DE2715896C2 - Flüssigkeitspulskanone - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fluessigkeitspulskanone, bei der ein in einem Zylinder gefuehrter und diesen in eine Arbeits- und eine Rueckfuehrkammer unterteilender Schlagkolben unter der Wirkung eines in der Arbeitskammer expandierenden Treibgases angetrieben ist und nach Passieren einer Freiflugstrecke auf eine abgegrenzte Fluessigkeitsmenge zur Erzeugung eines Hochgeschwindigkeitsfluessigkeitsstrahls auftrifft und die Rueckfuehrkammer zum Rueckhub des Kolbens nach dem Auspuffen des Treibgases mit Druckmittel beaufschlagt ist. Zum Kolbenrueckhub ist ein jeweils im letzten Teil des Kolbenexpansionshubs mit Treibgas aus der Arbeitskammer beladener, am Expansionshubende zur Rueckfuehrkammer geoeffneter Druckgasspeicher vorgesehen. Das Treibgas wird am Ende des Expansionshubs ueber den Druckspeicher zumindest teilweise in die Rueckfuehrkammer abgezweigt und dort unter Rueckfuehrung des Kolbens in die Ausgangslage weiter arbeitsleistend entspannt. Durch die gestufte Entspannung beim Kolbenexpansions- und Rueckhub wird die Treibgasenergie fuer den Arbeitsprozess hochgradig ausgenutzt, so dass sich der effektive Wirkungsgrad des Gesamtsystems wesentlich verbessert, und zugleich entfaellt der bauliche Mehraufwand fuer den zusaetzlichen, ueblicherweise zum Kolbenrueckhub benoetigte Druckmittelerzeuger. Die Wasserpulskanone dient zum Gesteinsabbau bei der Kohlefoerderung. ...U.S.W

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitspulskanone nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei bekannten Flüsslgkeftspulskanonen dieser Art (US-PS 37 48 953), bei denen der Schlagkolben durch die heißen Reaktionsgase eines in einer Brennkammer gezündeten Flüssigtreibstoffs, der aus einer oder mehreren getrennten Telbstoffkomponenten besteht, angetrieben wird, wird der Kolbenrückhub nach dem Ausstoßen des Flüssigkeitsstrahls und dem Auspuffen der Reaktionsgase durch eine Druckwasser- oder Druckluftzufuhr zur Kolbenrückseite bewirkt. Problematisch an diesen bekannten Flüssigkeitspulskanonen Ist ihr vergleichweise geringer Gesamtwirkungsgrad und der relativ große Steueraufwand einschließlich des Bauaufwandes für die Zündung und vor allem die zusätzliche Druckmittelquelle, die zum Kolbenrückhub benötigt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Flüsslgkeltspulskanone nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dahingehend auszubilden, daß dsr KoJbenrückhub in er.ergiesparender Welse ausführbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Im Anspruch 1 gekennzeichnete Flüssigkeitspulskanone gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Flüssigkeitspulskanone wird aufgrund der besonderen Anordnung und Ausbildung des Mitteldruck-Gasspeichers das Treibgas nach seiner den Kolbenantrieb bwirkenden Entspannung nicht unmittelbar ins Freie ausgepufft, sondern die gegen Ende des Expansionshubs noch vorhandene Treibgas-Restenergie auf dem Wege über den Mitteldruckspeicher für den Kolbenrückhub ausgenutzt, so daß sich der effektive Wirkungsgrad des Gesamtsystems wesentlich verbessert und zugleich der bauliche Mehraufwand für die sonst zur Kolbenrückführung benötigte, zusätzliche Druckmittelqueiie entfällt.

Im Hinblick auf eine weiter verbesserte EnergiPausnutzung und bauliche Vereinfachung wird auch die Treibstoffzündung gemäß Anspruch 2 in Form einer adiabatischen Kompressionszündung durch die Treibgas-Restenergie vom Mitteldn-ckspeicher her bewirkt und somit eine aufwendige und unter den hohen Brennraumdrükken und -temperaturen sehr verschleißanfällige Fremdenergie, z. B. Funkenzündeinrichtung, eingespart.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Anspruch 3 zur Treibgassteuerung ein den Zylinder umschließender, entsprechend dem Kolbenarbeitstakt umschaltbarer Zweistellungs-Steuerschieber mit mit der Arbeits- und der Rückführkammer sowie dem Mitteldruck-Gasspeicher wahlweise verblridbaren Steuerbohrungen vorgesehen, wodurch eine konstruktiv besonders einfache Treibgassteuerung, die ohne unter Hochdkruck-Iast umgeschaltete Steuerventile auskommt, erzielt wird. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. I einen schematischen Längsschnitt einer Flüssigkeitspulskanone in der Expansionshub-Endiage des Schlagkolbens;

Fig. 2 eine der Fig. 1 enstprechende Darstellung in der Rückhub-Endtage des Schlagkolbens.

Gernäß den Fig 1 und 2 enthält die F!Ossi"keits"i!!skanone 2 als Hauptbestandteile einen Hochdruckzylinder 4, dessen Innenbohrung 6 durch einen als Freiflugkolben ausgebildeten Schlagkolben 8, der aus einem größeren und einem kleineren Kolbenabschnitt 10 bzw. 12 besteht, in eine Arbeltskammer 14 und eine Rückführkammer 16 unterteilt ist, sowie einen Hilfskolben 18, der die Flüssigkeit stoßartig aus einer Flüssigkeitskammer 20 über einen Düsenkörper 22 austreibt, und ein den Zylinder 4 am düsenseitlgen Ende umschließendes Schiebergehäuse 24 mit einem zylindrischen, axial bewegbaren Zweistellungs-Steuerschieber 26. An dem vom Zylinder 4 begrenzten Ende der Arbeltskammer 14 liegt ein Brennraum 28, in den flüssiger Treibstoff aus einem Treibstofftank 30 über eine entsprechend dem Arbeltstakt des Schlagkolbens 8 Intermittierend betätigte Dosierpumpe 32 und ein Hochdruckrückschlagventil 34 durch eine oder mehrere Einspritzbohrungen 36, die zur Erzeugung eines rotierenden, eine Innenkühlung bewirkenden Flüssigkeitsrings tangential angeordnet sein können, elngespritzt wird, während sich der Kolben 8 auf dem Kolbenrückhub in Richtung des Brennraums 28 befindet.

Im vorderen düsenseitigen Endabschnitt ist der Hochdruckzylinder 4 von axial auf Abstand gehaltenen Querbohrungen 38, 40, 42 und 44 durchsetzt, die jeweils zu entsprechenden Bohrungen 46, 48, 50 und 52 des Schiebergehäuses 24 fluchtend ausgerichtet sind, wobei die Verbindung zwischen den Querbohrungen des Zylinders 4 und den entsprechenden Bohrungen des Schiebergehäuses 24 jeweils In Abhängigkeit von der Schaltstellüng des Steuerschiebers 26 unterbrochen oder über Steuerbohrungen 54 bzw. 56 bzw. 58 bzw. 60 freigegeben wird, weiche den Steuerschieber 26 durchsetzen und durch Dlchtrlnge abgedichtet sind. Zum Umschalten des Steuer-

Schiebers 26 dient ein Stellmotor 62, etwa in Form eines doppelt wirkenden Hydraulikzylinders.

Mit der Bohrung 46 des Schiebsrgehäuses 24 steht ein Mitteldruck-Gasspeicher 64 über eine Zufuhrleitung 66 mit einem sich zum Gasspeicher 64 öffnenden Rückschlagventil 68 in Verbindung. Ausgangsseitlg ist der Gasspeicher 64 über eine Zweigleitung 70 an die Bohrung 52 des Schiebergehäuses 24 angeschlossen. Von den Bohrungen 48 und 50 des Schiebergehäuses 24 führt eine Auspuffleitung 7? ins Freie.

In einem auf den Düsenkörper 22 aufgeschraubten Deckel 74 ist ein Querschieber 76 mit einer exzentrischen Durchgangsbohrung 78 und einer Mittelbohrung 80, die über eine flexible Zuleitung 82 und eine Pumpe 84 an einen Wassertank 86 angeschlossen Ist, quer -Rollbar angeordnet. Zum Umschalten des Querschieber^ "'6 dient ein weiterer, doppelt wirkender Hydraulikrnotc "8.

Fig. 1 stellt den Zustand dar. In dem sich der Schlagkolben 8 nach dem Ausschießen e_: in der Flüssigkeitskammer iO abgegrenzten 'Va^rmenge durch den Hilfskolben 18 in der Expansiv-«^ub-Endlage befindet und In die Ausgangslage zurückgeführt werden soll. Zu diesem Zweck ist der Steuerschieber 26 durch den Steilmotor 62 in diejenige Schaltstellung gebracht. *i der seine Steuerbohrung 60 die Bohrung 52 des Schiebergehäuses 24 mit der Querbohrung 44 des Zylinders 4 verbindet, so daß der Druckgasspeicher 64 zur Rückführkammer 16 geöffnet ist. Im Druckgasspeicher 64, der vor Inbetriebnahme der Pulskanone 2 zunächst z. B. mit Druckstickstoff gefüllt ist, wird während des Betriebs das Auspuffgas des durchreagierten Flüssigtreibstoffs auf die unten beschriebene Weise auf einem mittleren Druckniveau, das je nach Auslegung etwa auf 100 bis 600 bar liegt, aufgefangen. Dieses Mitteldruckgas strömt also auf die die Rückführkammer 16 begrenzende Kolbenseite und beschleunigt den Schlagkolben 8 in Richtung des Brennraums 28, wodurch das in der Arbeltskammer 14 eingeschlossene Gas (anfänglich Luft, später Restgas der Treibstoffreaktion) adiabatisch komprimiert wird. In der ersten Phase des Kobenrückhubs wird durch die Dosierpumpe 32 Flü^iigtreibstoff über die Einspritzbohrungen 36 in den Brennraum 28 eingespritzt Kurz nachdem der Schlagkolben 8 die Bohrung 38 des Zylinders 4 überlaufen hat, wird der Steuerschieber 26 durch den Stellmotor 62 in die andere Schaltlage gebracht. In der die Bohrung 52 von der Bohrung 44 durch den Steuerschieber 26 get^nni wird, so daß kein Druckgas mehr aus dem Speicher 64 in die Rückführkatnmer 16 strömt und die 3ohrungen 46, 48 und 50 des Sthiebergehävses 24 über die Steuerbohrungen 54 bzw. 56 bzw. 58 mit der entsprechenden Querbohrung 38 bzw. 40 bzw. 42 des Hochdruckzylinders 4 verbunden werden. Zu dieses,! Zeitpunkt äst auch die Flüssigkeitskammer 20 mit Druckwasser, das von der Pumpe 84 über Jie flexible Zuleitung 82, die Mittelbuhrung 80 des Querschiebers 76 und den Düsenkörper 22 einströmt und dessen Druck höher als der Treibgasdruck

kolben 18 in die Ausgangslage und gegen einen Anschlag gefahren.

Fig. 2 zeigt den Schlagkolben 8 In der Ausgangslage, in der seine kinetische Energie, die er beim Kolbenrückhub durch die Druckgasbeaufschlagung der Rückführkammer 16 erhalten hat, vollkommen in Kompressionsenergie des in der Arbeltskammer 14 eingeschlossenen Gases umgewandelt Ist. Die Temperatur dieses Gases Ist durch die adiabatische Kompression soweit angestiegen, daß sie die Zündung des Flusstgtrelbstoffs auslöst. Das Druckgas In der Rückführkammer 16 Ist über die Bohrungen 40, 56, 48 bzw. 42, 58, 50 ausgepufft, und der Querschieber 76 ist durch den Stellmotor 88 zur Seite gefahren worden, so daß seine exzentrische Durchgangsbohrung 78 vor der Mündung aes Düsenkörpers 22 liegt.

Durch die adiabatische Zündung des Flüssigtreibstoffs steigt der Druck in dem Brennraum 28 plötzlich sehr stark an (je nach eingefüllter Treibstoffmenge auf 1000 bis 6000 bar), so daß der Schlagkolben 8 geschoßartig unter hoher Beschleunigungswirkung rasch auf eine

ίο große Geschwindigkeit und somit hohe kinetische Energie in Richtung des Hilfskolbens 18 kommt. Das in der Rückführkarnmer 16 verbliebene Restgas wird über die Bohrungen 49, 56, 48 bzw. 42, 58, 50 in die Auspuffleitung 72 ausgeschoben. Das kräftige Rückschlagventil 34 verhindert ein Zurückschlagen der Treibstoffreaktion zur Dosierpumpe 32 und dem Treibstoffbehälter 30.

Sobald der Schlagkolben 8 die Bohrungen 38 des Hochdruckzylinders 4 überfährt, die so angeordnet sind, daß der Druck des Reaktionsgases in dieser Kolbenstellung einen Wert in der Größenordnung zwischen 200 uhg 800 bar erreicht hat, strömt ein Teil des Reaktionsgases über die Bohrungen 54, 46, das Rückschlagventil 68 und die Zufuhrleitung 66 in den Gasspeicher 64. lueses Überströmen dauert so lange, bis der Druck des Reaictionsgases so weit abgefallen ist, daß das Rückschlagventil 60 wieder schließt, oder bis der Kolben 8 auch die Auspuffbohrung 40 überfahren hat. so daß das Reaktionsgas über die Auspuffleitung 72 auspufft und dadurch der Druck des Reaktionsgases in der Arbeitskammer 14 im wesentlichen auf Umgebungsdruck fällt. Die in der Arbeitskammer 14 verbliebene Reaktions-Restmenge wird dann beim Kolbenrückhub erneut adiabatisch komprimiert.

Beim Überfahren der Auspuffbohrung 40 schlägt der Kolben 8 mit hoher Wucht auf den Hilfskolben 18 und

J5 erzeugt so in der Flüssigkeitskammer 20 eine Druckwelle extrem hoher Flankensteilheit, durch die die abgegrenzte Flüssigkeitsmenge nach Art eines Wasserprojektils hoher Geschwindigkeit (mit ca. 1500 bis 3000 m/sec) aus dem Düsenkörper 22 und über die Durchgangsboh^rung "⁷S des

•Ό Querschiebers 76 herausgeschossen wird. Dieses V ss^p.rprojektil dient beispielsweise zum nicht-mechanischen Gesii 'nsabbau.

Die zwischen dem Hilfskolben 18 und dem Düsenkörper 22 in der Flüssigkeitskammer 20 abgegrenzte Wassermenge wird so groß bemessen, daß die gesamte kinetische Energie des Schiagkolbens S zu ihfcrn vollständigen Ausschießen verbraucht wird. Dann ist der Schlagkolben 8 wieder in der Fig. 1 gezeigten Stellung, der Steuerschieber 26 wird durch den Stellmotor 62 erneut in die linke Schaustellung gebracht, und ein neuer Arbeitstakt kann beginnen.

Zur Steuerung der Dosierpumpe 32 und der Stellmotoren 62 und 88 entsprechend dem Arbeitstakt des Schlagkolbens 8 können nicht gezeigte, auf den Druck in der Innenbohrung 6 ansprechende Druckfühler oder mechanische oder elektrische Tastelemente, die in einer vorgegebenen liuluciraicüuiig iiiispicLncn, vorgesehen sein.

Um den zur Zündung des Flüssigtreibstoffs ei forderlichen Kompressionsdruck niedriger zu halten, kann die Zündung durch ein». Glühkerze 90 unterstützt werden, die in einer Ausnehmung 92 am brennraumseitigen Ende des Hochdruckzylinders 4 untergebracht ist.

Als Flüsslgtrefbstoff werden vorzugsweise exotherm zerfallsfähige monergole oder nlchlhypergoie.. Diergole

Treibstoffsysteme verwendet, zum Beispiel Isopropylnltrat, n-Propytnltrat, Hydrazin, ein Hydrazln-Hydrazlnnltrat-Wasser-Gemisch, ein Dloxan-Salpetersliure-Gemlsch oder ein Perchlorsäure-Dloxan-Gemlsch. Da das

beim Kolbenrückhub adiabatisch komprimierte und die Zündung des Flüssigtreibstoffs thermisch auslösende Gas nicht den zur Treibstoffreaktion erforderlichen Sauerstoffgehalt haben muß, wird eine sehr hohe Ladungsdichte erreicht.

Hierzu ί Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. FlQsslgkeitspuIskanone, bei der ein in einem Zylinder geführter und diesen In eine Arbelts- und eine Rückführkammer unterteilender Schlagkolben unter der Wirkung eines in der Arbeitskammer expandierenden Treibgases angetrieben ist und nach Passleren einer Freiflugstrecke auf eine abgegrenzte Flüssigkeitsmenge zur Erzeugung eines Hochgeschwindlgkelts-Flüssigkeltsstrahls auftrifft und die Rückführkammer zum Rückhub des Kolbens nach dem Auspuffen des Trefijgases mit Druckmittel beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Kolbenrückhub ein jeweils im letzten Teil des Kolbenexpansionshubs mit entsprechend expandiertem Treibgas aus der Arbeitskammer (14) beladener, am Expanslonshubende zur Rückführkammer (16) geöffneter Mitteldruck-Gasspeicher (64) vorgesehen Ist.

2. Flüssigkeitspulskanone nach Anspruch 1, mit einem von der Arbeitskammer begrenzten, entsprechend dem Arbeitstakt des Schlagkolbens mit Flüssigtreibstoff bespickten Brennraum zur Erzeugung es den Koiben anstrelbenden Reaktionsgases, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitteldruck-Gasspeicher (64) zur Zündung des Flüssigtreibstoffs Im Brennraum (28) durch adiabatische Kompression einer am Expanslonshubende aus der Arbeltskammer (14) nicht ausgepufften Reaktionsgas-Restmerge vorgesehen ist.

3. Flüssigkeitspulskanone nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Treibgassteuerung ein den Zylinder (4) umschließender, entsprechend dem Kolbe: arbeltstakt umgeschalteter Zweistellungs-Steuerschieber (26) mit mit der Arbeits- und der Rückführkainmer Ü4, \6) so-'s dem Mitteidnick-Gasspeicher (64) und einer Auspuffleitung (72) wahlweise verbindbaren Steuerbohrun/.sn (54, 56, 58, 60) vorgesehen 1st.