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Flüs sigkeitspulskanone
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitspulskanone nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es sind Flüssigkeitspulskanonen bekannt, die nach Art konventioneller
Otto- oder Dicsemotoren mit einer Niederdruckverbrennung (von weniger als 100 bar)
zum Antrieb des Differenzkolbens arbeiten.
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Im Flüssigkeitsraum aber müssen für eine gute Schußwirkung des Flüssigkeitsstrahls
etwa im Gesteinsabbau Drücke bis über 10 kbar erreicht werden, so daß diese Geräte
eine sehr große Druckverstärkung am Differenzkolben erfordern und ein übermäßig
hohes Baugewicht und -volumen haben.
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Bei bekannten Flüssigkeitspulskanonen der beanspruchten Art hingegen
erfolgt der Antrieb des Differenzkolbens durch eine Hochdruckverbrennung (von über
4000 bar) und adiabatische Zündung eines hochenergetischen, insbesondere monergolen
Treibstoffs, was zwar eine äußerst kompakte Bauweise ermöglicht, aber unzulässige
Kolbenschwingungen, eine übermäßige Gasleckage und vor allem eine zu geringe mechanische
Standfestigkeit des Antriebs systems, nämlich insbesondcre eine Zerstörung der hochbelasteten,
Brennraumseitigen Absperrprgane nach wenigen Arbeitstakten, zur Folge hat Demgegenübor
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkeitspulskanone der be;rspruchfen
Art so auszubilden, daß unter Beibehaltung
eines hochenergetischen
Treibstoffsystems und mit einer kompakten, gewichtsmäßig leichten Bauweise eine
hohe mechanische Standfestigkeit und eine wesentlich verbesserte Strahlschußwirkung
erzielt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete
Flüssigkeitspulskanone gelöst.
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Das Grundkonzept der erfindungsgemäßen Flüssigkeitspulskanone besteht
darin, unter Verwendung eines Treibstoffs hoher Energiedichte den Verbrennungsdruck
bei entsprechender Dosierung der Treibstoffmenge und Dimensionierung des Brenn-
und Expansionsraums auf ein mittleres Druckniveau zwischen etwa 300 und 1500 bar
zu reduzieren. Dabei sind die erforderliche Druckverstärkung und somit das Flächenverhältnis
des Differenzkolbens immer noch so gering, daß sich die Kolbengröße und das Baugewicht
und -volumen des Gesamtgeräts sehr klein halten lassen, gleichzeitig aber entfallen
die aus der Hochdruckverbrennung resultierenden Verschleiß-, Schwingungs- und Dicht~probleme,
so daß eine hochgradige Energieumsetzung und Strahlschußwirkung und eine große mechanische
Dauerstandfestigkeit garantiert werden. Das erfindungsgemäße Gerät ist insbesondere
zum Ausbruch harter Gesteins sorten und für Anwendungsfälle geeignet, wo neben einer
extrem hohen Strahlschußleistung eine besonders gedrängte Bauweise und große Betriebszuverlässigkeit
gefordert werden, wobei die Druckeinstellung und damit die Energiedichte durch Dosierung
des flüssigen Treibstoffs erfolgt.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist eine elektrische
Funkenzundung der Treibstoffendenge oder eines zusätzlichen brennabren Casgemisches
vorgesehen. Die bierzu benötigte, elektrische Zündkerze hält den Druckwerten und
Druckgradienten einer Mitteldruckbervrennung stand, während bei Wasserbalskanoner
mit der üblichen Hochdruckverbrennung eines monergein Treibstofle eine wieteraufwendigere,
adiabatische
Kompressionnzündung anstelle der wesentlich einfacheren,
einer pulsierenden Hochdruckbelastung aber nicht gewachsenen, elektrischen Zündkerze
verwendet werden mußte. Wahlweise kann die Zündung auch auf pyrotechnischem Wege
erfolgen.
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Zweckmäßigerweise wird durch die Zugabe einer Zündhilfe in Form eines
sauerstoffhaltigen Stützgases gemäß Anspruch 3 die Zündung und Verbrennung des vorzugsweise
monergolen Flüssigtreibstoffs erleichtert und unterstützt.
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Um die hohe kinetische Energie des Differenzkolbens am Arbeitshubende
dynamisch abzubremsen, ist zweckmäßigerweise wahlweise oder zusätzlich zu einer
pneumatischen eine hydrodynamische Abbremsung vorgesehen, die in einfacher Weise
aus der am Arbeitshubende mit der gehäusefesten Austrittsöffnung des Flüssigkeitsraums
zusammenwirkenden Drosselzapfenanordnung gemäß Anspruch 4 besteht, wobei die gehäusefeste
Austrittsöffnung gemäß Anspruch 5 vorzugsweise die Düsenöffnung für den Flüssigkeitsstrahl
ist.
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Zur weiteren Erhöhung der Standfestigkeit, und um vor allem bei höheren
Pulsfrequenzen eine örtliche Überhitzung des Gehäuses zu vermeiden, ist das Gehäuse
gemäß den Ansprüchen 6 und 7 im Bereich des Brenn- und Expansionsraums zweckmäßigerweise
flüssigkeitsgekühlt, und zwar ist die Kühlflüssigkeit am einfachsten die gleiche
wie die intermittierend nachgefüllte Arbeitsflüssigkeit des Flüssigkeitsraums.
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Jm Hinblick auf eine zielgerechte Schmierung des größeren, brennraumseitigen,
vorzugsweise über Kolbenringe in der Gehäusebohrung dichtend geführten Kolbenabschnitts
vom Brennraum her, wobei aber gleichzeitig ein unzulässiges, die Rreibstoffzündung
unterdrücken des Eindringen des Schmiermittels in den Brennraum selbst verhindert
wird, ist gemäß Anapruch 8 vorzugsweise ein in der Kolbenrückhiblage zwischen einem
konischen
Kolbenansatz und einer gehäusefesten Anschlagfläche zum Brennraum geschlossener,
an den Dichtspalt zwischen Gehäusebohrung und Kolbenmantelfläche angrenzender, ringförmiger
Schmiermittelkanal vorgesehen.
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Um eine der Mitteldruckverbrennung entsprechende Druckverstärkung
am Differenzkolben zu erhalten, wird das Durchmesserverhältnis zwischen dem größeren,
brennraumseitigen und dem kleineren, flüssigkeitsraumseitigen Kolbendurchmesser
gemäß Anspruch 9 vorzugsweise etwa zwischen 2, 5 und 5 gelegt.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung
mit der Zeichnung näher erläutert, die in schematischer Darstellung einen Längsschnitt
einer Höchstdruck-Wasserpulskanone nach der Erfindung zeigt.
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Die gezeigte Wasserpulskanone 2 enthält als Hauptbestandteile ein
aus einem Hochdruckteil 6 und einem Nieder- und Mitteldruckteil 8 bestehendes zylindrisches
Gehäuse 4, in dessen abgestufter Zylinderbohrung 10 ein Differenzkolben 12 axial
verschieblich angeordnet ist. Durch diesen wird die Stufenbohrung 10 in einen durch
den kleineren Kolbenabschnitt 14 begrenzten Hochfdruck-Flüssigkeitsraum 16, eine
mittlere, von der Kolbenringfläche 18 begrenzte Rückführkammer 20 und einen an die
Stirnfläche 22 des größeren Kolbenabschnitts 24 angrenzenden Mitteldruckbrenn- und
Expansionsraum 26 unterteilt Das Befüllen des Flüssigkeitsraums 16 erfolgt über
mehrere, in Umfangsrichtung verteile Einlaß schlitze 28, die von der Stirnfläche
30 des kleineren, in einer Hochdruckbüchsen 32 des Flüssigkeitsraums 16 geführten
Kolbenabschnitts 14 schräg nach binten zur Mantelfläche des kleineren Kolbenabschnitts
14 Scheiben und in der gezeigten,
vollen Rückhubstellung des Differenzkolbens
12 soweit über das hintere Ende der Hochdruckbüchse 32 zurückgefahren sind, daß
Niederdruckwasser unter etwa 20 bar, das über eine Leitung34 und ein Wasseranschlußventil
36 in einer an das hintere Ende der Hochdruckbüchse 32 angrenzenden, ringförmigen
Befüllkammer 38 ansteht, in den Flüssigkeitsraum 16 einströmt und diesen durchspült,
wobei der Wasserüberschuß über die Düsenöffnung 40 der am Austrittsende des Flüssigkeitsraums
16 durch einen-Düsenhalter 42 gesicherten Strahldüse 44 ins Freie entweichen kann.
Wenn der Flüssigkeitsraum 16 über die Einlaßschlitze 28 gefüllt und von störenden
Lufteinschlüssen freigespült ist, werden die Einlaßschlitze 28 kurz nach Beginn
des Arbeitshubs - nachdem der Differenzkolben 12 eine Hublänge von etwa 2 mm aus
der Rückhublage vorgefahren ist - durch das hintere Ende der Büchse 32 zur Befüllkammer
38 hin verschlossen, und unter der Wirkung des sich nunmehr im Flüssigkeitsraum
16 aufbauenden Wasser-Höchstdrucks von bis über 10 kbar wird die Wasserfüllung unter
Erzeugung eines Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahls geschoßartig über die Strahldüse
44 ausgetrieben.
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Zur hydrodynamischen Kolbenabbremsung ist am wasserseitigen Kolbenende
ein über die Kolbenstirnfläche 30 vorstehender Drosselzapfen 46 vorgesehen, der
kurz vor dem Arheitshubende in die sich stetig verengende Düsenöffnung 40 eiiifährt
und den wirksamen Düsendurchflußquerschnitt zunehmend stärker verringert, wodurch
im Flüssigkeitsraum 16 ein erneuter Druckanstieg entsteht, durch den der mit hoher
kinetischer Energie vorlaufende Differenzkolben 12 sicher abgebremst wird.
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Die Rückführkammer 20, die vom Flüssigkeitsraum 16 bzw der Befüllkammer
38 durch eine entlüftete Dichtringanordnung 48 getrennt ist, ist von einem Casspeicher
50 her ständig mit Niederdruckgas, z. B. Stickstoff unter etwa 20 bar, bedrückt.
Beim Arbbeitshub des Differenzkolbens 12 wird das Niederdruckgas über ein Anschlußstück
56 und ein
Rückschlagventil 52 in den Gasspeicher 50 zurückgeschoben,
wobei der größere Kolbenabschnitt 24 kurz vor dem Arbeitshubende die in die Stufenbohrung
10 mündende Öffnung des Anschlußstücks 56 über-führt, so daß sich anschließend vor
der Kolbenstirnfläche 18 ein Druckpolster aufbaut, das gemeinsam mit der hydrodynamischen
Abbremsung des Drosselzapfens 46 eine ausreichend weiche Abbremsung des Differenzkolbens
12 garantiert. Nachdem der Brenn- und Expansionsraum 26 am Arbeitshubende durch
den Austritt der heißen Reaktionsgase über die nunmehr vom größeren Kolbenabschnitt
24 freigegebenen durch ein Auspuffrohr 58 ummantelten Auspuffschlitze 60 druckentlastet
ist, wird der Kolben 12 durch dieses Gaspolster vor der Kolbenringfläche 18 wieder
soweit zurückgeschoben, bis die Öffnung des Anschlußstücks 56 erneut durch die Kolbenringfläche
18 freigesteuert wird, so daß Niederdruckgas aus dem Gasspeicher 50 - nunmehr allerdings
über eine Drossel 62 - in die Rückführkammer 20 einströmt und den Kolben 12 wieder
in die gezeigte, volle Rückhublage bringt. Durch die Drossel 62 wird die Rückhubgeschwindigkeit
des Kolbens 12 begrenzt.
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Der Brenn- und Expansionsraum 26 weist eine rippenförmige Verongung
64 mit einer Anschlagfläche 66 auf, die zur Fixierung des Kolbens 12 in der Rückhublage
mit einem entsprechend geformten, koaxialen Ansatz 68 an der Brennraumsseitigen,
größeren Kolbenfläche 22 zusammenwirkt.
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Radial außerhalb der Anschlagfläche 66 ist an der rippenförmigen Verengung
64 eine Ringnut 70 ausgebildet, die in der Rückhublage durch den flächigen Sitz
zwischen Anschlagfläche 66 und Kolbenansatz 68 zum Brennraum 26 hin geschlossen,
seitlich aber zu dem zwischen der Kolbenmantelfläche des größeren Kolbenabschnitts
24 und der Gehäuse-.
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bohrung 10 vorhandenen Spalt und des Kolbenringen 72, über die der
größere Kolbenabschnitt 24 in der Gehäusebohrung 10 geführt und abgedichtet ist,
geöffnet ist. Über ein sichzur Ringut 70 öffnendes Schmiermittel-Rückschlagventil
74 werden gerwähnte Spalt zwischen Kolbenabschnitt 24 und Gehäusebohrung 10 und
die Kolebnringe 72 mit Schmiermittel von der
Brennraumseite aus
nach jedem oder jeweils wenigen Arbeitstakten in der Kolbenrückhublage bedrückt
und dabei gleichzeitig durch den an der Anschlagfläche 66 anliegenden Kolbenansatz
68 verhindert, daß sich diese brennraumseitige Schmierung durch ein Eindringen von
Schmiermittel in den Brennraum 26 nachteilig auf die Treibstoffzündung auswirkt.
Von der Rückführkammer 20 aus wird der Kolben 12 mittels zweier, sich gegenüberliegender
Hohlkegel-Dralldüsen 76 (von denen der Einfachheit halber nur eine gezeigt ist)
geschmiert, über die am Ende des Kolbenarbeitshubes nach jeweils einem oder wenigen
Arbeitstakten Schmieröl in die Gehäusebohrung 10 und gegen die Mantelfläche des
größeren Kolbenabschnitts 24 eingespritzt wird.
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Befüllt wird der Brennraum 26 in der Kolbenrückhublage mit monergolem
Flüssigtreibstoff, z. B. Isopropylnitrat, aus einem Treibstofftank 78 über eine
mengenverstellbare Dosierpumpe 80 und ein Treibstoff-Füllventil 82 in Form eines
federbelasteten, sich zum Brennraum 26 öffnenden Rückschlagventils. Gleichzeitig
mit oder unmittelbar nach dem Einfüllen der Flüssigtreibstoffmenge wird als Zündpeitsche
und zur Unterstützung der Verbrennung Sauerstoff etwa mit 15 bar aus einem Niederdruckspeicher
84 über ein elektrisch geöffnetes Steuerventil 86, 26 ein Füllventil 88, das ebenfalls
als sich zum Brennraum öffnendes Rückschlagventil ausgebildet ist, und eine daran
anschließende, schräg geneigte Bohrung 90 nach unten in den Brennraum 26 bzw. die
Flüssigtreibstoff üllung eingeblasen, bis die Brennkammer 26 mit einer bestimmten
Sauerstoffmenge gefüllt ist, was sich am einfachsten durch Überwachung des Brennraumdrucks
feststellen läßt Sobald ein vorgegebener Grenzdruck im Brennraum 2G bzw. am Füllventil
88 erreicht wird, der in jedem Fall so klein gehalten werden muß> daß der Kolben
12 durch die Sauerstoffeinblasung nicht gegen den Gasdruck in der Rückführkammer
20 und den Niederdruck im Wasserraum 16 aus der Rückhublage vorgeschoben wird wird
das Steuerventil 86 geschlossen und die durch die Sauenstoffeinbalsung zumindest
teilweise gasförmige und wesentlich zündwiligen Treibstoffüllung im Brennraum 26
durch
elektrische Funkenzündung mittels der Zündkerze 92 gezündet.
Die Treibstoffüllung ist unter Berücksichtigung der Brennraumgröße so dosiert, daß
ein mittlerer Verbrennungsdruck zwischen 500 und 1500 bar nicht überschritten wird.
Um eine entsprechende, wasserraumseitige Druckverstärkung des Differenzkolbens 12
auf etwa 10 kbar zu erreichen, muß somit das Durchmesserverhältnis zwischen dem
größeren und dem kleineren Kolbenabschnitt 24, 14 bei 2, 5 bis 5 liegen.
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Zur Kühlung des Brenn- und Expansionsraums 26 vor allem bei höheren
Pulsfrequenzen, die bis zu 60 Arbeitstakten/min erreichten können sind im Bereich
des Brenn- und Rxpansionsraums 26 Kühlmittelkanäle 94 ausgebildet, die intermittierend,
also jeweils in der Kolbenrückhublage, von 34 dem über die Leitung und den Anschluß
36 in den Flüssigkeitsraum 16 einströmenden Füllwasser durchsetzt sind, wahlweise
aber auch kontinuierlich mit Kühlwasser durchströmt sein können.
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Eine weitere Möglichkeit der Kühlung des Brenn- und Expansionsraurns
26 besteht darin, diesen beim Kolbenrückhub bis zum Erreichen der vollen Rückhublage
mit einem Inertgas sehr niedrigen Drucks (etwa 5 bar) zu durchspülen. Hierdurhc
werden gleichzeitig die evtl. nach dem Auspuffen im Brenn- und Expansionsraum 26
verbliebenen Reaktionsgasreste, die beim Kolbenrückhib nach dem Schließen der Auspuffschlitze
60 komprimiert werden und in der vollen Rückhublage infolge eines zu hohen Drucks
ein Einblasen des Sauerstoffs behindern oder aufgrund einer zu hohen Restgastemperatur
eine vorzeitige Treibstoffzündung auslösen könnten, aus dem Brenn- und Expansionsraum
26 entfernt. Die zu diesem Zweck im Bereich des hinteren Brennraumenden mündenden
Inertgasanschlüsse einschlißlich der zugehorigen Steuerventile sind in der Zeichnung
der besseren Übersichthaber nicht dargestellt Die Arbeitstaktostoffe Wasserabsbar@@@
wird durch einen im Zuge der Wasserzuleitungen und @@@@ Met@@@ @@@erabflußmesser
96 freigegeben,
der unter Erzeugung eines entsprechenden Startsignals
anspricht, sobald der Differenzkolben 12 die gezeigte Rückhublage erreicht hat und
somit der Flüssigkeitsraum 16 über die Leitung 34, den Anschluß 36, die Befüllkammer
38 und die Einlaßschlitze 28 mit Füllwasser nach, füllt und durchspült wird. Nach
dem Einspritzen der an der Treibstoffpumpe 80 dosierten Flüssigtreibstoffmenge in
den Brennraum 26 und dem Einblasen von Sauerstoff über das Steuerventil 86 bis zu
einem vorgegebenen Grenzdruck im Brennraum 26, wobei während dieses oder eines späteren
Treibstoffüllvorgangs gleichzeitig der größere Kolbenabschnitt 24 von der Brennraumseite
aus über das Rückschlagventil 74 und die Ringnut 70 mit Schmiermittel versorgt wird,
erfolgt die Treibstoffzündung mittels der Zündkerze 92. Der Treibstoff ist in weniger
als 1 msec verbrannt und praktisch erst nach abgeschlossener verbrennung wird der
Differenzkolben 12 aus seiner Rückhublage beschleunigt. Nachdem die Einlaßschlitzr
28 nach einem Kolbenhub von etwa 2 mrn verschlossen sind und sich der Wasserdruck
im Flüssigkeitsraum 16 aufbaut, wird die Wasserfüllung in etwa 5 msec geschossartig
über die Düse 44 ausgetrieben. Nach Überstreichen der Auspuffschlitze 60 entweichen
die heißen Reaktionsgase aus dem Brenn und Expansionsraum 26 über das Auspuffrohr
58 ins Freie und der Kolben 12 wird einerseits durch den Drosselzapfen 46 hydrodynamisch
und andererseits durch das sich vor der Kolbenringsfläche 18 aufbauende Gasdruckpolster
pneumatisch abgebremst, wobei der größere Kolbenabschnitt 24 gleichzeitig über die
Dralldüsen 76 geschmiert wird.
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Währencl der Kolben 12 anschließend durch das aus dem Speicher 50
nunmehr über die Drossel 62 in die Rückführkammer 20 einströmende Niederdruckgas
zurückgefahren wird, wird gleichzeitig die Spülung des Brenn- und Expansionsraums
26 mit Inertgas niedrigen Drucks durchgcführt, bis der Kolben 12 erneun seine Rückhublage
erreicht und der Durcfhflußmesser 96 anspricht woraufhin ein neuer Arbeitszyklus
freigegeben wird. Die Ansteureung einzelnen Steuerelemente entsprechend der beschriebenen
Schrittfolge erfolgener einfachsten durch eine nicht gezeigte, elektrische Steuerelemente
und Durchlfußmesser 96 als Bezugssignalegeben