammer 31 (wie aus Fig. 5 ersichtlich) strömende Flüssigkeit aus dem Behälter 60 zugeführt werden.
Wenn die Erfindung auch an versehiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist» die eine Vielfalt von Merkmalen enthalten, so soll die Erfindung doch ebenso mit ihr vereinbare Kombinationen dieser verschiedenen Merkmale, die nicht besonders a offenbart worden sind, umfassen.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstrahls» in dem Hohlräume gebildet sind, gekennzeichnet durch eine Düse (10, 11, 12) mit einem sich verjüngenden Auslaß (11) und einer Steuerung (1), 20, 20A, 20B, 20C, 21, 24, 31) zur Bildungvon in die die Düse verlassende Flüssigkeit eingeführtenHohlräumen zum Steigern des Schneid-, Auswasch- und Ausbrechabtrages infolge Kavitation, wenn der Strahl(68) auf eine feste Fläche (40) gerichtet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung als Vibrator (20C) zum Vibrieren der Düse (10> 11, 12) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung als Wirbelwerk (13,21) ausgebildet ist, daß der die Düse (10, 11, 12) verlassenden Plüssigkeit eine schraubenförmige Bewegung erteilt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirbelwerk als Einlaßdüse (13) ausgebildet ist, -die entlang einer Achse verlGuRt, deren eine Komponente zu der Düse (10,11, 12) tangential gerichtet ist.

5. -Vorrichtungnach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirbelwerk als in der Düse angeordnete Flügel (21) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei¢hnet, daß die Steuerung als ein in dem sich verüngenden Auslaß (11) der Düse längsverlaufender länglicher Mittel-Körper (20,24) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung als Vibrator (20B) zum Vibrieren des Mittelkorpers (20,24) ausbildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung als Verstellung(20A)zumVerändern der Stellung des Mittelkörpers(20,24) in Längsrichtung der Düse (10,11,12) ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung als geneigte Flügel (21) ausgebildet ist, die vom Mittelkörper (20,24) radial verlaufen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnets daß die geneigten Flügel (21) vom Mittelkörper (20,24) radial nach außen zur inneren Umfangsseite der Düse (10,11,12) verlaufen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gokennzeichnet, daß am äußeren freien Ende des Mittekörpers (20) eine Kalotte (20D) ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Anspruche dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung als Einspritzwerk (60, 63 bis 66) zum Einspritzen eines zusätzlichen, in der der Düse (10,11,12) zugeführten Flüssigkeit Hohlräume bildenden Fludes ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Flud Kohlendioxyd ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Flud ein schäumendes Mittel ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch wekennzeichnet, daß die Steuerung als kohler, in dem sich verjüngenden Auslaß (11) der Düse (10,11,12) längs verlaufender, länglicher Mittelkörper (24) und als Einspritzwerk (16,70» 73 bis 76) zum Einspritzen eines zusätzlichen, in der der Düse (10,11,12) zugeführten Flüssigkeit dadurchden Mittelkörper (24) Hohlräume bildenden Fludes ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Flud Kohlendioxyd ist.

17. Vorrichtung nach Anspruchl5, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Flud ein schäumendes Mittel ist.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerun als Einspritzwerk (75) zum Einspritzen eines partikelförmigen Materials zur Unterstützung beim Schneiden, Auswaschen und Zertrümmernund als Kerne zum Erleichtern der Bildung von Hohlräumen in der der Düse (10,11,12) zugeführten Flüssigkeit ausgebildet ist.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein rohrförmiges, den sich verjüngenden Auslaß (11) der Düse (10,11,12) umgebendes und radial von ihm abstehendes, die Düse verlassenden Strahl (68) einhüllendes Hemd (30), das den Strahl mit einem Fltssigkeitsmantel umgibt, der durch einen Freiraum (30A) zwischen Hemd (30) und Düse (10,11,12) aus der Vorrichtung entweicht.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18> gekennzeichnet durch eine Kammer (31) mit einem ringförmi-£en, den Auslaß (26) der Düse (10,11,12) umgebenden Auslaß (25) und einem Einlaß (32) für Druckflüssigkeit, die den die Auslaßdüse (26) verlassenden Strahl (68) als hohler Flüssigkeitsstrahl wie eine Hülle umgibt.