DE1629966B1

DE1629966B1 - Gesteinsflammbohrer

Info

Publication number: DE1629966B1
Application number: DE19671629966
Authority: DE
Inventors: Calaman Joseph John
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1966-06-13
Filing date: 1967-06-13
Publication date: 1971-04-15
Also published as: US3385381A; BR6790247D0; SE339200B; AT273009B; NO117475B; GB1118475A

Description

1 2

Die Erfindung betrifft einen Gesteinsflammbohrer, liegenden Erfindung und für den bisher bekannten

dessen Einsatzstück eine innere Verbrennungskam- Injektortyp.

mer und einen Injektor für die Zufuhr einer verbrenn- Entsprechend den Figuren enthält der Gebaren Mischung von flüssigem Treibstoff und einem steinsflammbohrer der vorliegenden Erfindung ein Oxydationsmittel zu dieser Verbrennungskammer be- 5 Einsatzstück N, das seinerseits eine innere Verbrensitzt, wobei der Injektor in eine Vertiefung an der nungskammer C umfaßt, die durch eine erste, längs-Eintrittsstelle der Zufuhrleitung in die Brennkammer gerichtete Rohre O mit einem Oxydationsmittel, z. B. eingelassen ist und einen axialen Durchgang für den Sauerstoff, und durch eine zweite, parallel zur Röhre O flüssigen Treibstoff besitzt, der am unteren Ende ver- verlaufende, längsgerichtete Röhre K mit einem schlossen ist und radiale Durchgänge zu längsgerich- io Brennstoff, z. B. Leuchtpetroleum, gespeist wird. Der teten Rillen auf def Oberfläche des Injektors auf- Brennereinsatz iV besteht vorzugsweise aus einem Meweist, die eine Anzahl Kanäle bilden, welche an einem tall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. Ende mit einer ringförmigen Verteilungskammer für Kupfer oder Bronze.

das Oxydationsmittel verbunden sind und am anderen Ein Stahlmantel S ist an seinem hinteren Ende mit

Ende in die Verbrennungskammer münden. 15 einem längsgerichteten Wasserrohr W verschraubt,

In der USA.-Patentschrift 2794 620 wird ein das beide Röhren O und K umhüllt, und erstreckt Gesteinsflammbohrer beschrieben, bei dem flüssiger sich mit seinem vorderen Ende über das Brenner-Treibstoff und eine oxydierende Substanz durch einen einsatzstück N, das es bis auf ein kleines Stück an der Injektor der Verbrennungskammer zugeführt werden, Spitze überdeckt.

der in eine axiale Vertiefung am hinteren Teil der ao Längs der Außenseite des Mantels S erstrecken Verbrennungskammer eingebaut ist. Der Injektor be- sich Zähne (Backen) T₁ und T₂, die diesen so weit sitzt eine flache Endfläche, die eine Ebene mit dem überragen, daß sie etwa mit der Spitze des Brenner-Eingang der Verbrennungskammer bildet, und eine einsatzstücks N abschließen, um Gesteinsschutt zu axiale Bohrung, die durch radial angeordnete Öffnun- zermahlen oder zu zerkleinern und um das Bohrloch gen mit den Längsrillen auf der peripherischen Ober- 25 abzugrenzen.

fläche des Injektors verbunden ist. Die gerillte Ober- Alle drei Röhren W, O und K setzen sich rückwärfläche bildet zusammen mit der Wand der Vertiefung tig bis zu einem Kugelgelenk fort (nicht gezeigt), über eine Anzahl von Kanälen, die an ihren oberen Enden das die Brennstoff-, Sauerstoff- und Wasserzufuhr zu mit einer ringförmigen Sauerstoffverteilungskammer den entsprechenden Röhren läuft und das gleichzeitig verbunden sind und an ihren unteren Enden in die 30 erlaubt, die Röhren, den Mantel und das Brenner-Verbrennungskammer führen. Der Sauerstoff, der einsatzstück N während der Bohrung eines Lochs durch die Rillen fließt, mischt sich mit dem Treib- im Gestein als eine Einheit zu rotieren,
stoff, der durch die radial angeordneten Öffnungen Das Brennereinsatzstück N besteht aus einem zyeintritt, mit dem Ergebnis, daß die Verbrennungs- lindrischen Kopfstück 11 mit einem ringförmigen kammer mit einer vorgemischten brennbaren Mi- 35 Flansch 13 an seinem oberen Ende, der gegen den schung gespeist wird. unteren Teil des Wasserrohres W paßt und daran fest-

Die Hauptaufgabe der Erfindung ist ein Gesteins- geschraubt ist. Wasserdurchlässe 15 befinden sich in

flammbohrer, der eine Treibstoffeinsprühvorrichtung dem Flansch 13, um Kühlwasser aus dem Rohr W

besitzt, die es möglich macht, den Treibstoff in der in die ringförmige Wasserkammer 17 zwischen dem

Verbrennungskammer mit einem größeren Wirkungs- 40 Brennereinsatzstück N und dem Mantel S zu führen,

grad und für einen weiteren Bereich des Sauerstoff- Kreisförmige Wasserdurchlässe 31 im Kopfstück 11

Brennstoff-Verhältnisses zu verbrennen, als es bisher führen Wasser aus der Kammer 17 in entsprechend

möglich war. gelagerten Führungen in der Wand des Brennerein-

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch ge- satzstücks zu kreisförmigen Öffnungen (nicht gezeigt),

löst, daß sich die radialen Durchgänge des Injektors 45 die sich in dem Teil des Einsatzstückes befinden, das

von einer Stelle, welche in die Verbrennungskammer von dem Mantel umhüllt wird,

hineinragt, nach rückwärts erstrecken. Zwei parallele Längsbohrungen 19 und 21 erstrek-

Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch ge- ken sich vom oberen Teil her in das Kopfstück 11,

kennzeichnet, daß der Injektor ein konisches Vor- um die Zufuhrleitungen K und O für Brennstoff und

derstück mit abgerundeter Spitze besitzt. Hierbei kann 50 Sauerstoff aufzunehmen. Eine exzentrisch gelagerte

die abgerundete Spitze des Injektors eine Anzahl von Sauerstorfleitung 23 führt von der Bohrung 21 zu

Austrittsöffnungen besitzen, die mit der axialen Boh- einer Öffnung in der vorderen Fläche des Kopfstücks

rung des Injektors verbunden sind. 11, die ihrerseits den Sauerstofffluß in eine konische,

Die Zeichnungen erläutern eine Ausführungsform axiale Gegenbohrung 26 leitet. Die Gegenbohrung

der Erfindung. Es zeigt 55 befindet sich in einem Ansatzmantel 29, der über den

F i g. 1 einen Längsschnitt durch den vorderen Teil unteren Teil des Kopfstücks 11 geschraubt ist. Eine

eines Gesteinsflammbohrers gemäß der Erfindung, Brennstoffleitung 25 ist durch eine geneigte Leitung

F i g. 2 einen vergrößerten Längsschnitt der Brenn- 28 mit der Bohrung 19 verbunden und führt zu einer

stoff-Injizierungsvorrichtung innerhalb des in Fig. 1 axial gelagerten, von innen verschraubten Öffnung27

gezeigten Flammbohrers, 60 in der vorderen Fläche des Kopfstücks 11.

Fig. 3 eine Aufsicht auf die in Fig. 2 gezeigte Der Brennstoffinjektor in dem erfindungsgemäßen

Brennstoff-Injizierungsvorrichtung vom unteren Ende Brenner erstreckt sich von der Schraubverbindung

her, 27 am vorderen Teil der Verbindung 25 in den Hohl-

Fig. 4 eine perspektivische Abbildung der Brenn- raum der Verbrennungskammer hinein. Der verlän-

stoff-Injizierungsvorrichtung, 65 gerte Brennstoffinjektor F besitzt ein konisches Vor-

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Verbren- derstück30, das in eine abgerundete Spitze ausläuft

nungswirksamkeit als Funktion des Sauerstoff-Brenn- und dadurch wie die Spitze eines Geschosses aussieht.

stoff-Verhältnisses für den neuen Injektortyp der vor- Der Injektor besitzt ferner eine axiale Längsbohrung

32, die von dem hinteren Ende des Injektors bis zu einem Punkt kurz vor der Oberfläche 34 der Spitze verläuft. Eine Anzahl von Bohrungen 35 erstrecken sich von dem vorderen Ende der Längsbohrung 32 nach hinten zu einer Anzahl von Entladungsöffnungen 36 an der Oberfläche des Injektorkörpers. Diese Öffnungen sind nach oben geneigt, um den flüssigen Brennstoff in entgegengesetzter Richtung zum Strom des Oxydationsmittels zu entladen, wie später noch beschrieben werden wird. Die Entladungsöffnungen 36 sind auf die Längsrillen 37 auf der Oberfläche des Injektorkörpers ausgerichtet. Diese Rillen bringen den Sauerstoff von den Gegenbohrungen 26 in einer Anzahl von axialen Strömen mit hoher Geschwindigkeit in Berührung mit dem Heizöl, das aus den nach oben gerichteten Entladungsöffnungen 36 ausströmt. Die sich daraus ergebende brennbare Mischung wird durch den geschoßförmigen vorderen Teil des Injektorkörpers in eine allmählich konvergierende, konische Form der Verbrennungskammer des Brenners geleitet.

Ein Teil der Wärme in der Verbrennungskammer wird dazu benutzt, das Heizöl im vorderen Teil der Bohrung 32' sowohl als auch in den Durchlässen 35 vorzuheizen. Dies verursacht eine sehr heiße und sehr wirksame Verbrennungsreaktion. Die heißen Produkte der Verbrennungsreaktion verlassen den Brenner durch die Öffnungen 71 und 83 und werden gegen das zu bearbeitende Gestein gerichtet.

Während die bisher bekannten Brennstoflünjektoren am wirksamsten nur bei etwa stöchiometrischen Sauerstoff-Brennstoff-Proportionen arbeiten, wurde gefunden, daß der erfindungsgemäße Injektor eine maximale Wirksamkeit über einen sehr großen Bereich von Sauerstoff-Brennstoff-Proportionen ergibt. Diese Charakteristik wird in Fig. 5 an einem Gesteinbearbeitungsbrenner mit etwa 283 m³/Std. Sauerstoffdurchsatz illustriert.

Wie man aus der Darstellung ersehen kann, vermag der Brenner bei einem Sauerstoff-Brennstoff-Verhältnis zwischen 3,2 und 4,0 nahe der maximalen Wirksamkeit zu arbeiten, wenn er mit dem Treibstoffinjektor der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist (Kurve A), dagegen muß bei dem gleichen Brenner innerhalb eines schmalen Bereichs in der Nähe des Verhältniswertes 4,0 gearbeitet werden, um einen maximalen Wirkungsgrad der Verbrennung zu erhalten, wenn ein Injektor der bisher bekannten Bauart verwendet wird (Kurve B). Die Möglichkeit, mit einem Brenner in der Nähe des maximalen Wirkungsgrades der Verbrennung über einen großen Bereich des Sauerstoff-Brennstoff-Verhältnisses zu arbeiten, bedeutet einen wichtigen Vorteil, da dadurch die Notwendigkeit für eine genaue Kontrolle der Betriebsflüssigkeiten entfällt und die Kosten für die Kontrollgeräte auf einem Minimum gehalten werden.

Obgleich der größte Teil des Heizöls vorzugsweise durch die öffnungen 36 entlassen wird, ist es sehr vorteilhaft, daneben einen kleinen Anteil des Brennstoffs durch eine Anzahl von Bohrungen 38 in Richtung des Sauerstoffstromes zu entlassen, die sich in Abständen voneinander auf der vorderen Fläche des Injektorkörpers befinden. Es wurde festgestellt, daß dadurch die Betriebsdauer des Injektors bedeutend erhöht wurde, was durch die Kühlwirkung des flüssigen Treibstoffs an der vorderen Fläche des Injektorkörpers bewirkt wird.

Um die Wirksamkeit des Injektors gemäß dieser Erfindung zu demonstrieren, wurde ein Gesteinsbohrtest mit einem 452m³/Std. Sauerstoff-Durchsatzbrenner durchgeführt, der abwechselnd einen Brennstoffinjektor gemäß dieser Erfindung und einen Injektor der bisherigen Bauart mit einer ebenen Vorderseite und kreisförmig angeordneten Austrittsöffnungen besaß. Das Gestein, an dem gearbeitet wurde, war in jedem Fall magnetischer Takonit. Bei den gleichen Durchsatzbedingungen wurden 0,555 mVStd. Gestein mit dem Brenner entfernt, wenn er mit dem bisher bekannten Injektor ausgestattet war, und 0,69 m³/Std. Gestein wurden entfernt, wenn der Brenner mit dem Injektor der vorliegenden Erfindung arbeitete.

Claims

Patentansprüche:

1. Gesteinsflammbohrer, dessen Einsatzstück eine innere Verbrennungskammer und einen Injektor für die Zufuhr einer verbrennbaren Mischung von flüssigem Treibstoff und einem Oxydationsmittel zu dieser Verbrennungskammer besitzt, wobei der Injektor in eine Vertiefung an der Eintrittsstelle der Zufuhrleitungen in die Brennkammer eingelassen ist und einen axialen Durchgang für den flüssigen Treibstoff besitzt, der am unteren Ende verschlossen ist und radiale Durchgänge zu längsgerichteten Rillen auf der Oberfläche des Injektors aufweist, die eine Anzahl Kanäle bilden, welche an einem Ende mit einer ringförmigen Verteilungskammer für das Oxydationsmittel verbunden sind und am anderen Ende in die Verbrennungskammer münden, dadurch gekennzeichnet, daß sich die radialen Durchgänge (35) des Injektors (F) von einer Stelle, welche in die Verbrennungskammer (C) hineinragt, nach rückwärts erstrecken.

2. Gesteinsflammbohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (F) ein konisches Vorderstück (30) mit abgerundeter Spitze (34) besitzt.

3. Gesteinsflammbohrer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abgerundete Spitze (34) des Injektors (F) eine Anzahl von Austrittsöffnungen (38) besitzt, die mit der axialen Bohrung (32) des Injektors (F) verbunden sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen