DE3343555A1

DE3343555A1 - Verfahren und vorrichtung zur beschleunigung von fluessigkeitsmengen

Info

Publication number: DE3343555A1
Application number: DE3343555A
Authority: DE
Inventors: Aubrey Charles 15106 Carnegie Pa. Briggs; Larry Lamann 16063 Zelienople Pa. Pater
Original assignee: Dravo Corp
Current assignee: Dravo Corp
Priority date: 1982-12-06
Filing date: 1983-12-01
Publication date: 1984-06-07
Also published as: CA1209463A; US4573637A; GB2134157B; AU2199483A; JPS59112858A; GB8330104D0; JPS6338215B2; AU543913B2; SE458223B; SE8306708D0; DE3343555C2; GB2134157A; SE8306708L

Description

Bejschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschleunigung einzelner Flüssigkeitsvolumina bzw. -mengen und bezieht sich insbesondere auf das Beschleunigen von Flüssigkeitsmengen unter Verwendung von Energie und Masse, die beim Komprimieren der Flüssigkeit in einem geschlossenen Behälter gespeichert sind.

Es besteht ein Bedürfnis für verbesserte Produktivität beim Schneiden und Brechen von harten, festen Substanzen, wie beispielsweise Fels, Straßenpflaster und gefrorenem Boden. Ein gängiges Verfahren hierfür besteht in der Verwendung von Sprengstoffen, die üblicherweise in mühsam gebohrte Löcher urid Hohlräume eingebracht werden. Der Vorgang ist laut, gefährlich und statt kontinuierlich ein schrittweiser Vorgang,

der üblicherweise langsam und teuer ist.

Ein anderes Verfahren macht von dem mechanischen Stoßbrecher Gebrauch;, für den der bekannte Bohrhammer ein typisches Beispiel ist. Diese Vorrichtungen sind gut entwickelt, und weithin gebräuchlich, sind jedoch schwer, beanspruchen den Arbeiter stärk und brechen Fels zu langsam.

Noch ein anderes Verfahren zum Brechen und Trennen harter fester Substanzen, das noch nicht weithin gebräuchlich ist, verwendet einen pulsierenden Flüssigkeitsstrahl. Ein pulsierender Flüssigkeitsäbrahl kann in Kürze eine sehr große Strahlkraft bei mäßiger Anschlußleistung erreichen, in-dem Energie über einen Zeitraum gespeichert wird, der im Vergleich zur Strahldauer lang ist. Diese Strahlen sind im Stand der Technik gut bekannt und erreichen typischerweise Geschwindigkeiten von einigen tausend Kilometern pro Stunde

( feet per second ) , und Staudrücke von einigen 10 000 bar

einigen100 000 pounds per square inch)

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Experimentelle Einzelschuß-Laboratoriumsergebnisse einiger Forscher haben die Wirksamkeit dieser pulsierenden Strahlen zum Brechen und Trennen schwieriger Substanzen,wie Straßenbelag und Fels, demonstriert.

Pulsierende Strahlvorrichtungen verwenden vorzugsweise eine "Sammel^l!-Düse, wie beispielsweise die in dem US-Patent Nr. 33 43 794 von Voitsekhovsky offenbarte,bei der eine mit Energie versehene Flüssigkeitsmenge zu dem Einlaß einer trockenen Düse geliefert wird. Der vorderste Abschnitt der Wassermenge wird in einem großen Maß beschleunigt, wenn sie längs des kontraktierenden Kanals läuft, der die meiste Energie der Flüssigkeitsmenge in die kinetische Energie eines kleinen Teils der Flüssigkeitsmenge konzentriert.

Der resultierende zeitweise Flüssigkeitsstrahl, der aus der Düse austritt, besitzt einen Spitzen-Staudruck, der mehrfach größer |als der statische Druck ist, der irgendwo innerhalb der Düjse auftritt, was von großem praktischen Vorteil ist. Die! interne Form der Düse übt eine tiefreichende Wirkung auf d
drücke auf, was
das US-Patent Nr

ie innerhalb der Düse auftretenden Wandim Stand der Technik, beispielsweise durch 39 211 915, hinreichend bekannt ist.

Die oben erwähntjen experimentellen Ergebnisse wurden überwiegend unter Verwendung einer Einzelschuß-Laborvorrichtung erzielt. Eine erfolgreiche kommerzielle Vorrichtung muß in der Lage sein, diese pulsierenden Flüssigkeitsstrahlen mit einer brauchbaren Wiederholungsrate bzw. * -geschwindigkeit! bei den Verhältnissen auf der Baustelle ununterbrochen zu erzeugen. Bei den meisten vorbekannten Erfindungen, die Sammeldüsen verwenden, wird das Wasser durch das Auftreffen einer beweglichen Masse mit Energie gespeist, wie beispielsweise in den US-Patenten 33 43 794, 34 12 554, 39 05¹ 552 und 39 21 915 offenbart. Bei derartig_en Vorrichtungen besteht die zum Antrieb des Flüssigkeitsstrahls verfügbare Impulsenergie aus der kinetischen Energie der auftreffenden Masse, die irgendwie beschleunigt

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werden muß, beispielsweise über die Gravitation, eine Treibladung oder komprimiertes Gas.

Es müssen auch Maßnahmen vorgesehen sein, um die Düse zu entleeren, die iflüssigkeitsmenge wieder aufzufüllen und die Form und die Lage der Wassermenge zur Vorbereitung für jeden Impuls beizubehalten. Vorherige Erfindungen verwenden typischerweise einen Zwischenkolben oder eine Membran zwischen der Flüssigkeitsmenge und der auftreffenden Masse und ein Ventil oder eine Membran zwischen der Flüssigkeitsmenge und dem Düseneingang. Derartige Membranen müssen vor jedem Impuls ersetzt werden, und die Bewegung eines Ventils muß fest mit dem Auftreffen der sich bewegenden Masse synchronisiert werden. Ein Zwischenkolben muß für das Abführen von Luft aus der mit Flüssigkeit gefüllten Kammer sorgen. Werkstofferwägungen, insbesondere die zulässige Beanspruchung begrenzen die Massenaufprallgeschwindigkeit. Da die kinetische Energie proportional dem Produkt aus Geschwindigkeitsquadrat und Masse ist, erfordern große Impulsenergiewerte eine große bewegte Masse. Dies führt zu einer schweren Vorrichtung. Außerdem führt der Rückschlagimpuls, der bei der Beschleunigung· eine r großen Masse auf einen hohen kinetischen Energiewert auftritt, zu einem Werkzeug, das schwierig zu steuern ist. Eine vorgeschlagene alternative Maßnahme, der Flüssigkeit Energie zuzuführen, besteht in

einer Funkenentladung, wie in dem US-Patent 36 47 137 offenbart. Dies'erfordert jedoch die Versorgung und das

Schalten von großen Mengen elektrischer Energie. 30

Das US-Patent 3^ 83 075 schlägt noch ein anderes Verfahren zur Erzeugung eines flüssigen pulsierenden Strahls vor. Hierbei wird ein Vielkanal—Düsenblock vor einer mit einer ständigen Druckflüssigkeitsströmung versorgten Ausstoßeinrichtung gedreht. Hierdurch zerhackt der rotierende Düsenblock den ständigen Flüssigkeitsstrom. Derartige Vorrichtungen sind schwerfällig und erfordern eine sorgfälti-

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ge Synchronisierung der Bestandteile.

Im allgemeinen sind die vorbekannten Vorrichtungen mit pulsierenden Flüssigkeitsstrahlen durch übermäßiges Gewicht und mechanische Komplexität, niedrige Impulsenergie oder eine sehr njiedrige Schußwiederholrate beeinträchtigt.

Gemäß der Erfindung werden einzelne Flüssigkeitsvolumina bzw. -mengen unter Verwendung von Energie, die durch Komprimieren der Flüssigkeit in einem geschlossenen Behälter gespeichert ist, auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Die Flüssigkeit wird unter Druck in einen bereits mit Flüssigkeit gefüllten Behälter eingeführt, um sie zu komprimieren und dadurch Energie und.Masse in der komprimierten Flüssigkeit innerhalb des Behälters zu speichern. Eine bestimmte Menge der in dem Behälter gespeicherten Flüssigkeit wird dann aus dem Behälter ausgestossen, und durch Umwandlung der potentiellen Energie der komprimierten Flüssigkeit in kinetische Energie der bestimmten Flüssigkeitsmengie auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Durch wiederholtes Einführen von zusätzlicher Flüssigkeit in djen Behälter und Ausstoßen von Flüssigkeitsmengen wird eind Folge von pulsierenden Flüssigkeitsstrahlen erzeugt.

Die Vorrichtung jgemäß der Erfindung besteht im wesentlichen aus einer Kammer und einer Düse, vorzugsweise einer Sammeldüse, die durch !ein Ventil getrennt sind. Die aus einem

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bruchfesten Druckkessel gebildete Kammer wird mit unter Hochdruck komprimierter Flüssigkeit durch geeignete Maßnahmen, wie beispielsweise eine Pumpe / einen Verdichter^ gefüllt. Die Impulsenergie und das Impulsvolumen (d. h. die Flüssigkeitsmenge, die durch die Düse ausgestossen wird) werden in der leicht komprimierbaren Arbeitsflüssigkeit gespeichert, die in der Kammer enthalten ist. Etwas wiedergewinnbare Energie wird auch in der elastischen Verformung der Kammerwände gespeichert. Der benötigte Kammer— druck hangt von 'dem Volumen der Kammer und den gewünschten

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Impulsenergie- und Impulsvolumenwerten ab. Für praktische Anwendungsfälle kann der erforderliche Druck niedrig wie ca. 344,75 bar (!5000 pounds per square inch) und so hoch wie ca. 2758 bar (40 000 pounds per square inch ) oder noch höher liegen.

Wenn der benötigrte Kammerdruck und die Energiespeicherung erreicht worden !ist, wird das Ventil geöffnet, wodurch die Druckflüssigkeit in die Sammeldüse ausgestossen wird.

Das Volumen der ausgestossenen Flüssigkeit, das heißt, das

Impulsvolumen oder die bestimmte Flüssigkeitsmengengröße, ^ ist ein kleiner Bruchteil des Kammervolumens. Das Ventil muß sehr rasch geöffnet werden, um die Sammeldüse in geeigneter Weise zu verwenden. Das Ventil muß in kürzerer Zeit im wesentlichen vollständig geöffnet sein, als der vordere Rand der Flüssigkeitsmenge zum Erreichen des Düsenausgangs benötigt. Das rasche Öffnen des Ventils wird bei der bevorzugten Anordnung durch Vorsehen eines Ansatzes an einem Ende des Ventilelements erreicht, der dichtend innerhalb des Düsendurchgangs gleitet. Die Länge des Ansatzes ist so bemessen,, daß das Ventil bis zu dem Zeitpunkt auf die erforderliche Geschwindigkeit beschleunigen kann, zu dem der Ansatz, jder ursprünglich die Freigabe der Flüssigkeit in die Düse blockiert, den Einlaß des Düsendurchgangs freigibt. Die bevorzugte Maßnahme zur Betätigung des Ventils liegt in der Verwendung der raschen Expansionsfähigkeit von hoch komprimierter Flüssigkeit. Dies wird bei der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mit einem Ventilelement erreicht, das gegen den Düseneingang sitzt und sich über die Drückkammer und durch das Gehäuse an der gegenüberliegenden Seite erstreckt. Der Abschnitt des Ventilelements, der durch das Gehäuse tritt, besitzt einen größeren Querschnitt als der Abschnitt, der gegen den Düsendurchgang sitzt, sodaß die komprimierte Flüssigkeit eine Öffnungskraft auf das Ventilelement ausübt. Wenn der Druck der komprimierten Flüssigkeit einen Punkt erreicht, an dem die Öffnungskraft eine das Ventilelement beaufschlagende schließende Vorspannkraft übersteigt, öffnet

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sich das Ventil, um Flüssigkeit auszustossen, bis der Druck so weit fällt, daß die Vorspannkraft das Ventil wieder schließt. Wenn zusätzliche Druckflüssigkeit der Kammer zugeführt wird, vollführt diese Ventilanordnung ein automatisches Arbeitsspiel zur wiederholten Erzeugung von pulsierenden Flüssigkeitsstrahlen.

Die beschriebenei Vorrichtung eliminiert den Stoß und die zugeordneten hohen Materialbeanspruchungen und vermeidet auch den Gewichtsnachteil von getrennten Energiespeichereinrichtungen, die bei den meisten vorbekannten Vorrichtungen benötigt werden. Sie ist auch einfach, erfordert keine exakte Synchronisierung der Bestandteile, wie bei anderen pulsierenden Flüssigkeitsstrahlvorrichtungen erforderlich,und kann zuverlässig hoch energetische Impulse mit einer hohen Wiederholungsgeschwindigkeit bzw. -rate erzeugen.

Weiter Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind auch dem anschließenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:;

Fig. 1 eine Schnittansicht durch eine Vorrichtung gemäß

der Erfindung;

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt entlang der Schnittlinie II - II von Fig. 1; und

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt entlang der Schnittlinie III - III von Fig. 1.

Fig. 1 veranschaulicht eine Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung, die für das wiederholte Erzeugen von pulsierenden Flüssigkeitsstrahlen verwendbar ist. Gemäß der Darstellung weist die Vorrichtung einen hochfesten Druckkessel in Form eines Gehäuses 3 auf, der eine Kammer 5 bildet, wobei das Gehäuse 3 einen Einlaß 7 zum Einführen einer Flüssigkeit besitzt. Das Gehäuse 3 ist kugelförmig

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dargestellt, obgleich es auch andere Formen einnehmen kann, die zur Erleichterung der Herstellung oder Verwendung der Vorrichtung benötigt werden. Eine Leitung 9, vorzugsweise ein flexibler Schlauch ist mit einer Einrichtung, wie beispielsweise einer (nicht dargestellten) Pumpe verbunden, um Flüssigkeit unter Druck durch den Einlaß 7 in die Kammer 5 einzufüllen. Der Schlauch kann biegsam oder starr sein, und es kann ein (!ebenfalls nicht dargestellter) Druckspeicher zur Kontrolle von DruckSchwankungen an einer Stelle längs des Schlauchs vorgesehen sein. Eine Sammeldüse 11, die einen durchlaufenden Durchgang 13 besitzt, dessen Querschnittsfläche in Richtung auf einen Auslaß 15 abnimmt, ist an dem Gehäuse 3 befestigt, wobei der Durchgang 13 mit der Kammer 5 kommuniziert. Die Düse 11 kann als einstückiger Bestandteil des Gehäuses 3 gebildet sein, oder sie kann abnehmbar sein, wie in Fig. 1 dargestellt· Falls die Düse 11 abnehmbar ist, wird sie sicher an dem Gehäuse 3 durch irgendeine passende Einrichtung, wie beispielsweise eine Schraubverbindung oder durch andere Maßnahmen, z. B. einem verbolzten Flansch,passend befestigt. Es sollte dann eine Dichtung 12 vorhanden sein, um das Austreten von Druckflüssigkeit an der Verbindung des Gehäuses 3 und der Düse 11 zu verhindern, Ein Ventilsitz 17 umgibt den Eingang des Durchgangs 13, und das Gehäuse 3 besitzt in der dem Eingang _ZUm Durchgang 13 gegenüberliegenden Wandung eine Öffnung 19«

Ein verschiebbares Ventilelement 21 wird durch eine Vorspanneinrichtung

23 dichtend gegen den Ventilsitz 17 zur

Abdichtung des Durchgangs 13 der Düse 11 gegenüber der Kammer 5 gedrückt. Das Ventilelement 21 erstreckt sich durch die Kammerlund weist erste, zweite und dritte Abschnitte mit zunehmender Querschnittsfläche auf. Der erste Abschnitt 25 des Ventilelements 21 ist in dem Einlaßabschnitt 27 des Durchgangs 13 der Düse 11 satt anliegend abgedichtet verschiebbar und ist an seinem Ende 29 mit Leitflügeln 31, beispielsweise 3, wie dargestellt, versehen, welche längs der Wandungen des Durchgangs 13 verschiebbar sind. Wie am besten in Fig. 2 zu erkennen ist, werden durch

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die Leitflügel 31 Kanäle 33 gebildet, durch die Flüssigkeit aus der Kammer 5: in den Düsendurchgang 13 ausgestossen werden kann, wenn das Ventilelement 21 in die geöffnete Stellung gebracht ist· :

Der zweite Abschhitt 35 des Ventilelements 21 besitzt eine

Schulter 37, die zu dem Ventilsitz 17 paßt, wohingegen sich der dritte Abschhitt 39 des Ventilelements 21 durch die Öffnung 19 in der Wandung des Gehäuses 3 erstreckt. Der erste Abschnitt 25, der zweite Abschnitt 35 und der dritte Abschnitt 39 hebten eine zunehmende Querschnittsfläche, wie in der Zeichnung dargestellt, mit Dl < D2 < D3.

Die Verspanneinrichtung 23, die vorzugsweise in einer Kappe

!5 4i enthalten ist, welche an dem Gehäuse 3 beispielsweise mittels Bolzen 43 und Muttern 45 befestigt ist, beaufschlagen das verschiebbare Ventilelement 21 mit einer Vorspannkraft. Die Vorspanneinrichtung hält die Schulter 37 des zweiten Abschnitts 35 des verschiebbaren Ventilelements 21 dicht an dem Ventilsitz 17. Gemäß der Darstellung liefert die Vorspanneinrichtung 23 eine abnehmende aufzubringende Vorspannkraft, wenn sich das verschiebbare Ventilelement 21 von dem Ventil 17 weg bewegt. Die dargestellte Vorspanneinrichtung 23 enthält eine Feder 27 und zwei Paar schwenkbar miteinander verbundene Arme 49 und 61. Die Arme 49 des ersten Paars sind schwenkbar über Bolzen 51 an Halterungen 53 an dem Gehäuse 3 angebracht und sind an ihren freien Enden durch die Zugfeder 47 miteinander verbunden, die durch Löcher, 55 in den Armen eingehakt ist. Die Arme 61 des zweiten P^ars sind jeweils schwenkbar an einem Ende mit einem gemeinsamen Bolzen 57 an einem Fortsatz 59 an dem Ventilelement 21 und an dem anderen Ende an einem der Arme 49 über einen Schenkbolzen 63 verbunden. Da die Vorspanneinrichtung eine abnehmende Kraft ausübt, wenn das Ventilelement sich der geöffneten Stellung nähert, wird durch diesen Mechanismus geringere Energie gespeichert, die eine raschere Beschleunigung des Ventilelements während des

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Öffnens des Ventils und einen weicheren Stoß während des Schliessens des Ventilelements erlaubt.

Der dritte Abschnitt 39 des Ventilelements 21 erstreckt sich, wie erläutert, durch die Öffnung 19 in dem Gehäuse, die mit einer ringförmigen Dichtung 65 versehen ist, um eine Leckage der· komprimierten Flüssigkeit aus der Kammer 5 zu verhindern, wenn der Abschnitt 39 in der Öffnung 19 hin

und hergeleitet.! Die Dichtung 65 wird durch einen Stopfen 67 festgelegt, der einen Flansch 69 besitzt, welcher an dem Gehäuse 3 mit Befestigungsmitteln, wie beispielsweise Schraubbolzen 71_?befestigt ist.

Wie noch detailliierter weiter unten beschrieben wird, wird das Ventilelement 21 rasch geöffnet, um eine definierte Flussigkeitsmenge aus der Kammer 5 freizugeben. Um das sich rasch bewegende Ventilelement 21 anzuhalten und seine kinetische Energie zu absorbieren, wenn es sich der voll geöffneten Stellung nähert, sind energieabsorbierende Bremseinrichtungen vorhanden. Die vorgesehene Vorrichtung verwendet die Flüssigkeit in der Kammer 5 zur hydraulischen Dämpfung. Ein napfförmiges Element 73 ist koaxial an dem zweiten Abschnitt 35 des Ventilelements 21 angebracht, wobei sich dessen etwa ringförmiger Flansch 75 beabstandet um den dritten Abschnitt 39 des Ventilelements erstreckt. Dieser ringförmige Flansch 75 bildet einen Tauchkolben, der in einer ringförmigen Ausnehmung 79 in dem Gehäuse 3, die die Öffnung 19 umgibt und von dieser über eine Schulter 81 beabstandet ijst, aufgenommen wird, wenn sich das Ventilelement 21 der vpll geöffneten Stellung nähert, ^ie Außenwand 83 der ringjförmigen Ausnehmung 79 erstreckt sich unter einem stumpfen Winkel oc von dem Boden 85 der Ausnehmung nach außen, währenaSie Außenfläche des ringförmigen Flansches 75 unter dem selben Winkel nach innen verjüngt. Durch das napfförmige {Element 73 erstrecken sich Öffnungen 77, um den Boden des! ringförmigen Raums 87, der zwischen dem Flansch 75 und dem Abschnitt 39 des Ventilelements 21 gebil-

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det ist, mit der'Kammer 5 zu verbinden,

Für den Düsendurchgang 13 ist eine Belüftungseinrichtung in Form eines Durchgangs 89 vorgesehen, der sich axial durch das Ventilelement 21 erstreckt. Das Ende des Durchgangs im Abschnitt 39 des Ventilelements 21 kann, wie dargestellt, zur Atmosphäre offen sein, damit restliche Flüssigkeit aus dem Düsendurchgang 13 aufgrund ihres eigenen Impulses und/ oder der Schwerkraft ausströmen kann. Alternativ könnte der Durchgang 89^:mit Unterdruck beaufschlagt werden, obgleich dies bei einigen Anwendungsfällen die Gefahr birgt, daß Staub in die Düse eingesaugt wird. Vorzugsweise ist der Durchgang 89 mit einer (nicht dargestellten) Überdruckgasquelle verbunden, um den Düsendurchgang 13 zwischen impulsen auszutrocknen.

Beim Betrieb der Erfindung ist der Schlauch 9 unter Druck mit einer Flüssigkeitsquelle verbunden, wobei das Ventilelement 21 in der in Fig. 1 dargestellten geschlossenen stellung den Durchgang 13 der Düse 11 abdichtet. Wenn zusätzliche Flüssigkeit in die Kammer eingeführt wird, wird die Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, komprimiert, und der Druck in der Kammer steigt an. Wenn die durch die un-

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ter Druck gesetzte Flüssigkeit in der Kammer ausgeübte Kraft auf das Ventilelement 21 aufgrund der größeren Querschnittsfläche des Abschnitts 39 gegenüber dem Abschnitt 35 die durch die!Vorspanneinrichtung 23 ausgeübte Kraft übersteigt, beginnt sich das Ventilelement 21 in Richtung auf die Öffnungsstellung zu bewegen, wobei sie den zweiten Abschnitt 35 von I dem Ventilsitz 17 löst. Da der erste Abschnitt 25 des Ventilelements 21 satt anliegend innerhalb des Einlaßabschnitts 27 <des Düsendurchgangs 13 gleitend abdichtet, wird an dieser Stelle keine Flüssigkeit aus der Kammer ausgestossen. Da jedoch die Schulter 37, die infolge der Durchmesserdifferenz zwischen den Abschnitten 35 und gebildet ist, nun der sich unter Druck befindlichen Flüssigkeit in der Kammer zur Erhöhung der Öffnungskraft ausgesetzt is-t, wird das Ventilelement 21 weiter in Richtung auf

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die offene Stellung beschleunigt. Zudem übt, wie oben erläutert, die dargestellte Vorspanneinrichtung eine abnehmende Vorspannkraft aus, wenn sich das Ventil öffnet, um den Widerstand gegenüber den Öffnungskräften zu verringern und eine zusätzliche Beschleunigung des Ventilelements 21

zu ermöglichen.

Die Länge des ersten Abschnitts 25 des Ventilelements 21, die weiterhin die Strömung der Flüssigkeit in den Düsendurchgang 13 blockiert, wird so ausgewählt, daß das Ventilelement eine ausreichende Geschwindigkeit zu dem Zeitpunkt erreicht, zu dem¹das Ende 29 des Abschnitts 25 den Einlaß des Düsendurchgangs freigibt, und daß das Ventil in einer geringeren Zeit,als der vordere Rand der definierten Flüssigkeitsmenge zum Erreichen des Düsenausgangs 15 benötigt, im wesentlichen vollständig geöffnet ist. Das Ven-

til ist vollständig geöffnet, wenn die Querschnittsfläche der Ventilöffnung im wesentlichen der des Einlaß 27 des Düsendurchgangs gleicht. Dies ist für ein geeignetes Arbeiten der Sammeldüse von Bedeutung und bewirkt eine wirkungsvolle Umwandlung der in der komprimierten Flüssigkeit in der Kammer 5 gespeicherten potentiellen Energie in kinetische Energie der in die Sammeldüse 11 eingespritzten bestimmten Flüssigkeitsmengen. Die Leitflügel 31 verbleiben während der gesamten Verschiebung des Ventilelements 21 im Innern des Düsendurchgangs 13, um eine Ausrichtung der Teile beizubehalten.

Das Ventilelement 21 erhält erhebliche kinetische Energie zur Beschleunigung auf die für das rasche Einspritzen der Flüssigkeit in die Düse 11 benötigten Geschwindigkeit. Um das Ventilelement 21 zum Schließen des Ventils vorbereitend anzuhalten, muß diese Energie über eine kurze Strecke absorbiert Werden,,während' noch eine erhebliche Öffnungskraft durch die Flüssigkeit in der Kammer auf das Ventilelement

ausgeübt wird. Wann sich' das Ventilelement 21 der vollen Öffnungsstellung[nähert,: beginnt der Flansch 75 an dem

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becherförmigen Element 73 in die ringförmige Ausnehmung einzutreten. Die Flüssigkeit in der Ausnehmung 79 wird durch den Zwischenraum zwischen dem Flansch 75 und der Außenwand 83 der Ausnehmung zur Erzeugung einer Kraft herausgepreßt, die die Öffnungsbewegung des Ventilelements 71 verzögert. Die Verjüngung der Außenwand 83 der Ausnehmung 79 und die Außenfläche des Flansches 75 verengen den Zwischenraum zwischen dem Flansch und der Ausnehmung, wenn der Flansch in die Ausnehmung eintritt, wodurch die erzeugte Bremskraft progressiv ansteigt. Die in dem ringförmigen Raum 87i im Innern des napfförmigen Elements 73 eingeschlossene Flüssigkeit tritt durch die Öffnungen 77 aus, um das Eindrücken der eingeschlossenen Flüssigkeit in die Dichtung 65 zu verhindern.

Das Ausstossen der Flüssigkeit in den Durchgang 13 der Düse 11 führt zur Abnahme des Kammerdrucks und somit der Öffnungskraft, die auf das Ventilelement 21 ausgeübt wird. Wenn diese Öffnungskraft geringer wird als die durch die Vorspanneinrichtung 23 erzeugte Fließkraft, bewegt sich das Ventilelement 21 in die geschlossene Stellung, wobei der erste Abschnitt 25 im Innern der Düse 13 abdichtet und wobei die Schulter 37 gegen den Sitz 17 liegt, um dadurch das Unterdrucksetzen der Flüssigkeit in der Kammer 5 für einen Wiederholungszyklus zu ermöglichen. So lange wie die Druckflüssigkeit durch die Leitung 9 zugeführt wird, wird der Zyklus automatisch wiederholt., um eine fortlaufende Folge von pulsierenden Flüssigkeitsstrahlen zu erzeugen. Die Rate bzw. der Durchsatz, mit dem Druckflüssigkeit der Kammer 5 über die Leitung 9 zugeführt wird, bestimmt die Rate bzw. Geschwindigkeit, mit der das Ventil arbeitet und kann in naheliegender Weise durch ein (nicht dargestelltes) Ventil oder eine Öffnung in der Leitung gesteuert werden. Auf diese Weise speichert die Vorrichtung über eine Zeitdauer Energie und gibt sie als kinetische Energie der definierten Flüssigkeitsmengen in unterteilten Zeiträumen, frei. Auf diese Weise kann die Vorrichtung einen hoch ener-

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i „,

getischen pulsierenden Flüssigkeitsstrahl bei mäßiger Anschlußleistung erzeugen.

Bekannterweise beschleunigt die Sammeldüse die vordere Kan- ° te der in den Düsendurchgang 13 eingespritzten definierten Flüssigkeitsmenge, in-dem sie die kinetische Energie der Flüssigkeitsmenge in Vorwärtsrichtung konzentriert. Dies kann zu dem Einschließen von Flüssigkeit mit niedriger kinetischer Energie in dem Düsendurchgang 13 aufgrund des Unterdrucks führen, der hinter der eingeschlossenen Flüssigkeit entsteht, wenn das Ventilelement 21 in die geschlossene Stellung zurückbewegt wird. Diese eingeschlossene Flüssigkeit muß von der Düse 11 vor dem nächsten Impuls entfernt werden. Der DurcHgang 89 belüftet den Unterdruck derart, daß der Düsendurchgang 13 zu dem Zeitpunkt, zu dem die nächste Menge in [die Düse gespritzt wird, frei von Flüssigkeit ist. ι

Beispielsweise kc.nn bei Anwendung der Erfindung bei einer Vorrichtung, die

von einem Mann zur Bearbeitung von Felsen,

Beton und anderen harten Werkstoffen anstelle eines konventionellen Bohrhammers gehandhabt wird, Druckwasser mit etwa 1379 bar (20 000 pounds per square inch ) einer Kammer zugeführt werden, die einen Innendurchmesser von etwa 20, 32 cm (8 inches) aufweist. Dieser Druck könnte zu einer Kompression von etwa 5 % führen und würde in die Düse Wassermengen mit/einem Volumen von etwa 213,07 cm (13 cb inches) mit einer Impulsenergie von etwa 13 560 J (10 000 foot-pounds) ausstossen. Bei dem angegebenen Druck dehnt sich das Kammergehäuse aus, wodurch zusätzliche rückgewinnbare Energie gespeichert wird. Bei einer kugelförmigen Kammer aus Titan j das einen im Vergleich zu Stahl niedrigen Elastizitätsmodul besitzt, könnte die in der Wandung gespeicherte Energie leicht über 1356 J (1000 foot-pounds)

^5 betragen, was eine erheblich vergrößerte Gesamtimpulsenergie ohne erhöhten Wasserverbrauch ermöglicht. Die besag-

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te Kugel könnte weniger als etwa 18,144 kg (40 pounds) wiegen und wäre £ehr korrosionsfest.

Die obigen Gestaltungen sind nur beispielhaft und sollen nicht als Einschränkung betrachtet werden. Überdies ist die Anwendung der Erfindung nicht auf Handwerkzeuge zum Bearbeiten von harten Substanzen begrenzt, sondern kann auch bei vielen anderen Anwendungsfällen Verwendung finden, bei denen einzelne oder wiederholte hoch energetische pulsierende Flüssigkeitsstrahlen nützlich sind. Für den Fachmann ist klar, daß verschiedenartige Modifikationen und Alternativen zu den angegebenen Beispielen im Rahmen der Gesamtoffenbarung liegen. Dementsprechend sind die offenbarten besonderen Anordnungen und Anwendungsfälle nur zur Veranschaulichung und nicht zu Beschränkung des Umfangs der Erfindung gedacht, ι

BAP

Claims

ν ~r

komprimierten Flüssigkeit in der Kammer (5) unter den vorgewählten Wert fällt, wodurch sich die Ventileinrichtung zur Freigabe einer Folge von Flüssigkeitsmengen in den

Düsendurchgang (13) wiederholt öffnet und schließt. 5

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Ventileinrichtung eine Einrichtung (23), die eine die Ventileinrichtung in die geschlossene Stellung vorspannende Kraft erzeugt, und eine Einrichtung (39) gehört, auf die der Druck der komprimierten Flüssigkeit in

der geschlossenen Kammer eine Qffnungskraft ausübt, welche ^r" die Ventileinrichtung in die offene Stellung zu treiben sucht, wobei sich die Ventileinrichtung wiederholt öffnet, wenn die durch die komprimierte Flüssigkeit erzeugte Öffnungskraft die Vorspannkraft übersteigt, und schließt, wenn die Freigabe von Flüssigkeit dazu führt, daß die Öffnungskraft geringer als die Vorspannkraft wird, wodurch eine Folge von Flüssigkeitsmengen in die Düse (11) freigebbar ist.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Ventileinrichtung ein Ventilelement (21) gehört, das sich durch die Kammer (5) des Gehäuses (3) er-

^- streckt und drei koaxiale Abschnitte (25, 35, 39) mit zunehmenden Querschnittsflächen besitzt, wobei der erste Abschnitt (25) im Innern· des Düsendurchgangs (13, 27) dichtend verschiebbar sitzt, wenn sich das Ventilelement (21) in einergeschlossenen Stellung befindet, wobei der zweite Abschnitt (35) gegen das Einlaßende (17) der Düse (11) sitzt (37), wenn das Ventilelement sich in der geschlossenen Stellung befindet, und wobei sich der dritte Abschnitt (39) verschiebbar durch das Gehäuse (3) gegenüber der Düse (11) erstreckt, wobei der Unterschied in den Querschnittsflächen zwischen dem zweiten (35) und dritten Abschnitt (39) die Einrichtung bildet, auf die die komprimierte Flüssigkeit die Öffnungskraft zum Antrieb des Ventilelements in die geöffnete Stellung ausübt, und wobei der erste Abschnitt (25) eine derartige Länge hat,

daß der erste Abschnitt (25) bei der Bewegung des Ventilelements (21) in Richtung auf die offene Stellung weiterhin die Freigabe der Flüssigkeit in den Düsendurchgang (13) blockiert, bis das Ventilelement (21) auf eine Geschwindigkeit beschleunigt hat, die den Düsendurchgang mit dieser raschen Geschwindigkeit öffnet, wenn der erste Abschnitt (25) den Düsendurchgang (13) freigibt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

* daß die Vorspanneinrichtung (23) außerhalb der geschlossenen Kammer (5) mit dem Gehäuse (3) verbunden ist und die Vorspannkraft auf den dritten Abschnitt (39) des Ventilelements (21) aufbringt, der sich durch das Gehäuse (3)

erstreckt.
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10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der Vorspanneinrichtung (23) eine Einrichtung (75, 79J zum Abbremsen des Ventilelements (21)

vorgesehen ist, wenn es die geöffnete Stellung erreicht. 20

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Bremseinrichtung eine Einrichtung (81, 87, 77) gehört, die die Flüssigkeit innerhalb der geschlossenen

Kammer zum Abbremsen des Ventilelements (21) ausnutzt. 25

12. Vorrichtung nacjih Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremseinrichtung ein eine Ausnehmung (79) bildendes Element, das mit dem Gehäuse (3) im Innern der geschlossenen Kammer (5) verbunden ist, und einen von dem Ventilelement (21) gehaltenen Tauchkolben (75) aufweist, der bei Annäherung des Ventilelements (21) zu der geöffneten Stellung in die Ausnehmung zur Schaffung einer Dämpfung beim Auspressen der in der geschlossenen Kammer befindlichen Flüssigkeit aus der Ausnehmung durch einen begrenzten ° Zwischenraum zwischen dem Tauchkolben und den Wandungen der Ausnehmung eintritt.

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13. Vorrichtung ,nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (79) und der Tauchkolben (75) so ausgebildet und dimensioniert sind, daß bei Eintritt des Tauchkolbens in die Ausnehmung der begrenzte Zwischenraum zwischen dem Tauchkolben und den Wandungen der Ausnehmung zur Schaffung einer ansteigenden Bremskraft auf das Ventilelement zunehmend enger wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dichtung (65) in dem Gehäuse (3) vorgesehen ist, durch die der sich durch das Gehäuse erstreckende dritte Abschnitt (39) des Ventilelements (21) verschiebbar ist, und daß die Ausnehmung der Bremseinrichtung eine ringförmige Ausnehmung (79) ist, die die Dichtung umgibt, und daß der Tauchkolben ein napfförmiges Element (73) ist, daß axial auf dem Ventilelement (21) angebracht ist, wobei zur Vermeidung des Hineindrückens von Flüssigkeit in die Dichtung (65) der Boden des napfförmigen Elements (73) mit wenigstens einem Kanal (77) zum Durchtritt von Flüssigkeit beim Eintreten des napfförmigen Elements in die ringförmige Ausnehmung (79) versehen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse eine den vorderen Abschnitt jeder Flüssigkeitsmenge unter Verwendung der kinetischen Energie der Menge weiter beschleunigende Sammeldüse (11) ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Vakuum in der Sammeldüse (11) nach Beschleunigung des vorderen Abschnitts jeder Flüssigkeitsmenge belüftende Einrichtung (89) vorgesehen ist.

■ 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Belüftungseinrichtung einen Kanal (89) aufweist, der sich axial durch das Ventilelement (21) erstreckt und sowohl mit dem Düsendurchgang (13) durch den ersten Abschnitt (25) des Ventilelements (21) als auch einer Gas-

DEUTSCHLAND

© BUNDESREPUBLIK © OffΘΓΐΙθθΙΙΓ^ββΟΐΐΙΊίt

Aktenzeichen: P 33 43 555.3

Anmeldetag: 1.12.83

Offenlegungstag: 7. 6.

DEUTSCHES PATENTAMT

(§) Int. Cl. 3_:

B 05 B 1/08

B 26 F 3/00 B 26 F 1/26 B 28 D 1/00

@ Unionspriorität: @ @ Qi)
06.12.82 US 447000

(7Ϊ) Anmelder:

Dravo Corp., 15222 Pittsburgh, Pa., US

@ Vertreter:

Koepsell, H., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 5000 Köln

Erfinder: Pater, Larry Lamann, 16063 Zelienople, Pa., US; Briggs, Aubrey Charles, 15106 Carnegie, Pa., US

Behördeneigentüth

ι Verfahren und Vorrichtung zur Beschleunigung von Flüssigkeitsmengen

Einzelne bestimmte Flüssigkeitsmengen werden unter Aussetzung der durch Komprimieren der Flüssigkeit gespeicherten Energie auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Die Flüssigkeit wird zur Vornahme der Kompression in ein bereits mit Flüssigkeit gefülltes Druckgefäß (5) gepreßt. Aufgrund der in der komprimierten Flüssigkeit gespeicherten Energie wird eine bestimmte Flüssigkeitsmenge aus dem Druckgefäß in eine Sammeldüse (11) ausgestoßen, wenn ein Ventil (21, 27) rasch geöffnet wird. Das Ventil wird geöffnet, wenn eine durch die komprimierte Flüssigkeit erzeugte Öffnungskraft eine schließende Vorspannung übersteigt. Durch wiederholtes Einführen von Hochdruckflüssigkeit in das Druckgefäß nimmt das Ventil automatisch Arbeitsspiele vor, um eine Folge von pulsierenden Flüssigkeitsstrahlen zu erzeugen. Das rasche Öffnen des Ventils wird über einen Ansatz (25) an dem Ventilelement (21) unterstützt, der dichtend innerhalb des Durchgangs (27) der Sammeldüse (11) gleitet, um die Freigabe der Flüssigkeit so lange zu blockieren, bis das Ventilelement ausreichend beschleunigt, damit die benötigte Öffnungsgeschwindigkeit erreicht wird, wenn der Ansatz den Düsendurchgang freigibt.

ORIGINAL INSPECTED BUNDESDRÜCKEREI 04.84 408 023/565

12/60

DIPL-ING. HELMUT KOEPSELL

PATENTANWALT

DRAVO CORPORATION

D-5OQ0 KÖLN 1 ^:

Milloltilraßü 7

Tululon (02 21) 21 94 23 Telügrammadruaeo: Koopsullpalont Köln Telex: ΒΘ85 519

Da/201

Verfahren und Vorrichtung zur Beschleunigung von Flüssigkeitsmengen

Ansprüche

^fl.l Vorrichtung zur Beschleunigung einer Flüssigkeitsmenge, gekennzeichnet durch

ein Gehäuse (3), das eine geschlossene Kammer (5) für Druckflüssigkeit bildet; j

eine Einrichtung (9), die Flüssigkeit in die geschlossene Kammer (5) unter Druck zum Komprimieren der Flüssigkeit in der Kammer (5) einführt und dadurch Energie und Hasse in der geschlossenen Kammer speichert; j

eine Düse (11), die mit demi Gehäuse (3) verbunden ist und einen durchlaufenden Durchgang (13) mit einem Einlaß (17, 27) besitzt, der mit der durch das Gehäuse (3) gebildeten geschlossenen Kammer (5) und einem Ausgang (15) kommunizier^; und

eine Ventileinrichtung (21; 25\ 35, 37), die wahlweise den Düsendurchgang (13; 17, 27) bezüglich der geschlossenen Kammer (5) abdichtet und die zur Freigabe einer !Flüssigkeitsmenge aus der .geschlossenen Kammer in den Düsendurchgang mittels der in der komprimierten Flüssigkeit gespeicherten Energie aus einer geschlossenen in eine offene und wieder in eine geschlossene Stellung betätigbar ist, wobei die Öffnungsgeschwindigkeit der Ventileinrichtung rasch genug ist, daß die Ventileinrichtung in geringerer Zeit vollständig geöffnet ist als der vordere Rand der Flüssigkeitsmenge zum Erreichen des Düsenausgangs (15) benötigt.

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quelle außerhalb des Gehäuses (3) durch den dritten Abschnitt (39) des Ventilelements kommuniziert, wobei das Gas einen ausreichenden Druck zum Belüften des Vakuums in dem Düsendurchgang (13) und zum Ausräumen wirklich aller Flüssigkeit aus dem Düsendurchgang vor dem Einspritzen der nächsten Flüssigkeitsmenge in den Düsendurchgang besitzt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Führungseinrichtung (31) vorgesehen ist, die axial an dem ersten Abschnitt (25) des Ventilelements (21) angebracht ist und die zur Aufrechterhaltung der Ausrichtung des Ventilelements (21) mit dem Düsendurchgang während der Entfernung des ersten Abschnitts des Ventilelements bei der Bewegung des Ventilelements in die offene Stellung innerhalb des Düsendurchgangs (27) verschiebbar ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die geschlossene Kammer (5) bildende Gehäuse (3) aus einem Material besteht, das durch den über die komprimierte Flüssigkeit in der Kammer ausgeübten Druck zum Speichern zusätzlicher Energie, die für den Antrieb der Flüssigkeitsmenge aus der Kammer in den Düsendurchgang (13) beim Öffnen der Ventileinrichtung (21) verfügbar ist, elastisch verformbar ist.

20. Verfahren zur Beschleunigung von Flüssigkeitsmengen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Einführen eines Flüssigkeitsvolumens unter Druck in einen bereits mit Flüssigkeit gefüllten geschlossenen Behälter zur Kompression der Flüssigkeit innerhalb des Behälters und damit zur Speicherung von Energie; und rasches Freigeben einer Flüssigkeitsmenge aus dem Behälter, indem die in der komprimierten Flüssigkeit gespeicherte Energie dazu verwendet wird, die Flüssigkeitsmenge aus dem Container mit einer hohen Geschwindigkeit zu treiben.

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21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Flüssigkeit an dem vorderen Rand der Flüssigkeitsmenge weiter erhöht wird, in-dem diese Menge aus dem Behälter in eine Sammeldüse freigegeben wird.

22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß wiederholt zusätzliche Flüssigkeit in den geschlossenen Behälter unter Druck eingeführt wird, um Flüssigkeit innerhalb des Behälters zu komprimieren und dadurch Energie zu speichern und rasch aus dem Behälter eine Flüssigkeitsmenge mit hoher Geschwindigkeit unter Verwendung der gespeicherten Energie der komprimierten Flüssigkeit freizugeben.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsmengen aus dem geschlossenen Behälter freigegeben werden, wenn der Druck in dem Behälter einen voreingestellten Wert erreicht, welcher einem vorgewählten Niveau der gespeicherten Energie in der komprimierten Flüssigkeit entspricht.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet,

daß der Durchsatz an zusätzlicher Flüssigkeit in den geschlossenen Behälter zur Regulierung der Rate, mit der Flüssigkeitstropfen aus dem Behälter freigegeben werden, gesteuert wird.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Flüssigkeit an dem vorderen Rand der Flüssigkeitsmenge weiter erhöht wird, in dem diese Menge aus dem Behälter in eine Sammeldüse freigegeben wird.

26. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt, bei dem ein Flüssigkeitsvolumen unter Druck .in einen geschlossenen Behälter zum Komprimieren

der Flüssigkeit und dadurch zum Speichern von Energie eingeführt wird, das Einführen der Flüssigkeit in den Behälter mit einem Druck gehört, der eine elastische Verformung des Behälters und das Speichern zusätzlicher wiedergewinnbarer

BAD ORIGINAL . * .

Energie zum Antrieb der Flüssigkeitsmenge aus dem Behälter verursacht.

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