DE2657717C3 - Vorrichtung zum strahlförmigen Ausstoßen von Flüssigkeit unter hohem Druck - Google Patents

Vorrichtung zum strahlförmigen Ausstoßen von Flüssigkeit unter hohem Druck

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DE2657717C3
DE2657717C3 DE19762657717 DE2657717A DE2657717C3 DE 2657717 C3 DE2657717 C3 DE 2657717C3 DE 19762657717 DE19762657717 DE 19762657717 DE 2657717 A DE2657717 A DE 2657717A DE 2657717 C3 DE2657717 C3 DE 2657717C3
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Sergej J. Moskva Školnikov
Valentin P. Saporoše Nikolajev
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Description

hierbei ist
χ die jeweilige Koordinate der Übergangsstelle der Kolbenstange (25, 43) in die Verbreiterung (26, 44) auf der Längsachse 0-0 entlang der Hochdruckkammer (7), wobei χ am Ende der öffnungsbewegung gleich 0 definiert ist,
S, die Größe der Querschnittsfläche des Kanals (27, 45), die der jeweiligen Koordinate * entspricht;
5b die Größe der Querschnittsfläche des Kanals (27, 45), die der Koordinate Af= 0 entspricht;
a eine für die Vorrichtung konstante Größe, die dem Hubweg der Kolbenstange (25,43) bei ihrer Verschiebung von Af= 0 bis Afm„ gleich ist
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum strahlförmigen Ausstoßen von Flüssigkeit unter hohem Druck, die mindestens einen Zylinder mit einem durch einen Antrieb darin verschiebbar angeordneten stufenförmigen Kolben enthält wobei beide Stufen wählend des Antriebs am Zylinder bzw. an den Zylindern dichtend anliegen und wobei die Stufe mit geringerem Durchmesser derart angeordnet ist daß sie beim Verschieben des Kolbens zur Erzeugung des hohen
ίο Stoßdruckes in eine mit einer Flüssigkeitsquelle verbundene und mit einer Ausstoßöffnung für die Flüssigkeit versehene Hochdruckkammer vorgeschoben wird.
Derartige Vorrichtungen sind aus den US-PS 36 26 446, Re 27 244 und 36 01 988 bekannt
Bei diesen bekaarrten Vorrichtungen erfolgt das Ansteigen des Drucks in der Hochdruckkammer durch die Kolbenbewegung bis zur maximalen Höhe bei offener Ausstoßöffnung. Dies bewirkt, daß während der Druckerhöhung ein Flüssigkeitsstrahl mit entsprechend ansteigender Geschwindigkeit ausgestoßen wird, was wiederum zur Folge hat, daß die vorher ausgestoßenen Strahlen mit niedrigerer Geschwindigkeit von den nachfolgenden Strahlen mit höherer Geschwindigkeit zerstört, d. h. verstäubt werden, was den Wirkungsgrad der eingesetzten Energie um 30 bis 50% herabsetzt
Außerdem kann bei diesen bekannten Vorrichtungen der maximale Flüssigkeitsdruck in der Hochdruckkammer nur auf einem kurzen Stück des Kolbenwegs
jo aufrechterhalten werden, wodurch wiederum der Wirkungsgrad herabgesetzt ist
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß der maximale Druck eines erzeugten Druckstrahls über einen längeren Zeitraum der Kolbenbewegung aufrechterhalten werden kann, so daß der Wirkungsgrad erheblich verbessert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Stufe mit geringerem Durchmesser des Kolbens mit einer ein freies Endteil aufweisenden Kolbenstange, die im Bereich des freien Endteils eine Verbreiterung aufweist, starr verbunden ist, daß die Hochdruckkammer einen Abschnitt mit einer Verengung und einen sich in Richtung der Ausstoßöffnung daran anschließenden Abschnitt mit einer Verbreiterung aufweist und daß die Verbreiterung des Endteils, die Verengung der Kammer sowie die übrigen die Kammer bildenden Oberflächen derart angeordnet und dimensioniert sind, daß, wenn die Kolbenstange mit ihrer Verbreiterung sich in dem
so Abschnitt der Verengung der Hochdruckkammer befindet, ein abgedichteter Raum in der Hochdruckkammer zwischen dem Abschnitt mit der Verengung und der Stufe geringeren Durchmessers des Kolbens besteht und daß bei der Weiterbewegung des Kolbens in
Richtung der öffnung zwischen der Kolbenstange und der Wandung der Hochdruckkammer ein mit der öffnung verbundener Kanal mit ringförmigem Querschnitt besteht.
Bei einer derartigen Vorrichtung wird ein Ausströmen der Flüssigkeit aus der Hochdruckkammer während der Erzeugung des hohen Druckes verhindert Der ausgestoßene Strahl ist rohrförmig und sichert bei gleichem Aufwand an Anlaufenergie des Kolbens im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen eine größere Energie bei der Einwirkung der Flüssigkeit auf ein zu zerstörendes Gestein.
Eine vorzugsweise Ausführungsform besteht darin, daß der Kanal mit ringförmigem Querschnitt eine
Querschnittsfläche aufweist, die sich Ober die Länge des Kanals in folgender Abhängigkeit verändert:
hierbei ist
χ die jeweilige Koordinate der Übergangsstelle der Kolbenstange in die Verbreiterung auf der Längsachse 0-0 entlang der Hochdruckkammer, wobei χ am Ende der Öffnungsbewegung gleich 0 definiert ist,
Sr die Größe der Querschnittsfläche des Kanals, die der jeweiligen Koordinate χ entspricht;
5b die Größe der Querschnittsfläche des Kanals, die der Koordinate x=0 entspricht;
ί eine für die Vorrichtung konstante Größe, die dem Hubweg der Kolbenstange bei ihrer Verschiebung von x= 0 bis xmcx gleich ist
Hierdurch wird gewährleistet, den Flüssigkeitsdruck in der Hochdruckkammer auf dem gesamten Weg des Kolbens in der Hochdruckkammer ungefähr auf gleicher Höhe zu halten, was eine wesentliche Steigerung der Energie der auszustoßenden Flüssigkeit ohne eine Vergrößerung des Rauminhalts der Hochdruckkammer sichert
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausstoßen von Flüssigkeit unter hohem Druck gestattet es im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen, einen Strahl mit wesentlich größerer Energie zu erzeugen und den Nutzfaktor der Anlaufenergie des Kolbens beträchtlich zu erhöhen.
Außerdem wird beim Betrieb der Vorrichtung der Energieverbrauch pro zerstörter Gesteinseinheit verringert, d. h, daß die Leistung bei gleichen technischen Kenndaten wesentlich vergrößert ist
Die Effektivität der Zerstörung von Felsen und Gestein mit Flüssigkeitsstrahlen aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung steigt dadurch an, daß der Strahl rohrförmig gebildet wird, weil das erstens die Wahrscheinlichkeit des Auftreffens des jeweiligen Strahls auf defekte Stellen, wie es z. B. Risse an der Gesteinsoberfläche sind, vergrößert und zweitens ermöglicht, infolge des Ablaufens der Flüssigkeit an der Oberfläche des Gesteins von der ringförmigen Kontaktflache des Ausgangsstrahls und des Felsengesteins zum Zentrum des Strahls einen sekundären Strahl zu bilden. Das Vorhandensein des inneren Hohlraumes im rohrförmigen Strahl erlaubt es, wenn der Austrittskanal konvergent ausgeführt ist, den Flüssigkeitsteilchen eine Geschwindigkeitskomponente zu verleihen, die zur Strahlachse gerichtet ist, d. h. die Neigung des Strahls zum Zerstäuben herabzusetzen und die Dichte des Flüssigkeitsstrahls zu erhöhen.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Vorrichtung zum strahlförmigen Ausstoßen von Flüssigkeit unter hohem Druck, bei der die kleinste Querschnittsfläche Sx des ringförmigen Kanals durch Veränderung des Durchmessers der Hochdruckkammer geregelt wird, im Längsschnitt und in schematischer Darstellung,
F i g. 2 eine Variante der Vorrichtung gemäß F i g. 1, bei der die kleinste Querschnittsfläche Sx des ringförmigen Kanals durch Veränderung des Durchmessers der Kolbenstange geregelt wird,
F i g. 3 ein Diagramm der Abhängigkeit des Flüssigkeitsdruckes in der Hochdruckkammer vom zurückgelegten Weg des Kolbens, der entlang der x-Achse aufgetragen ist
Eine Vorrichtung zum strahlförmigen Ausstoßen von Flüssigkeit unter hohem Druck enthält einen Zylinder 1 (Fig. 1). Innerhalb des Zylinders 1 ist ein zweistufiger Kolben 2 angeordnet, der eine Stufe 3 mit geringerem und eine Stufe 4 mit größerem Durchmesser aufweist
ίο Seitens der Stufe 3 mit geringerem Durchmesser des Kolbens 2 ist am Zylinder 1 eine Buchse 5 starr an ihm befestigt, mit der ein hohlzylindrischer Aufsatz 6 fest verbunden ist Die geometrischen Achsen des Aufsatzes 6 und der Buchse 5 stimmen mit der Längsachse 0-0 des Zyanders 1 überein.
Der durch die Stufe 3 mit geringerem Durchmesser des Kolbens 2 und durch die Innenflächen der Buchse 5 und des Aufsatzes 6 begrenzte Hohlraum bildet eine Hochdruckkammer 7.
Im Aufsatz 6 ist in der Achse 0-0 eine Ausstoßöffnung 8 ausgeführt, die die Hochdruckkammer 7 mit der Atmosphäre verbindet Seitens der Stufe 4 mit dem größeren Durchmesser des Kolbens 2 ist eine Niederdruckkammer 9 angeordnet, die durch eine in der
2) Wandung des Zylinders 1 ausgeführte öffnung 10 mit einem Druckausgleicher 11 kommuniziert Der Druckausgleicher 11 wird durch eine zylindrische Hülse 12 gebildet, die auf die Außenfläche des Zylinders 1 aufgezogen und fest mit demselben verbunden ist Die Niederdruckkammer 9 und der Druckausgleicher U sind mit Druckgas gefüllt, das zur Akkumulation von Energie beim Hub des Kolbens 2 in Richtung zur Niederdruckkammer 9 und zum Anlauf des Kolbens 2 in Richtung zur Hochdruckkammer 7 vorgesehen ist.
In der Stufe 4 des Kolbens 2 ist ein knierohrförmiger Kanal 13 ausgeführt, der die Niederdruckkammer 9 mit dem Druckausgleicher 11 verbindet, wenn sich der Kolben 2 der äußersten rechten Lage (F i g. 1) nähert Im Kanal 13 ist ein Rückschlagventil 14 angeordnet, das bewirkt, daß das Druckgas hauptsächlich nur in Richtung aus der Kammer 9 in den Druckausgleicher 11 strömt. Im Ventil 14 ist eine Düse 15 vorgesehen, die Gas in einer unbedeutenden Menge aus dem Druckausgleicher 11 in die Kammer 9 durchläßt, wenn sich der Kolben 2 (F i g. 1) aus der äußersten rechten Lage nach links zu verschieben beginnt Dadurch wird eine gewisse, durch den Durchlaßquerschnitt der Düse 15 regelbare Verzögerung des Kolbens 2 in der äußersten rechten Lage vor seinem Anlauf gesichert. Die
so Hochdruckkammer 7 kommuniziert beim Austritt der Stufe 3 des Kolbens 2 aus der Hochdruckkammer 7 mit einer Flüssigkeitsquelle (nicht dargestellt). Die Verbindung der Kammer 7 mit der Flüssigkeitsquelle erfolgt über einen Hohlraum 16 und einen Kanal 17, der im Körper der Buchse 5 ausgeführt ist. Der Hohlraum 16 vergrößert sich bei der Bewegung des Kolbens 2 nach rechts (F i g. 1), wobei sich Flüssigkeit darin ansammelt.
In der Nähe der Buchse 5 sind in der Seitenwandung des Zylinders 1 mehrere Fenster 18 ausgeführt, die gleichmäßig am Umfang verteilt sind. Die Gesamtfläche der Querschnitte sämtlicher Fenster 18 ist vorzugsweise gleich bzw. etwas größer als die Fläche des Querschnitts der Stufe 4 des Kolbens 2 auszuführen, wodurch der hydraulische Widerstand beim Ausströmen der Flüssigkeit aus dem Hohlraum 16 durch die Fenster 18 in die Atmosphäre vermindert wird.
Auf die Außenfläche des Zylinders 1 ist eine zylindrische Buchse 19 hin- und hervercchiebbar
aufgesetzt. Die zylindrische Buchse 19 dient zum Überdecken der Fenster 18 beim Hub des Kolbens 2 in Richtung zur Niederdruckkammer 9 und zum öffnen der Fenster 18 zum Anlauf des Kolbens 2 unter Gasdruck in Richtung zur Buchse 5.
Es ist eine Vorrichtung (nicht dargestellt) zur Verschiebung der Buchse 19 auf der Oberfläche des Zylinders 1 vorgesehen, welche jede geeignete Konstruktion aufweisen kann.
An der in Fig. 1 rechten Stirnseite der Buchse 5 ist ι ο kolbenseitig ein ringförmiger Vorsprung 20 vorgesehen, dessen Innendurchmesser sich zu seinem freien Ende hin vergrößert Das erleichtert das Einführen der Stufe 3 des Kolbens 2 in die Hochdruckkammer 7. Im Vorsprung 20 sind öffnungen 21 für den freien Austritt der Flüssigkeit aus der Kammer 7 in den Hohlraum 16 und das weitere Abfließen durch die Fenster 18 ausgeführt, wenn sich die Stufe 3 des Kolbens 2 entlang des Vorsprungs 20 nach links (F i g. 1) bewegt
An der in F i g. 1 linken Stirnseite der Stufe 4 des Kolbens 2 ist eine ringförmige Vertiefung 22 ausgeführt, in die der Vorsprung 20 beim Bewegen des Kolbens 2 nach links (F i g. 1) eingeht
Auf der Innenfläche des Aufsatzes 6 sind in der Nähe der Buchse 5 ein Abschnitt mit einer Verengung 23 und daran anschließend einer mit einer Verbreiterung 24 ausgeführt, der sich zur Ausstoßöffnung 8 hin allmählich verengt An der Stufe 3 des Kolbens 2 ist starr eine Kolbenstange 25 befestigt, die am freien Endteil eine Verbreiterung 26 aufweist, die beim Bewegen des Kolbens 2 nach links die Abschnitte des Aufsatzes 6 mit der Verengung 23 und der Verbreiterung 24 (Fig. 1) passiert
Die Kolbenstange 25 weist bei dieser Ausführungsvariante einen konstanten Querschnitt über den größten Teil ihrer Länge auf. Der Durchmesser der Verbreiterung 26 am freien Endteil der Kolbenstange 25 ist etwa gleich groß ausgeführt, wie der Durchmesser der Verengung 23. Dadurch wird beim Bewegen des Kolbens 2 der Abschnitt der Verengung 23 des Aufsatzes 6 durch die Verbreiterung 26 der Kolbenstange 25 zum Einschließen des Teils der Flüssigkeit, die sich in der Hochdruckkammer 7 zwischen dem Abschnitt mit der Verengung 23 und der Stufe 3 des Kolbens 2 befindet, unter Erzeugung eines hohen Druckes in diesem Teil der Flüssigkeit abgedichtet
Die Verbreiterung 26 an der Kolbenstange 25 ist in einem solchen Abstand von der Stirnseite der Stufe 3 des Kolbens 2 ausgeführt, daß bei Beginn der Bewegung die öffnungen 21 des Vorsprungs 20 und die Verengung 23 des Aufsatzes 6 bei der Bewegung des Kolbens 2 gleichzeitig überdeckt werden. Bei der weiteren Bewegung des Kolbens 2 nach links entsteht zwischen der Kolbenstange 25 und den Abschnitten mit der Verengung 23 und der Verbreiterung 24 der Hochdruckkammer 7 ein Kanal 27 mit ringförmigem Querschnitt, der die Hochdruckkammer 7 mit der Ausstoßöffming 8 zum Ausstoßen der Flüssigkeit in Form eines rohrförmigen Strahls 27a verbindet Der Kanal 27 ist in der Nähe der Öffnung 8 verjüngt ausgeführt
Die Innenfläche der Verbreiterung 24 und die Außenfläche der Verbreiterung 26 der Kolbenstange 25 sind derart profiliert, daß der Kanal 27 eine Querschnittsfläche aufweist, die sich über die Länge dieses Kanals 27 nach der folgenden Gleichung verändert:
hierbei ist
χ die jeweilige Koordinate der Übergangsstelle der Kolbenstange 25 in die Verbreiterung 26 auf der Längsachse 0-0 entlang der Hochdruckkammer 7, wobei χ am Ende der Öffnungsbewegung gleich 0 definiert ist,
Sx die Größe der Querschnittsfläche des Kanals 27 die der jeweiligen Koordinate χ entspricht,
5b die Größe der Querschnittsfläche des Kanals 27, die der Koordinate x= 0 entspricht,
a eine für die Vorrichtung konstante Größe, die dem Hubweg der Kolbenstange 25 bei ihrer Verschiebung von *= 0 bis xmax gleich ist
Bei dieser Ausführungsvariante weist die Kolbenstange 25 auf dem Abschnitt zwischen der Verbreiterung 26 und der Stufe 3 des Kolbens 2 einen konstanten Durchmesser auf. Der Übergang vom Durchmesser der Kolbenstange 25 zur Verbreiterung 26 ist fließend ausgeführt Die Größe des Durchmessers der Kolbenstange 25 wird so gewählt, daß die Querschnittsfläche des ringförmigen Kanals 27 zwischen der Verengung 23 und der Kolbenstange 25 um ein Mehrfaches die Querschnittsfläche S0 des Kanals 27 übertrifft
Durch eine derartige Wahl des Durchmessers der Kolbenstange 25 verringert sich der hydraulische Widerstand des Kanals 27 mit ringförmigem Querschnitt, und es vergrößert sich die Einwirkung der Größe Sx auf die Abhängigkeit des Druckes in der Hochdruckkarnmer 7 von der Zeit
An der Stirnseite des Aufsatzes 6 ist in der Nähe der Ausstoßöffnung 8 eine Platte 28 mit einer Nut 29, die senkrecht zur Achse 0-0 des Zylinders 1 ausgeführt ist, und mit einer öffnung 30, die in Richtung der Achse 0-0 der Vorrichtung ausgeführt ist, starr befestigt In der Nut 29 ist ein Schieber 31 hin- und herbewegbar angeordnet Der Schieber 31 dient zum Überdecken der Ausstoßöffnung 8 beim Hub des Kolbens 2 in Richtung zur Niederdruckkammer 9 und zur Freigabe der Ausstoßöffnung 8 vor Beginn des Anlaufs des Kolbens 2 in Richtung zur Hochdruckkammer 7. Es ist eine Vorrichtung (nicht dargestellt) zur Verschiebung des Schiebers 31 in der Nut 29 synchron zur Verschiebung der Buchse 19 auf der Außenfläche des Zylinders 1 vorgesehen, welche eine beliebige, für diesen Zweck geeignete Konstruktion aufweist
Am Boden 32 des Zylinders 1 ist starr ein Geber 33 mit einem Steuerstift 34 befestigt Der Geber 33, der eine beliebige, für diesen Zweck geeignete Konstruktion aufweist, dient zur Übermittlung von Signalen zu den Vorrichtungen (nicht dargestellt) zur Verschiebung der Buchse 19 zum öffnen der Fenster 18 und zur Verschiebung des Schiebers 31 zum Offnen der Ausstoßöffnung 8, wenn der Kolben 2 bei seiner Bewegung nach rechts (Fig. 1) auf den Steuerstift 34 einwirkt
Der Kolben 2 ist mit einer elastischen Dichtung 35 zur Abdichtung des Druckgases sowie mit einer metallischen Dichtung 36 versehen, die zur Verringerung des Strömens von Druckgas zwischen der Niederdruckkammer 9 und dem Druckausgleicher 11 dient, wenn sich der Kolben 2 in der äußersten rechten Lage (Fig. 1) befindet
Auf der Seitenfläche der Stufe 3 mit geringerem Durchmesser des Kolbens 2 sind Ringnuten 37 ausgeführt, die eine Labyrinthdichtung bilden, die zur Verringerung der Verloste an Hochdruckflüssigkeit aus der Kammer 7 in Richtung zum Hohlraum 22 dient
Seitens des Zylinders 1 ist in die Stirnseite der Buchse 5 ein Dichtungsring 38 eingepreßt, gegen den beim Schließen der Fenster 18 durch die Buchse 19 deren Ringvorsprung 39 gedrückt wird.
Die Buchse 19 ist gegenüber der Außenfläche des Zylinders 1 mit einer elastischen Dichtung 40 abgedichtet.
In Fig.2 ist eine Variante der Vorrichtung zum strahlförmigen Ausstoßen von Flüssigkeit unter hohem Druck dargestellt, bei der an der Innenfläche des Aufsatzes 6 im an die Buchse 5 angrenzenden Bereich ein Abschnitt einer Verengung 41 und einer mit einer daran anschließenden Verbreiterung 42 ausgeführt sind.
An der Stufe 3 des Kolbens 2 ist eine Kolbenstange 43 starr befestigt, die bei dieser Ausführungsvariante über ihre Länge unterschiedliche Querschnittsgrößen aufweist. Das freie Endteil der Kolbenstange 43 passiert beim Hub des Kolbens 2 die Abschnitte des Aufsatzes 6 mit der Verengung 41 und der Verbreiterung 42. Am freien Endteil der Kolbenstange 43 ist eine Verbreiterung 44 ausgeführt Der Durchmesser der Verbreiterung 44 wird etwa gleich dem Durchmesser der Verengung 41 ausgeführt Hierdurch wird der Abschnitt der Verengung 41 des Aufsatzes 6 durch die Verbreiterung 44 der Kolbenstange 43 beim Bewegen des Kolbens abgedichtet, wodurch ein Teil der Flüssigkeit die sich in der Hochdruckkammer 7 zwischen dem Abschnitt mit der Verengung 41 und der Stufe 3 des Kolbens 2 während der Erzeugung eines hohen Druckes in diesem Teil der Flüssigkeit befindet, eingeschlossen wird. Die Verbreiterung 44 an der Kolbenstange 43 ist mit einem solchen Abstand von der Stirnseite der Stufe 3 des Kolbens 2 ausgeführt, daß die öffnung 21 des Vorsprungs 20 und die Verengung 41 des Aufsatzes 6 bei Beginn der Bewegung des Kolbens 2 gleichzeitig überdeckt werden.
Bei der weiteren Verschiebung des Kolbens 2 nach links (Fig.2) entsteht zwischen der Kolbenstange 43 und dem Abschnitt mit der Verengung 41 und der Verbreiterung 42 der Hochdruckkammer 7 ein Kanal 45 mit einem ringförmigen Querschnitt, der die Hochdruckkammer 7 mit der Ausstoßöffnung 8 zum Ausstoßen der Flüssigkeit in Form eines hohlen rohrförmigen Strahls 45a verbindet Das Außenprofil der Kolbenstange 43 und die Verengung 41 sind derart profiliert daß der Kanal 45 eine Querschnittsfläche aufweist, die sich über die Länge dieses Kanals 45 nach der folgenden Gleichung verändert:
hierbei ist
χ die jeweilige Koordinate der Obergangsstelle der Kolbenstange 43 in die Verbreiterung 44 auf der Längsachse 0-0 entlang der Hochdruckkammer 7, wobei χ am Ende der Ofmungsbewegung gleich 0 definiert ist,
Sx die Größe der Querschnittsfläche des Kanals 45, die der jeweiligen Koordinate χ entspricht
Sb die Größe der Querschnittsfläche des Kanals 45, die der Koordinate x= 0 entspricht,
a eine für die Vorrichtung konstante Größe, die dem Hubweg der Kolbenstange 43 bei ihrer Verschiebung von x= 0 bis Xm*x gleich ist
Der Durchmesser der Verbreiterung 42 im Abschnitt zwischen der Verengung 41 und der Ausstoßöffnung 8 wird auf der Strecke der relativen Verschiebung der Verbreiterung 44 der Kolbenstange 43 unverändert gleich groß ausgeführt und in der Nähe der Ausstoßöffnung 8 wie in der vorher beschriebenen Ausführungsvariante konvergent ausgeführt. Der Übergang von der Verengung 41 zur Verbreiterung 42 wird fließend ausgeführt. Die Größe des Durchmessers der Verbreiterung 42 wird so gewählt, daß die Querschnittsfläche des ringförmigen Kanals 45 zwischen der Verbreiterung 44 ίο der Kolbenstange 43 und der Verbreiterung 42 der Hochdruckkainmer 7 um ein Mehrfaches die Fläche S0 übertrifft. Durch eine solche Wahl des Durchmessers der Verbreiterung 42 wird der Einfluß der Größe Sx auf die Abhängigkeit des Drucks in der Kammer 7 von der
Zeit verstärkt.
Möglich ist ferner eine Variante der Konstruktion der Vorrichtung mit einem beliebigen anderen Anlaufantrieb des Kolbens, z. B. durch Explosion eines brennbaren Gasgemisches in der Kammer 9 oder mittels Beschleunigung des Kolbens durch Magnetkräfte und anderes mehr.
Die Vorrichtung zum strahlförmigen Ausstoßen von Flüssigkeit unter hohem Druck, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist, hat folgende Funktionsweise.
In der Ausgangsstellung wird der Kolben 2 durch das Gas gegen die Stirnseite 5a der Buchse 5 angedrückt; die Fenster 18 und die öffnung 8 stehen offen. Dabei versperrt die Stirnseite 2a des Kolbens 2 den Austritt aus dem Kanal 17 in den Hohlraum 16. Durch das
Vorhandensein von Sickerrillen (nicht dargestellt)
erfolgt kein vollständig hermetischer Verschluß. Beim
Einschalten der Flüssigkeitsquelle (nicht dargestellt)
wird in den Kanal 17 Flüssigkeit gepumpt
Die Steigerung des Drucks im Kanal 17 wird vom
Steuersystem (nicht dargestellt) zum Ingangsetzen der Vorrichtungen {nicht dargestellt) genutzt die die Buchse 19 zur Dichtung 38 hin verschieben, wodurch die Fenster 18 überdeckt werden und den Schieber 31 zum Schließen der Ausstoßöffnung 8 verschieben. Nach dem Schließen der Fenster 18 und der Ausstoßöffnung 8 erhöht sich der Druck der Flüssigkeit im Hohlraum 16 bis zu einer Größe, bei der sich der Kolben 2 in Richtung zur Kammer 9 bewegt, die mit Gas gefüllt ist Das Gas speichert dabei Energie, indem es komprimiert wird.
Teilweise strömt das Gas durch die öffnungen 10 aus der Kammer 9 in den Druckausgleicher 11. Beim Bewegen des Kolbens 2 nach rechts (Fig. 1) füllt ab dem Moment, in dem die Stirnseite des Kolbens 2 die öffnung 21 passiert, die aus dem Kanal 17 durch den
so Hohlraum 16 und die öffnungen 21 zuzuführende Flüssigkeit die Kammer 7.
Beim Bewegen des Kolbens 2 nach rechts (Fig. 1) kommt der Moment, wo der Kolben 2 die öffnung 10 überdeckt und einen Teil der Kammer 9 zwischen dem Kolben 2 und dem Boden 32 abtrennt Von diesem Moment an strömt das Gas aus der Kammer 9 durch das Rückschlagventil 14 in den Druckausgleicher 11. In der äußersten rechnen Stellung (Fig. 1) wirkt der Kolben 2 auf den Steuerstift 34 des Gebers 33 ein. Durch diese Einwirkung gelangt ein Signal vom Geber 33 zu den Vorrichtungen (nicht dargestellt), die die Buchse 19 zum öffnen der Fenster 18 und den Schieber 31 zum öffnen der Ausstoßöffnung 8 verschieben. Vom Beginn des öffnens der Fenster 18 bis zu ihrem vollständigen
öffnen sinkt der Druck der Flüssigkeit im Hohlraum 16 infolge ihrer Ausdehnung ab. Von diesem Zeitpunkt an ist der Kolben 2 lediglich der Einwirkung des Druckgases ausgesetzt, das sich zwischen dem Boden 32
des Zylinders 1 und der gegenüberliegenden Stirnseite des Kolbens 2 befindet. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens unter der Einwirkung des Gases ist jedoch begrenzt, weil die Gaszufuhr in den Hohlraum zwischen dem Boden 32 und der gegenüberliegenden Stirnseite des Kolbens 2 durch den Dichtungsring 36 und die Düse 15 eingeschränkt ist und die Fenster 10 durch den Kolben 2 verschlossen sind.
Die Zeit der Verschiebung des Kolbens 2 mit geringer Geschwindigkeit vom Boden 32 weg bis zu dem Moment, in dem der Kolben die Öffnungen 10 freizugeben beginnt, ist die Verzögerungszeit des Kolbens vor dem Anlauf. Diese Zeit wird durch den Durchlaßquerschnitt der Düse 15 geregelt und so ausreichend bemessen, daß die vollständige Freigabe der Fenster 18 durch die Buchse 19 und die vollständige Freigabe der Ausstoßöffnung 8 durch den Schieber 31 erfolgen kann.
Mit Beginn des öffnens der Öffnungen 10 steigt die Gaszufuhr aus dem Druckausgleicher 11 in die Kammer 9 intensiv an, und es beginnt eine intensive Beschleunigung des Kolbens in Richtung zur Hochdruckkammer 7. Dabei wird die Flüssigkeit aus dem Hohlraum 16 durch die Fenster 18 in die Atmosphäre ausgestoßen. Bei seiner Bewegung verschließt der Kolben 2 mit seiner Stufe 3 die Öffnungen 21 im Vorsprung 20 und mit der Verbreiterung 26 der Kolbenstange 25 die Verengung 23 des Aufsatzes 6, wobei er einen Teil der in der Kammer 7 befindlichen Flüssigkeit einschließt
Bei der weiteren Bewegung des Kolbens 2 nach links entsteht zwischen der Kolbenstange 25 und den Abschnitten mit der Verengung 23 und der nachfolgenden Verbreiterung 24 der Hochdruckkammer 7 ein Kanal 27 mit ringförmigem Querschnitt, der die Hochdruckkammer 7 mit der Ausstoßöffnung 8 zum Ausstoßen der Flüssigkeit verbindet
Der ringförmige Querschnitt des Kanals 27 zwischen der Verbreiterung 26 der Kolbenstange 25 und der Verbreiterung 24 der Hochdruckkammer 7 ist über die gesamte Länge des Kanals 27 minimal und bildet einen rohrförmigen hohlen Strahl 27a, der in Richtung zur Ausstoßöffnung 8 gelenkt wird.
Dabei wird die Gesetzmäßigkeit der Druckänderung in der Hochdruckkammer 7 durch das Profil der Innenfläche der Verbreiterung 24 bestimmt Die Ausbildung des Profils der Innenfläche der Verbreiterung 24 gemäß der oben angeführten mathematischen Abhängigkeit gewährleistet das Ausströmen der Flüssigkeit bei fast konstantem Druck in der Hochdruckkammer 7 und demzufolge auch mit fast konstanter Geschwindigkeit
Beim ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in F i g. 1 abgebildet ist, ist die Differenz zwischen der Fläche der Öffnung des Aufsatzes 6 an der Stelle der Verengung 23 und der Fläche des Querschnittes der Kolbenstange 25, die durch diese Verengung hindurchgeht, zu jedem Zeitpunkt der Verschiebung der Kolbenstange 25 bedeutend größer als die Differenz zwischen der Querschnittsfläche der Öffnung des Aufsatzes 6 und der maximalen Querschnittsfläche der Verbreiterung 26 der Kolbenstange 25 bei jedem beliebigen Querschnitt in der Länge des Kanals 27. Deshalb bleibt der Druck der Flüssigkeit im Kanal 27 stets nahe dem maximalen Druck, wodurch die Flüssigkeit auch unter einem Druck ausströmt, der dem maximalen Druck nahe ist links (Fig. 1) von der Verbreiterung 26 der Kolbenstange 25 strömt die Flüssigkeit in Form «ines hohlen Strahls 27a aus, und rechts davon ist der Kanal 27 vollständig mit Flüssigkeit ausgefüllt.
In der zweiten, in F i g. 2 dargestellten Ausführungsvariante ist die Differenz zwischen der Querschnittsflä- ehe der Öffnung 8 des Aufsatzes 6 an der Stelle der Verengung 41 und der Querschnittsfläche der Kolbenstange 43 zu jedem Zeitpunkt geringer als die Differenz zwischen der Querschnittsfläche der Öffnung des Aufsatzes 6 und der maximalen Querschnittsfläche der
ίο Verbreiterung 44 bei jedem beliebigen Querschnitt in der Länge des Kanals 45. Deshalb ist der Druck der Flüssigkeit im Kanal 45 geringer als der Druck in der Kammer 7, und das Ausströmen der Flüssigkeit in Form eines hohlen Strahls 45a beginnt am Querschnitt der maximalen Verengung 41 des Aufsatzes 6. Infolgedessen wird der Kanal 45 nicht vollständig mit Flüssigkeit ausgefüllt.
Links (F i g. 2) von der Verengung 41 bewegt sich der hohle Strahl 45a im Kanal 45 über die Oberfläche der Kolbenstange 43, und an der Stelle der Verbreiterung 44 der Kolbenstange 43 geht er auf die Innenwandung des Aufsatzes 6 über und bewegt sich an ihr entlang bis zum Austritt aus der Vorrichtung.
Wie aus der Beschreibung der Vorrichtungen hervorgeht, erfolgt die Erhöhung des Druckes in der Kammer 7 ohne ein Ausströmen von Flüssigkeit. Das anschließende Ausstoßen erfolgt fast bei konstantem Druck. Dadurch gelingt es, den Nutzfaktor der Anlaufenergie des Kolbens wesentlich zu erhöhen, weil man keine Energie für den Ausstoß von Flüssigkeitsstrahlen mit geringeren Geschwindigkeiten verbraucht, die Energie der ausgestoßenen Flüssigkeit wesentlich zu erhöhen, weil auf dem gesamten Weg der Verschiebung des Kolbens 2 in der Hochdruckkammer 7 die Flüssigkeit mit maximaler, nahezu konstanter Geschwindigkeit ausgestoßen wird.
In Fig.3 ist ein Diagramm der Abhängigkeit des Druckes der Flüssigkeit in der Hochdruckkammer 7 (Ordinatenachse) vom Weg des Kolbens 2 (Abszissenachse) bei seiner Verschiebung abgebildet Die Kurve A entspricht der Veränderung des Druckes in der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Kurve B entspricht der Veränderung des Druckes in einer bekannten Vorrichtung. Wie zu ersehen ist, entspricht die Kurve A der maximal möglichen Größe der Energie, die proportional dem Wert des Integrals Sp ■ d*bei der vorgegebenen maximalen Druckgröße ρ ist
Es ist möglich, jede beliebige andere Gesetzmäßigkeit der Änderung der Funktion ρ = / (χ) durch die
so Veränderung der Profilgebung der inneren Oberfläche der Verbreiterung 24 der Hochdruckkammer 7 vorzusehen.
Bei der weiteren Bewegung des Kolbens 2 unter Annäherung der Größe χ an den Wert »a« tendiert Sx gegen Null, und demzufolge tendiert auch die Geschwindigkeit des Kolbens 2 gegen NuIL
Da jedoch Sx wegen des bei der Fertigung der Vorrichtung vorgesehenen Luftspaltes (nicht dargestellt) praktisch nie gleich Null sein kann, nimmt der
eo Kolben 2 schließlich eine gleichmäßige niedrige Geschwindigkeit an und drückt die Flüssigkeit aus der Hochdruckkammer 7 durch den Ringspalt zwischen der Verbreiterung 26 der Kolbenstange 25 und der Verbreiterung 24 der Kammer 7 hinaus.
es Am Hubende liegt die Stirnseite 2a des Kolbens 2 an der Stirnseite 5* der Buchse 5 an und verschließt den Austritt in den Hohlraum IC aus dem Kanal 17, und der ganze Prozeß wiederholt sich automat»*.
Die Funktionsweise der Vorrichtung gemäß F i g. 2 ist analog mit dem Unterschied, daß die Gesetzmäßigkeit der Veränderung des Druckes in der Hochdruckkammer 7 in dieser Variante durch eine entsprechende Gestaltung des Profils der Kolbenstange 43 gemäß der gleichen mathematischen Abhängigkeit vorgegeben wird.
In den beiden Ausführungsbeispielen der Erfindung gemäß F i g. 1 und 2 sind die in der Nähe der Ausstoßöffnung 8 liegende Verbreiterung 24 (Fig. 1)
und die Verbreiterung 42 (F i g. 2) konvergent ausgeführt, was den Teilchen der hohlen Flüssigkeitsstrahlen 27a und 45a eine Geschwindigkeitskomponente verleiht, die zur Achse der Strahlen gerichtet ist, und deren Zerstäubung entgegenwirkt.
Eine Ausführung der vorgeschlagenen Vorrichtung
zum strahlförmigen Ausstoßen von Flüssigkeit unter hohem Druck wurde vielfach geprüft, und die Ergebnisse dieser Prüfungen bestätigten die hohe
ι ο Effektivität der Vorrichtung.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum strahlförmigen Ausstoßen von Flüssigkeit unter hohem Druck, die mindestens einen Zylinder mit einem durch einen Antrieb darin verschiebbar angeordneten stufenförmigen Kolben enthält, wobei beide Stufen während des Antriebs am Zylinder bzw. an den Zylindern dichtend anliegen und wobei die Stufe mit geringerem Durchmesser derart angeordnet ist, daß sie beim Verschieben des Kolbens zur Erzeugung des hohen Stoßdruckes in eine mit einer Flüssigkeitsquelle verbundene und mit einer Ausstoßöffnung für die Flüssigkeit versehene Hochdruckkammer vorgeschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (3) mit geringerem Durchmesser des Kolbens (2) mit einer ein freies Endteil aufweisenden Kolbenstange (25, 43), die im Bereich des freien Endteils eine Verbreiterung (26, 44) aufweist, starr verbunden ist, daß die Hochdruckkammer (7) einen Abschnitt mit einer Verengung (23, 41) und einen sich in Richtung der Ausstoßöffnung (8) daran anschließenden Abschnitt mit einer Verbreiterung (24,42) aufwejst und daß die Verbreiterung (26,44) des Endteils, die Verengung (23,41) der Kammer (7) sowie die übrigen die Kammer bildenden Oberflächen derart angeordnet und dimensioniert sind, daß, wenn die Kolbenstange (25,43) mit ihrer Verbreiterung (26, 44) sich in dem Abschnitt der Verengung (23, 41) der Hochdruckkammer befindet, ein abgedichteter Raum in der Hochdruckkammer (7) zwischen dem Abschnitt mil der Verengung (23,41) und der Stufe (3) geringeren Durchmessers des Kolbens (2) besteht, und daß bei der Weiterbewegung des Kolbens (2) in Richtung der öffnung (8) zwischen der Kolbenstange (25, 43) und der Wandung der Hochdruckkammer (7) ein mit der öffnung (8) verbundener Kanal (27, 45) mit ringförmigem Querschnitt besteht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (27, 45) mit ringförmigem Querschnitt eine Querschnittsfläche aufweist, die sich über die Länge des Kanals (27,45) in folgender Abhängigkeit verändert:
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