DE3433745C2

DE3433745C2 - Vorrichtung zum Bearbeiten von Material mit einem Flüssigkeitsstrahl hoher Geschwindigkeit

Info

Publication number: DE3433745C2
Application number: DE19843433745
Authority: DE
Inventors: Edmond Dipl.-Ing. 4650 Gelsenkirchen Tuttaß
Original assignee: Ruhrkohle AG
Current assignee: RAG AG
Priority date: 1984-09-14
Filing date: 1984-09-14
Publication date: 1987-01-08
Also published as: DE3433745A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Schneiden oder Reinigen von Materialien durch Bündelung und Beschleunigung eines Wasserstrahls ist wirtschaftlich mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten zu betreiben, wobei der Austrittsdüse ein doppelwandiges Beschleunigungsrohr nachgeordnet ist, dessen Innenrohr den Wasserstrahl und dessen Außenrohr ein mit höherer Geschwindigkeit strömendes Gas aufnimmt. Die Wandung des Innenrohrs ist gasdurchlässig ausgebildet, so daß über Reibung einer wesentlich höhere Strömungsgeschwindigkeit zur Beschleunigung des Wasserstrahls ausgenutzt werden kann. Darüber hinaus sind über die Länge des Innenrohres verteilt Beschleunigungsdüsen anzuordnen, die immer wieder frische Druckluft mit hoher Strömungsgeschwindigkeit an den Wasserstrahl heranführen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten, beispielsweise Schneiden oder Reinigen, von Material, beispielsweise Gestein, mit einem beschleunigten Flüssigkeitsstrahl hoher Geschwindigkeit, mit einer Flüssigkeitszufuhr und einer, den Flüssigkeitsstrahl hoher Geschwindigkeit formenden doppelwandigen Austrittsöffnung.
Hochgespanntes Wasser wird sowohl eingesetzt, um verschmutztes Material vom Schmutz zu befreien oder auch vom Rost oder aber, um Material, wie beispielsweise Gestein, zu zerkleinern oder gar zu zerschneiden. Um die Bohrarbeit beispielsweise von Vortriebsmaschinen zu unterstützen, ist es bekannt ("Glückauf" 116 (1980), Nr. 21, S. 1113-1117; Berg- u. Hüttenmännische Monatshefte 1982, S. 140-143; Mitgliederzeitschrift "Führungskraft", S. 8-18), hochgespanntes Wasser auf das Gestein zu schießen, wobei Wasserdrücke bis 3250 bar erreicht werden. Mit einem derartigen Wasserstrahl ist es möglich, bis zu 4 mm und mehr tiefe Kerben in das Gestein zu schneiden, die dann anschließend von den Zerkleinerungswerkzeugen der Bohrköpfe erweitert werden. Nachteilig dabei ist, daß hohe hydraulische Strömungsgeschwindigkeiten nur durch ein sehr großes Druckgefälle erreichbar sind. Gase dagegen können durch einfache Düsen und Überdrücke von 1 bar und etwas mehr auf sehr große Strömungsgeschwindigkeiten gebracht werden. Dagegen ist es schon bei den bisher üblichen Strömungsgeschwindigkeiten von hydraulischen Medien notwendig, erhebliche Apparaturen zum Einsatz zu bringen, die dann häufig zur Unwirtschaftlichkeit des gesamten Verfahrens führen.
Aus der GB-A 20 95 722 ist eine Strahldüse für zähflüssige wäßrige Lösungen bekannt, wobei diese aus dem Innenrohr ausströmenden Lösungen über einen koaxial austretenden Wasserstrahl nach ihrem Austritt beschleunigt werden, um dann Trenn- und Reinigungsarbeiten verrichten zu können.
Weiter ist es aus der Zeitschrift "The Mining Engineer", 1983, S. 611-613, bekannt, schnellfließende hydraulische Medien für die verschiedenstens Arbeiten einzusetzen und die dafür notwendigen Geschwindigkeiten und Drücke vorzugeben. Hinweise, wie die für das Schneiden von Gestein notwendigen hohen Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden können, sind bisher über die rein mechanisch erreichbaren Geschwindigkeiten nicht bekannt. Insbesondere die Lösung nach der GB-A 20 95 722 läßt, da dort nur mit hydraulischen Medien gearbeitet wird, allenfalls die bereits weiter oben erläuterten Strömungsgeschwindigkeiten erreichen bzw. in der Regel nicht einmal, weil das zu beschleunigende Medium aufgrund seiner Zusammensetzung nicht auf die gleiche Geschwindigkeit gebracht werden kann, wie der koaxial zugeordnete Wasserstrahl.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine im Aufbau einfache Vorrichtung, insbesondere auch zum Schneiden oder Reinigen von Gestein geeignete Vorrichtung zu schaffen, die die Beschleunigung der hydraulischen Medien über die bisher erreichten Strömungsgeschwindigkeiten hinaus ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Austrittsöffnung aus der Austrittsdüse und einem nachgeschalteten Beschleunigungsrohr besteht, dessen Innenrohr den Flüssigkeitsstrahl und dessen Außenrohr ein mit höherer Geschwindigkeit in gleiche Richtung strömendes Gas aufnimmt, wobei die Wandung des Innenrohres gasdurchlässig ausgebildet ist.
Mit einer derartigen Vorrichtung ist es möglich, die Strömungsgeschwindigkeit des hydraulischen Mediums ohne großen apparativen Aufwand so zu erhöhen und zu variieren, daß damit sowohl Reinigungsarbeiten wie auch Schneidearbeiten ausgeführt werden können. Dabei wird der Wasserstrahl bzw. das hydraulische Medium wie bisher üblich von einer Austrittsdüse auf eine bestimmte Mindestgeschwindigkeit gebracht, um dann im Innenrohr des Beschleunigungsrohres über eine bestimmte Wegstrecke geführt und dabei in Kontakt mit dem wesentlich schneller strömenden Gas gebracht zu werden. Dies ist dadurch möglich, daß die Wandung des Innenrohres gasdurchlässig ist, so daß das schneller strömende Gas durch Reibung an dem Wasser eine entsprechend zusätzliche Geschwindigkeit aufgibt. Bei entsprechend langem Berührungsweg ist es letztlich möglich, dem Wasserstrahl annähernd die Strömungsgeschwindigkeit des Gases aufzugeben, so daß damit Wasserströmungsgeschwindigkeiten von 500 bis 1000 m/s und mehr möglich sind. Der dafür erforderliche apparative Aufwand ist gering, da es beispielsweise ausreicht, Druckluft mit dem Wasserstrahl in Verbindung zu bringen. Druckluft ist beispielsweise im untertägigen Bergbau überall vorhanden, so daß zusätzliche Investitionen nicht erforderlich sind. Eine Anpassung an den jeweiligen Einsatzfall ist dabei ohne weiteres und ohne großen Aufwand erreichbar, indem die Gasgeschwindigkeit entsprechend reduziert oder erhöht oder aber der Kontaktweg variiert wird.
Eine gezielte Reibung des Gasstromes am Wasserstrom wird nach einer Ausbildung der Erfindung dadurch erreicht, daß die Eintrittsöffnung für das schneller strömende Gas in Strömungsrichtung des Füssigkeitsstrahles weisend am oder im Außenrohr angeordnet ist. Weiter ist es möglich, die Eintrittsöffnung als Ring- oder Lochdüse auszubilden, um so mit dem gasförmigen Medium den gesamten Wasserstrahl zu erfassen und gleichmäßig zu beschleunigen. Dabei ist nicht nur vorteilhaft, daß der gesamte Wasserstrahl an seinem Umfang mit dem schneller strömenden Gas in Verbindung kommt, sondern auch, daß dieses über den gesamten Umfang des Wasserstrahles mit der jeweis gleichen Geschwindigkeit erfolgt. Damit ist eine insgesamt sichere Führung und Beschleunigung des Wasserstrahles gegeben.
Insbesondere bei Reinigungsarbeiten ist es von Vorteil, wenn der Austrittsdüse eine ein körniges Gut zuführende Ringdüse zugeordnet oder daß sie als Düse für körniges Gut ausgebildet ist.
Eine Führung des Wasserstrahles ohne Rückstau innerhalb des Innenrohres, auch dann, wenn über den langen Weg des Innenrohres gesehen Gas vom Wasser mitgerissen wird, ist erfindungsgemäß dadurch gewährleistet, daß die Spitze des Innenrohres zur Austrittsdüse sich konisch erweiternd und die Düsenmündung aufnehmend ausgebildet ist. Die notwendige Berührung zwischen dem schnell strömenden Gas und dem Wasserstrahl ist gewährleistet, indem das Innenrohr eine Gewebe- oder Vlieswandung aufweist oder indem das Innenrohr über die Länge verteilt Bohrungen aufweist, die in Strömungsrichtung des Wasserstrahls verlaufend angeordnet sind. Die Wandung aus Gewebe oder Vlies ist ausreichend, um das schnell strömende Wasser als Strahl zusammenzuhalten und um andererseits den Kontakt mit dem schnell strömenden Gas zu gewährleisten. Bei den Bohrungen wird ein Teil des Gases in das Wasser eindringen und diese zusätzlich mitreißen und damit beschleunigen.
Eine weitere Möglichkeit, den notwendigen Kontakt zwischen dem schnell strömenden Gas und dem Flüssigkeitsstrahl zu erreichen, ist die, dem Innenrohr über die Länge verteilt und dieses umgebend Beschleunigungsdüsen zuzuordnen. Diese Beschleunigungsdüsen sind kammerartig mit Lufteinlaß und -auslaß ausgebildet und über gemeinsame Kanäle untereinander und mit der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung verbunden. Derartige Beschleunigungsdüsen haben den Vorteil, daß über die Länge gesehen immer wieder neues, schnell strömendes Gas zugeführt werden kann, so daß bis zum Ende des Beschleunigungsrohres immer wieder Gas mit neuer Strömungsenergie auf den Wasserstrahl einwirkt.
Um den Strahl am Ende des Beschleunigungsrohres gut geformt austreten zu lassen, ist das Ende des Innenrohres erfindungsgemäß luft- und wasserundurchlässig mit parallel verlaufender Wandung ausgebildet. Hier wird der Wasserstrahl noch einmal unbeeinflußt von dem schnell strömenden Gas zusammengefaßt und tritt dann als scharf geformter bzw. scharfkantiger Wasserstrahl aus dem Beschleunigungsrohr aus und auf die zu bearbeitende Fläche auf. Als zweckmäßig ist anzusehen, daß das Außenrohr eine Länge von 1 m und einen Durchmesser von 24 mm und das Innenrohr von 8 mm aufweist.
Eine derartige Vorrichtung kann z. B. zum Schneiden von Metallen mit exakten dünnen Schneidschnitten, zum Schneiden von Gestein und Beton bis zu mehreren Metern Dicke, in Gesteinsstreckenvortrieben, für exakte Tiefbohrungen sowie auch für Kleingeräte, wie beispielsweise beim Zahnartz und für Reinigungsgeräte eingesetzt werden. Für mittlere Schneidstrahlgeschwindigkeiten genügt als Antrieb bzw. als Schneidmedium Druckluft bzw. Wasser in den üblichen Druckbereichen. Dabei ist als wesentlicher technischer Fortschritt zu vermerken, daß mit einfachen Mitteln ein wirksamer Schneidstrahl mit hoher Strömungsgeschwindigkeit erzeugt werden kann. Dieser Schneidstrahl kann für die oben geschilderten verschiedenen Einsatzzwecke verwendet werden, ohne daß mit hohen und damit besondere Sicherheitsvorkehrungen erfordernden Wasserdrücken gearbeitet wird. Auch das Hilfsmedium wird in einem Druckbereich verwendet, der besondere Sicherheitsvorkehrungen nicht erfordert. Damit ist es möglich, die Hochdruckwassertechnik weiter voranzutreiben und auch in Bereichen einzusetzen, wo sie bisher aus sicherheitstechnischen oder Kostengründen nicht eingesetzt werden konnte.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren weiter erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 ein Beschleunigungsrohr im Längsschnitt mit Innenrohr aus Gewebe oder Vlies,
Fig. 2 ein Beschleunigungsrohr im Längsschnitt mit stabiler Innenrohrwandung und Bohrungen und
Fig. 3 ein Beschleunigungsrohr mit über die Länge verteilt angeordneten Beschleunigungsdüsen.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Austrittsdüse 1 mit ihrer Düsenmündung 2 in ein Beschleunigungsrohr 4 so eingeführt, daß der Wasserstrahl 3 anschließend über die Länge des Beschleunigungsrohres 4 mittig des Rohres geführt ist. Die Düsenmündung ist daher durch das Außenrohr 5 hindurch bis in die konisch auslaufende Spitze 8 des Innenrohres 6 hineingeführt. Die Wandung 7 im Bereich der Spitze 8 ist aus stabilem Material, während im weiteren Verlauf eine Gewebe- oder Vlieswandung zum Einsatz kommt.
Über die Eintrittsöffnung 10 wird Druckluft oder ein ähnliches Gas mit hoher Geschwindigkeit in das Beschleunigungsrohr 4 eingeführt. Dieses Gas mit hoher Geschwindigkeit tritt einmal im Bereich der Spitze 8 mit dem Wasserstrahl 3 in Berührung und zum anderen über seine Länge gesehen, da das Gas durch die Vlieswandung hindurch auf den Wasserstrahl 3 einwirken kann.
Am Ende 22 des Innenrohres 6 ist dieses wieder aus stabilem Material, d. h. aus wasser- und luftundurchlässigem Material, um so einen scharfkantigen Wasserstrahl austreten zu lassen, der dann der vorgesehenen Anwendung entsprechend zum Schneiden oder Reinigen eingesetzt wird.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Innenrohr 6 ebenso wie das Außenrohr 5 eine stabile Wandung aufweist, im Bereich der Spitze 8 aber wiederum konisch und die Düsenmündung 2 umfassend ausgebildet ist. Über die Länge des Innenrohres 6 sind Bohrungen 12, 13 vorgesehen, durch die das durch die Eintrittsöffnung 10 einströmende Gas auf den Wasserstrahl einwirken kann. Sowohl an der Eintrittsöffnung 10 wie auch im Bereich der Wasserzuleitung 24 sind Ventile 21 bzw. 23 vorgesehen, um entweder den Wasserstrahl 3 oder die zugeführte Druckluft zu regulieren. Auch hier ist das Ende 22 des Innenrohres 6 glattwandig ausgebildet, um den gezielten genau fixierten Wasserstrahl zu gewährleisten. Die Bohrungen 13, 14 sind vorzugsweise in Strömungsrichtung des Wasserstrahls 3geneigt angeordnet, um so die Einwirkungsrichtung der Druckluft vorzugeben. Mit den Pfeilen ist angedeutet, wie die durch die Eintrittsöffnung 10 einströmende Druckluft bzw. das einströmende Gas strömt, um über die Länge des Beschleunigungsrohres 4 gesehen überall auf den Wasserstrahl 3 einwirken zu können. Überall sind die beschriebenen Bohrungen 12, 13, 14 auch über den Umfang des Innenrohres 6 verteilt vorgesehen.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Druckluft oder das Druckgas über die Eintrittsöffnung 10 in das Beschleunigungsrohr 4 eingeführt wird. Auch hier ist die Düsenmündung 2 der Austrittsdüse 1 bis in die konisch ausgebildete Spitze 8 des Innenrohres 6 hineingeführt.
Über die Länge des Beschleunigungsrohres 4 sind innerhalb des Außenrohres 5 mehrere Beschleunigungsdüsen 15, 16 vorgesehen, die alle in Strömungsrichtung des Wasserstrahls 3 geneigt sind. Schon der Lufteinlaß 17 ist so geneigt, daß die Beschleunigungsrichtung vorgegeben ist. Abweichend von den anderen Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 wird hier die Luft bzw. das Gas nach einem bestimmten Strömungsweg über den Luftauslaß 18 und den Kanal 20 und schließlich die Austrittsöffnung 11 abgeführt. Wie Fig. 2 zeigt, steht so durch den Kanal 19 herangeführte Druckluft abschnittsweise immer mit voller Strömungsenergie zur Verfügung, so daß eine gezielte Beschleunigung des Wasserstrahls möglich ist, wobei durch Ansteuerung der einzelnen Beschleunigungsdüsen 15, 16 der Beschleunigungswert zusätzlich variiert werden kann.

1 Austrittsdüse
2 Düsenmündung
3 Wasserstrahl
4 Beschleunigungsrohr
5 Außenrohr
6 Innenrohr
7 Wandung von 6
8 Spitze zu 6
10 Eintrittsöffnung
11 Austrittsöffnung
12 Bohrung
13 Bohrung
14 Bohrung
15 Beschleunigungsdüse
16 Beschleunigungsdüse
17 Lufteinlaß
18 Lufteinlaß
19 Kanal zu
20 Kanal aus
21 Ventil zu 20
22 Ende zu 6
23 Ventil zu 1
24 Wasserzuleitung

Claims

1. Vorrichtung zum Bearbeiten, beispielsweise Schneiden oder Reinigen, von Material, beispielsweise Gestein, mit einem beschleunigten Flüssigkeitsstrahl hoher Geschwindigkeit, mit einer Flüssigkeitszufuhr und einer den Flüssigkeitsstrahl hoher Geschwindigkeit formenden doppelwandigen Austrittsöffnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung aus der Austrittsdüse (3) und einem nachgeschalteten Beschleunigungsrohr (4) besteht, dessen Innenrohr (6) den Flüssigkeitsstrahl (3) und dessen Außenrohr (5) ein mit höherer Geschwindigkeit in gleicher Richtung strömendes Gas aufnimmt, wobei die Wandung (7) des Innenrohrs gasdurchlässig ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung (10) für das schneller strömende Gas in Strömungsrichtung des Flüssigkeitsstrahls (3) weisend am oder im Außenrohr (5) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung (10) als Ring- oder Lochdüse ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsdüse (3) eine ein körniges Gas zuführende Ringdüse angeordnet oder daß sie als Düse für körniges Gut ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (8) des Innenrohrs (6) zur Austrittsdüse (1) sich konisch erweiternd und die Düsenmündung (2) aufnehmend ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (6) eine Gewebe- oder Vließwandung aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (6) über die Länge verteilt Bohrungen (12, 13, 14) aufweist, die in Strömungsrichtung des Flüssigkeitsstrahls (3) verlaufend angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Innenrohr (6) über die Länge verteilt und dieses umgebend Beschleunigungsdüsen (15, 16) zugeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsdüsen (15, 16) kammerartig mit Lufteinlaß (17) und -auslaß (18) ausgebildet und über gemeinsame Kanäle (19, 20) untereinander und mit der Eintrittsöffnung (10) und der Austrittsöffnung (11) verbunden sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (22) des Innenrohres (6) luft- und wasserundurchlässig mit parallel verlaufender Wandung ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (5) eine Länge von 1 m und einen Durchmesser von 24 mm und das Innenrohr (6) von 8 mm aufweist.