DE2152005A1

DE2152005A1 - Hydraulische Kammer mit Austrittsduese

Info

Publication number: DE2152005A1
Application number: DE19712152005
Authority: DE
Inventors: Naydan Theodore T
Original assignee: Environment One Corp
Current assignee: Environment One Corp
Priority date: 1970-10-20
Filing date: 1971-10-19
Publication date: 1972-04-27
Also published as: CA939014A; BE774218A; CH550027A; GB1348510A; AU3468871A; AT308031B; FR2111567A5; US3647137A; NL7114382A; ES396188A1

Description

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vSi"^: i-Äii^c-.-.-c-r-*· ■--·, .. , H 1 P 12 + GmH

Anmelder: FI^/ü .).r>- :/();i..· Corporation. 277.3 Balltown Roid 3c;.eneei-:y, N.Y./U S A

Hydraulische Kammer mit Austrittsdüse

Die Erfindung betrifft eine nicht zum..Stand der Technik gehörende Vorrichtung zur Erzeugung von Plüssigkeitsstrahlen außerordentlich hoher Geschwindigkeiten. Gemäß dem nicht zum Stand der Technik gehörenden Vorschlag, von dem hier ausgegangen wird, werden Plüssigkeitsstrahlen höchster Geschwindigkeit dadurch erzeugt, daß man in einem geschlossenen Volumen schlagartig den Druck der im Volumen befindlichen Flüssigkeit stark erhöht, wobei dann ein Flüssigkeitsstrahl aas einer Austrittsdüse austritt»

Flüssigkeitsstrahlen mit außerordentlich hohen Geschwindigkeiten kann man z.B. zum Brechen und zerstörenden Formgeben verschiedener Werkstoffe verwenden, z.B. könnte man solche Flüssigkeitsstrahlen als Abbauwerkzeug im Bergbau verwenden. Es ist vorgeschlagen worden, die erforderlichen hohen Geschwindigkeiten der als Werkzeug verwendeten FlUssigkeitsstrahlen dadurch zu erzeugen, daß man die Zentrifugalkraft zur Hilfe nlm^t oaer mittels eines Kolbens die Flüssigkeit im Behälter unter Druck' setzt. Es 1st ebenfalls vorgeschlagen worden, den Druck-des Flüssigkeitsvolumens, aue welchem dann der Strahl mit höchster Geschwindigkeit austreten soll, dadurch zu erhöneri, daß man den Raum oder die Kammer selbst hinsichtlich ü«:-i Volumens schlagartig verkleinert.

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Ein ebenfalls nicht zum Stand der Technik gehörender Vorschlag schafft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Flüssigkeitsstrahlen mit besonders hoher Geschwindigkeit, die ein im wesentlichen geschlossenes und mit Flüssigkeit speisbares Volumen aufweist, aus welchem eine Austrittsdüse herausführt. In der Flüssigkeitskammer wird nun in der Flüssigkeit die in einem Stoßspannungsgenerator gespeicherte elektrische Energie über eine Funkenstrecke entladen, so daß eine Stoßwelle in der Flüssigkeit entsteht. Die in dieser Stoßwelle befindliche Energie setzt das Flüssigkeitsvolumen ψ schlagartig unter einen Druck in der Größenordnung von bis zu mehreren tausend Atmosphären, wodurch aus der Austrittsdüse ein Flüssigkeitsstrahl mit außerordentlich hoher Geschwindigkeit austreten kann. Einen solchen außerordentlich schnellen Flüssigkeitsstrahl, dessen Einzelteilchen einen sehr großen Impuls haben, kann man in der oben angedeuteten Weise als spanabhebend oder zerstörend arbeitendes Werkzeug verwenden.

Da bei der zuletzt beschriebenen älteren Anregung durch den Lichtbogen Energie schneller zugeführt wird, als die umgebende Flüssigkeit aufnehmen 'and ableiten kann, entsteht im fc Bereich der Funkenstrecke bei einer elektrischen Entladung eine sich besonders schnell ausdehnende Gasblase zwischen den Elektroden der Funkenstrecke. Diese Gasblase erzeugt die erwähnte Stoßwelle in der relativ inkompressiblen Flüssigkeit.

Gegenstand der Erfindung ist die Gestalt der Druckkammer einer solchen vorrichtung zur Erzeugung von Flüssigkeitsstrahlen mit besonders hohen Geschwindigkeiten, wobei er- ' reicht werden soll, daß bei gleicher Einspeisung von Druokenergie die Geschwindigkeit, d.h. der Impuls des austretenden

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Flüssigkeitsstrahles, möglichst hoch wird.

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß der der Düse gegenüberliegende Teil der Innenwand der Kammer ein Rotationsparaboloid ist, wobei im Falle der Erzeugung des hohen Druckes mittels einer Funkenstrecke diese Funkenstrecke sich in etwa im Brennpunkt der Parabel befindet.

In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung hat die Austrittsdüse, die ihrerseits als Teil der Druckkammer zu betrachten ist, die Gestalt einer Zissoide des Diokles.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich' aus den Ansprüchen und der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisiert im Längsschnitt ein erstes AusfUhrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Flg. 2 ebenfalls im Längsschnitt ein zweites Aueführungsbeisplelj und die

Figuren 3 und 4 Kurven zur Erläuterung des mit Hilfe der Erfindung erreichten Fortschritts.

Fig. 1 zeigt eine sogenannte elektrohydraullsche Kammer 11 mit einer Düsenöffnung 12. Der Kammer 11 wird unter Druck Flüssigkeit aus einem nicht gezeigten Vorrat über eine Leitung 13 zugeführt. In der Kammer 11 sind Elektroden 15 und

16 angeordnet. Die Kammer weist einen parabolischen Abschnitt

17 auf, wobei die Elektroden 15 und 16 derart in der Kammer

11 angeordnet sind, daß der Brennpunkt der Rotationsparabel

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in der Funkenstrecke zwischen den Elektroden 15 und 16 liegt. Der zweite Abschnitt der Kammer 11 ist mit 19 bezeichnet und stellt im wesentlichen die eigentliche Austrittsdüse dar. Die Austrittsdüse 19, d.h. der ganze Abschnitt 19, hat die geometrische Gestalt einer Zissoide des Diokles mit folgender Formel:

I²(2a - r) = r⁵

wobei r der sich ändernde Radius des Abschnittes I9 entlang ψ der Länge 1 der Düse ist und 2a der Eintrittsradius der Düse ist.

Die Elektroden 15 und 16 sind von der hydraulischen Kammer 11 durch Isolierungen 2o isoliert und weisen zweckmäßig Hülsen 21 und 22 auf. Die Hülsen 21 und 22 sind gegenüber den Elektroden 15 und 16 und der hydraulischen Kammer 11 durch die Isolierungen 2o isoliert. Die eigentliche Düsenöffnung 12 läßt sich durch einen geeigneten Verschluß 25 verschließen. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung, kann der Verschluß auch in Fortfall kommen, und man speist die Kammer 11 kontinuierlich mit Wasser oder einer anderen geeigneten Fltis- ^ sigkeit, wodurch ein kontinuierlicher Wasserstrahl aus der ^ Düse 12 austritt, auch wenn zwischen den Elektroden 15 und 16 keine Lichtbogen- oder Funkenentladung stattfindet. Während solcher elektrischer Entladungen zwischen den Elektroden erhält man dann Flüssigkeitsstrahlen außerordentlicher Geschwindigkeit. Ein Rückschlagventil kann in die Leitung 12 derart eingebaut werden, daß aus der Kammer keine Flüssigkeit durch die Speiseleitung zurücklaufen kann. Die Elektroden 15 und 16 sind über einen Schalter 24 an einen Stoßspannungsgenerator angeschaltet, der mit dem Kondensator 25 sinnbildlich dargestellt ist. Dieser Hochspannungsstoßgenerator wird in bekannter Weise mit Hochspannung geladen und gibt

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seinen Energieinhalt bei der Entladung über die Funkenstrecke zwischen den Elektroden 15 und 16 ab. Man kann Stoßspannungsgeneratoren mit Kondensatoren, Induktivitäten oder dgl. verwenden. Der Verschluß 2^ ist über einen Detektor 26 an den Schalter 2k angeschlossen, und zwar derart, daß der Verschluß 2j5 Jedesmal dann öffnet, wenn die gespeicherte Hochspannungsenergie über die Funkenstrecke entladen wird.

Zum Beginn einer elektrischen Entladung ist die hydraulische Kammer 11 mit Flüssigkeit gefüllt. Durch den Hochleistungsbogen zwischen den Elektrodenspitzen bei einer Entladung bildet sich zwischen den Elektrodenspitzen ein Hochspannungsbogen. Dieser Hochspannungsbogen erzeugt eine Gasblase durch Verdampfen der UmgebungsflUssigkeit zumindest im Bereich 18, wobei diese Gasblase sich äußerst schnell ausdehnt und damit eine etwa vom Punkt 18 ausgehende Kugel-Stoßwelle erzeugt. Der Punkt 18 ist nun etwa am Brennpunkt des Rotations-parabolischen Abschnittes 17 der Kammerll und in Flucht mit der Mittellinie der eigentlichen Düse angeordnet. Die Kugel-Stoßwelle, die auf dem parabolischen Abschnitt 17 der Kammer gestrahlt wird, wird durch diesen Abschnitt 17 reflektiert, und zwar in Form einer ebenen Stoßwelle, deren Richtung in Richtung nach außen der Öffnung 12 verläuft. Der tatsächliche Ort der Entstehung der Stoßwelle ist dabei der Punkt 18. Dadurch wird die Wirkung der verbleibenden und noch nicht reflektierten Stoßwelle verstärkt. Diese verstärkte Stoßwelle treibt nun die Flüssigkeit in dem Düsen-Abschnitt 19 der hydraulischen Kammer 11 in Richtung auf die Auslaßöffung 12. Da nun die Gestalt des Düsen-artigen Abschnittes 19 der Kammer 11 eine Zissoide des Dlokles ist, stellt sich innerhalb dieses Düsenabschnittes 19 ein gleichförmiger und schneller Druckanstieg ein. Dadurch tritt Flüssigkeit aus der DÜsenöffnung 12 mit erheblichem Impuls aus.

Das Ausfuh-ruiifVibeii-jpLel gem. Fig. 2 arbeitet ähnlich:

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Ein Kolben J5o wird dazu verwendet, die Flüssigkeit in der Kammer 11 vor der Entladung des Stoßspannungsgenerators 25 über die Elektroden 15 und 16 unter Druck zu setzen. Die Flüssigkeit wird dem Zylinder 31, in welchem sich der Kolben 3o bewegt, durch einen Zulauf 22 eingegeben. Der Kolben 3o wird nunmehr mittels nicht gezeigter Mittel mit hoher Geschwindigkeit durch den Zylinder 31 nach rechts, d.h. in Richtung auf die Düse zu, bewegt, wodurch die Flüssigkeit erheblich unter Druck gesetzt wird. Die Flüssigkeit füllt nunmehr die eigentliche Reaktionskammer und im Augenblick P der vollständigen Füllung der Kammer 11, in welchem sich die Fläche 33 des Kolbens in der Rotationsparaboloidfläche des linken Kammerteils befindet, wird der Stoßspannungsgenerator in der Funkenstrecke 18 zwischen den beiden Elektroden entladen. Die Fläche 33 des Kolbens 13 ist in diesem Augenblick also ein Teil des parabolischen Abschnitts 17 in der Kammer' 11.

Die Figuren 3 und 4 zeigen graphisch die besonders guten Werte, die man mit der Zissoiden-Düse 19 erhält. Die Zissoiden-Düse I9 wird dabei mit einer nach einer Exponentialfunktion ausgebildeten Gestalt 29 und einer konischen Gestalt 39 der Düse verglichen. Alle anderen Parameter und Abmessungen - mit Ausnahme der Gestalt der Rotationskurve - sind die gleichen. Die Düsenlänge war jeweils ein Zoll, d.h. etwa 2,5 cm und der Eingangsdurchmesser war etwa 2 cm und der Auslaßdurchmesser war etwa o,2 cm.

Fig. 3 stellt graphisch die erreichbaren Strömungsgeschwindigkeiten durch die verschieden gestalteten Düsen dar. Bei 6o# der erfaßten Gesamtlänge ist die Strömungsgeschwindigkeit bei der Zissoid-Düse etwa sechsmal so groß wie bei einer entsprechenden konischen Düse und etwa 1,8 mal so groß wie der einer Düse mit exponentieller Gestalt, d.h. einer Expo-

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nentialkurve als Innenbegrenzung der Düse.

Fig· 4 stellt für die drei erläuterten und zu vergleichenden Gestaltungen der Düse 19 die kinetische Energie der erzeugten Strahlen gegen die DUsenlängsrlchtung In Längeneinheiten dar· Wieder sind mit Ausnahme der Gestalt der Düse selbst alle anderen Parameter gfeich. Die kinetische Energie steigt am schnellsten bei einer Zissoiden-Gestalt der Düse und 1st an jedem Punkt auf der Länge der Düse größer als bei einer Bxponential-Drehkurve als Innenfläche der Düse oder bei einem konischen Verlauf der Innenfläche der Düse. Mit anderen Worten: Bei der Gestaltung der Innenfläche der eigentlichen Düse 19 naoh einer Zissoide erhält man bei sonst gleichen Parametern eine wesentlich größere Strahlgeschwindigkeit des ausströmenden Flüssigkeitsstrahls, als bei den Vergleichsanordnungen der Fall ist.

Die Erfindung ist nicht auf Vorrichtungen beschränkt, welch« die hohen Strahlgeschwindigkeiten durch entsprechende Un-* eetzung von elektrischer Energie erreichen. Man kann auch mechanische Energie, chemische oder Energie in Form von hydraulischen Drücken zuführen, oder beliebige Kombinationen verwenden. In Flg. 2 1st ein Ausführungsbelsplel dargestellt, bei welchem die Energie auf zweierlei Weisen elngeoaoht wird, nämlich einmal durch unter Druck setzen mittels des Kolben« und sum anderen durch eine elektrische Bogenentladung innerhalb der Flüssigkeit.

Patentansprüche 209818/0670

Claims

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Patentansp rU ehe

(. 1J Vorrichtung zur Erzeugung von gepulsten Wasserstrahlen mit sehr hoher Geschwindigkeit, bestehend aus einem eine inkompressible Flüssigkeit enthaltenden Raum, in welchem der Druck erzeugt wird, und einer aus dieser Kammer herausführenden Düse, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (11) zumindest auf einem Teil ihrer Innenoberfläche (17) die Gestalt eines Rotationsparaboloids aufweist, und daß die Stelle der Stoßwellenerzeugung im Brennpunkt (18) der Parabeln liegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teil der Kammer, welcher die eigentliche Austrittsdüse bildet, die Gestalt einer Zissoide mit in Strahlrichtung verlaufender Achse aufweist.

j5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zissoide eine Diokles-Zissoide ist, deren freier Querschnitt eich nach außen zu verjüngt.

K» Vorrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch

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gekennzeichnet, daß im Brennpunkt des Rotationsparaboloids, der auf der Längsachse der Austrittsdüse liegt, zur Erzeugung von Hochdruckflüssigkeitsstrahlen aus der Düse eine Stoßgenerator-Entladung zwischen zwei ins Innere der Kammer stehenden Elektroden stattfindet.

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