DE2320670A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von stosswellen in einer fluessigkeit - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. Jürgen Crasemann 4o2j5/lo

Dipl.-Ing. Vincenz v. Raffay

Patentanwälte

2 Hamburg 7 ο ,2Ψ. April 1973

Schloßstr. 6

Anmelder; Societe pour le developpement de la Recherche Appliquee (SODERA) .
9 bis, Rue Jean Mallard
83I00 Toulon/Frankreich und

Centre National pour 1Exploitation des Oceans

(CNEXCO)

39, Avenue d*Iena

75o16 Paris/Frankreich

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Stoßwellen in einer Flüssigkeit

Man benötigt Stoßwellengeneratoren beispielsweise zu dem Zweck., unter Wasser kurze Signale zu erzeugen, deren Laufzeiten unter Wasser gemessen und/oder deren Echos weiter verarbeitet werden. Ein bekannter Stoßwellengenerator bläst hochgespannten Dampf in Bläschenform in Wasser, woraufhin die Bläschen dann sehr schnell nach Art einer Implosion in sich zusammenfallen. Diese Implosion ist dann die eigentliche Quelle einer Stoßwelle. Man kann - nach einem anderen bekannten Verfahren - auch Sauerstoff und Wasserstoff in Gasform in das Wasser bringen, woraufhin sich sofort Wasser bildet und dieser Vorgang die Erzeugung der gewünschten Stoßwellen bewirkt. Die bekannten Verfahren weisen verschiedene technische Nachteile auf, insbesondere den der Notwendigkeit eines erheblichen apparativen Aufwandes. Dies gilt vor allem für Dampfgeneratoren und mögliche elektrische Hochspannungsanlagen.

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Die Erfindung sucht ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung 2ur Erzeugung von Stoßwellen in einer Flüssigkeit zu schaffen, welches bzw. welche apparativ einfach und anspruchslos ist. Wie die Erfindung diese Aufgabe löst, ist im Anspruch 1 beschrieben.

Die Ühteransprüche beschreiben zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.

Erkennbar ist-sowohl der Verbrauch an Druckgas als auch der Verbrauch elektrischer Energie zum unter Druck setzen des Gases sehr klein. Vor allem wird die erfindungsgemäße Vorrichtung der Forderung nach geringem apparativen Aufwand gerecht. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in den kleinen Abmessungen des eigentlichen Stoßwellengenerators, d.h. der Vorrichtung, die das "Geschoß" aus Flüssigkeitsteilchen in die zu untersuchende Flüssigkeit selbst hineinschießt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Erläuterung von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung. In dieser zeigen:

Figuren 1 bis 3 schematisch verschiedene Phasen des /erfindungsgemäßen Verfahrens;

Flg. 4 im Längsschnitt eine bevorzugte Ausführungsform der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens; und

FIg* 5 im Teilschnitt eine Variante der Anordnung nach Fig. 4.

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In der schematisehen Darstellung nach den Figuren 1 bis 5 ist mit 1 ein "Sammler" bzw. "Speicher" bezeichnet, der im Prinzip zwei Räume oberhalb bzw. unterhalb eines Kolbens 4 aufweist. Der untere Raum hat mithin ein veränderliches Volumen und steht über eine schematisch dargestellte Leitung mit einer Quelle 2 in Verbindung, die eine unter Druck stehende Flüssigkeit liefert. Der unterhalb des Kolbens 4 liegende und mit unter Druck stehender Flüssigkeit gefüllte Raum ist durch einen Auslaß j5 mit Ventilfunktion gegen den sich außerhalb des Sammlers befindlichen Raum abgeschlossen. Oberhalb des Kolbens 4 befindet sich im Zylinder 5 ein "Kissen" aus einem Gas, so daß der Kolben 4 durch Einwirkung des Gases auf seine obere Fläche 6 nach unten vorgespannt ist. Es ist in anderen Ausführungen der Erfindung denkbar, anstelle eines Gaskissens andere geeignete Mittel zu verwenden, tun den Kolben 4 nach unten vorzuspannen.

Die schematisch dargestellte Anordnung befindet sich in Fig. 1 in demjenigen Zustand, in welchem der Raum unter dem Kolben 4 mit unter Druck stehender Flüssigkeit gefüllt ist, der Auslaß 3 geschlossen ist und sich im Raum 7b über dem Kolben ein komprimiertes Gas befindet.

In Fig. 2 ist folgender Zustand dargestellt: Der Auslaß 3 ist geöffnet und die unter Druck im Sammler befindliehe Flüssigkeit wird mit großer Geschwindigkeit nach außen ausgetrieben. Dies geschieht unter der Wirkung des Kolbens 4, der nach Freigabe unter der Wirkung des darüberstehenden komprimitierten Gases nach unten beschleunigt wird. Es bildet sich mithin eine Art "Geschoß" aus Flüssigkeit, welches bei 8 in--Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Hinter diesem "Geschoß" 8 bildet sich gewissermaßen

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in dessen Kielwasser ein Hohlraum 9, der schlagartig von der umgebenden Flüssigkeit nach Art einer Implosion aufgefüllt wird, was mit den Pfeilen Io in Fig. 3 schematisch dargestellt ist. Dieses schlagartige Füllen des Hohlraumes 9> welches sich wie eine Implosion vollzieht, ist der eigentliche Erzeuger der Stoßwellen.

Der mehr ins einzelne gehende Schnitt gemäß Fig. 4 zeigt eine Reihe von Merkmalen eines bevorzugten Ausführungsbeispieles. Man bemerkt, daß die Quelle.2 für unter Druck stehende Flüssigkeit durch ein Filter 2a aus der Umgebungsflüssigkeit, die unter geringem Druck steht, gespeist wird. Die Quelle 2 ist mit dem eigentlichen Sammler 1 durch eine Leitung 2b verbunden, die in eine Kammer 7a einmündet, die ihrerseits vom Kolben 4 und dem Zylinder 5 begrenzt ist.

Des weiteren ist ein Anschlag 17 an der Basis des Sammlers vorgesehen, um nach Art eines Flüssigkeitsdämpfers den Kolben 4 im untersten Bereich seines Arbeitshubes zu bremsen.

Der im ganzen in Fig. 4 mit 3 bezeichnete Auslaß für das "Geschoß" aus Flüssigkeitsteilchen ist beispielsweise gemäß der FR-PS 71 J59 o95 vom 29. Oktober I97I ausgebildet. Insbesondere weist der Auslaß 3, der wie eine Düse oder eine Mündung für das "Geschoß" 8 dient, eine Auslösekammer 11 auf. Diese Kammer 11 ist durch eine Ablaufleitung 12 mit der Umgebungsflüssigkeit verbunden. Mit 16 ist schematisch eine Druckgasversorgung dargestellt, die über in Fig. 4 nicht eingezeichnete Kanäle die Auslösekammer 11 beaufschlagen kann, um das Schließglied am unteren Ende des Raumes 7a anheben zu können, woraufhin, die oben unter Hinweis auf die Figuren 2 und 3 erläuter-

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ten Vorgänge ausgelöst werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist am Ende der Auslaßdüse 3 ein Stutzen I3 angeschlossen. Eine Leitung 14 für Gas mündet in den Innenraum innerhalb des Stutzens 13, und es sind auf verschiedenen Niveaus im Stutzen 13 Öffnungen 15 ausgebildet, die verschließbar sind. Durch diese Öffnungen 15 steht der Raum innerhalb des Stutzens IJ ebenfalls in Verbindung mit der umgebenden Flüssigkeit. Wenn man eine der Öffnungen 15 öffnet, dann regelt man damit das Gasvolumen, das man über die Leitung 14 vor die Mündung der Düse legen kann, wobei die entsprechend geöffnete Düse eine Art Überlauf bildet.

Die Beschreibung der Arbeitsweise der erläuterten Einrichtung zeigt zugleich den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens, und insbesondere, in weIcher Weise man einen solchen Stoßwellengenerator vorteilhaft einsetzen kann.

Um das oben unter Hinweis auf Fig. 2 und 3 erläuterte "Geschoß" 8 aus Flüssigkeitsteilchen überhaupt erzeugen zu können, muß man in dem Sammler 1 Energie speichern, während die Düse 3 geschlossen ist, wie z.B. in den Figuren 1 und 4 dargestellt ist. Zu diesem Zweck wird beispielsweise Flüssigkeit an der Untersuchungsstelle, d.h. Umgebungsflüssigkeit, mittels einer Pumpe durch das Filter 2a in den Behälter 2 gefördert, so daß dort ein hoher Druck aufgebaut wird, und - s. das oben unter Hinweis auf Figur 4 gesagte - der Raum Ja, mehr oder minder gefüllt wird, und der Raum 7£> unter Verringerung seines Volumens unter erheblichen Gasdruck gesetzt wird. Dabei wird der Kolben 4 nach oben geschoben. Wenn dieses "Laden" beendet ist, dann öffnet man die eigentliche Aus-

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laßdüse j5 dadurch, daß man über die Leitung 16 Druckgas in die Auslösekammer 11 leitet, wie dies in der oben genannten PR-PS im einzelnen erläutert ist. Während der sehr kurzen Öffnungszeit der Düse j5 geht der wegen Druckabsenkung (durch öffnung) im Raum 7a nach unten freigegebene Kolben 4 unter der Wirkung des darüber stehenden Druckgases nach unten. Wie erläutert, tritt Flüssigkeit aus der eigentlichen Düse 3> mit ganz erheblicher Geschwindigkeit auf, die bei geeigneter Auslegung der Betriebsparameter so groß ist, daß sich hinter dem ausgeschleuderten "Geschoß" 8 ein Hohlraum mit äußerst geringem Innendruck bildet, der dann - wie oben unter Hinweis auf Fig. J5 erläutert - nach Art einer Implosion zusammenfällt; die Impbsion selbst erzeugt nunmehr eine Stoß- oder Schockwelle in der zu untersuchenden Flüssigkeit. Der Kolben 4 wird am Ende seines Weges nach unten nach Art einer Strömungsbremse durch dasjenige Wasser bzw. diejenige Flüssigkeit gebremst, die sich zwischen dem Kolben 4 und dem Anschlag 17 befindet.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung verbessert man die dynamischen Eigenschaften des "Geschosses" dadurch, daß man einen bekannten Stoff zusetzt, der die Oberflächenspannung der entsprechenden Flüssigkeit absenkt. Dadurch entsteht weniger Reibung zwischen dem "Geschoß" und der umgebenden Flüssigkeit; Turbulenzen werden weniger und es wird die REYNOLDS-Zahl erhöht, die in bekannter Weise ein Parameter fließender Strömungsmittel ist. Um die Energie des ausgeschleuderten "Geschosses" zu erhöhen, kann man ferner mittels bekannter technischer Mittel dafür sorgen, daß der linearen Bewegung der einzelnen Teilchen des "Geschosses" eine Drehbewegung um die Längsachse der Anordnung überlagert wird,

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so daß der Energieinhalt um dabei auftretende Zentrifugalkräfte erhöht wird. Dadurch wird mehr Energie bei der Implosion zur Erzeugung der Stoßwellen verfügbar.

Eine derartige Anordnung kann Stoßwellen mit etlichen kHz erzeugen. Mithin ist es zweckmäßig, die Frequenz der Stoßwellen modulieren zu können. Zu diesem Zweck ist bei dem erfindungsgemaßen Verfahren ferner vorgesehen, in der Nachbarschaft des "Geschosses" Gas einzuspritzen. Dieses Gas gelangt dann in den Hohlraum hinter dem eigentlichen "Geschoß" und bildet so einen Dämpfer für die Implosion. So erzeugte Stoßwellen haben dann eine niedrigere Frequenz als man ohne Zugabe von Gas erhalten würde. Die auf diese Weise mögliche Frequenzveränderung hängt von der Menge des injizierten Gases ab.

Zur Einführung von Gas zu Dämpfungszwecken in den Bereich des "Geschosses" kann man die Anordnung nach Fig. 4 verwenden, wobei weitere Einzelheiten der genannten FR-PS 71 39 095 zu entnehmen sind. In diesem Falle dient nämlich die Leitung 12, die aus der Auslösekammer der Düse herausführt, dazu, Gas in diejenige schnellaustretende Flüssigkeit- einzubringen, die dann das "Geschoß" bildet. Dabei ist vorteilhaft, daß man keine eigene Gaszuführung benötigt: man verwendet ganz offensichtlich das selbe Gas, das über die Leitung 16 zum öffnen der Düse verx-iendet wird.

Offensichtlich kann man die Menge des in dieser Weise durch die Kanüle 12 zugegebenen Gases dadurch regeln, daß man den Gasdruck entsprechend einstellt, daß man die Zeit entsprechend wählt, während welcher zum Zwecke des öffnens der Düse Gas zugeleitet wird,-und/oder dadurch,

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daß man den Durchmesser der Kanüle 12 entsprechend wählt* Bei der Ausführung nach Fig. 5 kann man die Leitung 14 dazu verwenden, ein gewisses Gasvolumen in den Raum 15 einzubringen» Dabei kann man in der erwähnten Weise die verschließbaren öffnungen 15 dazu verwenden, die Menge dieses vorher eingebrachten Gases zu regeln.

Bereits mit Hilfe der zwei beschriebenen Arten der Zuführung von zusätzlichem Gas kann man die Stoßwellenfrequenz im Bereich zwischen einigen zehn Hertz und mehreren tausend Hertz einstellen. Wenn man genügend Gas injiziert, dann erhält dieselben Resultate wie mit einem Stoßwellengenerator auf Gasbasis, braucht aber nur sehr wenig Energie. Dies hat im Falle der Fig. 5 seinen Grund darin, daß man nur Gas mit einem hydrostatischen Druck braucht, der deutlich unter denjenigem liegt, den man bei den genannten Stoßwellengeneratoren auf.Gasbasis benötigt.

In einer weiteren Ausführungsform ist ein frei verschiebbarer Kolben in einem Zylinder angeordnet, der an seinem einen Ende offen ist. Im Zylinder befinden sich mithin zwei Kammern, deren erste das als Treiber dienende Strömungsmittel aufnimmt, und deren zweiter, offener Raum unter der Wirkung des hydrostatischen Druckes mit der zu untersuchenden Flüssigkeit gefüllt wird, z.B. mit Seewasser. Um den Kolben in diesem Falle mit der erforderlichen großen Geschwindigkeit zum offenen Ende des Zylinders zu bewegen, kann man andere bekannte technische Mittel verwenden, beispielsweise insbesondere eine elektrische Bogenentladung, die in der abgeschlossenen Kammer gezündet wird. Die abgeschlossene Kammer kann beispielsweise ein durch Funkenzündung detonierendes Gasgemisch enthalten, das durch einen Zündfunken zwischen zwei

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Elektroden gezündet wird, die in diesem Falle selbstverständlich ins Innere der abgeschlossenen Kammer einstehen. Man kann die abgeschlossene Kammer auch mit Wasser oder einer anderen Flüssigkeit füllen und zwischen entsprechenden Elektroden in der Kammer eine Bogenentladung herbeiführen, die den Druck innerhalb der durch den verschiebbaren Kolben abgeschlossenen Kammer schlagartig erheblich erhöht. Selbstverständlich sind auch Kombinationen dieser Antriebsmittel für die schlagartige Bewegung des Kolbens zum offenen Ende des Zylinders hin möglich.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist die schnell zu öffnende Düse zwischen zwei Kammern angeordnet, von denen eine das Antriebs-Strömungsmittel, z.B. Druckluft oder Dampf, enthält, und deren andere offen ist, wobei diese letztere Kammer den gleitbar gelagerten Kolben enthält und mit dem umgebenden Wasser unter der Wirkung des hydrostatischen Drucks gefüllt werden kann. Diese Anordnung gestattet in vorteilhafter Weise eine Veränderung des Durchmessers der offenen Kammer und damit des Volumens des ausgeschleuderten "Geschosses". In diesem letzteren Falle kann man zu dem oben erläuterten Zweck ein Gas in das eigentliche "Geschoß" dadurch einbringen, daß man in dem Kolben eine diesen durchdringende Öffnung vorsieht.

Patent ansprüche

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Claims (8)

Dipl.-Ing. Jürgen Crasemann 4o2j5/lo Dipl.-Ing. Vincenz v. Raffay Patentanwälte 4Q 2.K. April 1973 Hamburg 7ο Schloßstr. 6 - " Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung von Stoßwellen in eher Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Masse innerhalb der Flüssigkeit mit so großer Geschwindigkeit bewegt, daß sich - in Bewegungsrichtung der Masse gesehen - hinter der schnell bewegten Masse ein Raum stark verminderten Drucks bildet, der dann nach Art einer Implosion von der umgebenden Flüssigkeit schlagartig aufgefüllt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schnell bewegte Masse aus der Flüssigkeit besteht, in welcher die Stoßwelle zu erzeugen ist.

j5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man derjenigen Flüssigkeitsmenge, welche die schnell bewegte Masse bildet, ein die Oberflächenspannung herabsetzendes Mittel zusetzt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Veränderung bzw. Beeinflussung der Frequenz der Stoßwelle nahe bei der schnell bewegten Wassermasse ein Gas zugibt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den

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vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen mit Druckgas gefüllten Raum veränderlichen Volumens aufweist, der in Wirkverbindung mit einem weiteren Raum (7a) bringbar ist, der seinerseits mit der Umgebungsflüssigkeit in Verbindung bringbar und gegen diese absperrbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß der Sammler einen Zylinder (5) aufweist, in welchem ein Kolben (4) frei gleitbar gelagert ist, und daß die eine Seite des Kolbens von einem geschlosse-' nen und unter Druck stehenden Gasvolumen beaufschlagt ist, und die andere Seite mit einem Raum (7a) verbunden ist, aus welchem bei öffnung eines Ventiles (3) unter der Wirkung des Gasdrucks ein Flüssigkeitsvolumen mit hoher Geschwindigkeit ausgeschleudert wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (3) zur Erzielung einer schlagartigen öffnung mittels Druckgas ausgelöst wird, welches in eine Auslösekammer (11) im .Ventilmechanismus eintritt, die ihrerseits durch eine axiale Kanüle (12) mit,der umgebenden Flüssigkeit in Verbindung steht.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche

5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an das Ventil (3) ein rohrförmiger Stutzen mit öffnung am unteren Ende anschließt, welcher Stutzen sowohl eine Zuführung (14) für Gas als auch in verschiedenen Höhen verschließbare öffnungen (15) aufweist.

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