DE3630477C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein hydraulisches Impulsgerät der im Oberbegriff des Anspruchs angegebenen Art.

Die Erfindung kann im Erzbergbau und Wasserbau zum Zerstören von Gesteinen mittels pulsierender Hochdruck­ strahlen sowie in der Energiewirtschaft zum Reinigen wärme­ energetischer Elemente von Kesselanlagen von Kraftwerken verwendet werden.

Bekannt ist ein hydraulisches Impulsgerät, das einen gasbelasteten Druckflüssigkeitsspeicher enthält, welcher an einer Zuleitung angebracht und über eine Rohrleitung mit einem Schwingungserzeuger verbunden ist. Der Schwin­ gungserzeuger enthält ein Gehäuse, in dem ein hohler Kol­ ben, der in demselben Auslaßschließ- und -öffnungskammern bildet sowie Nieder- und Hochdruckkammern und eine Steuer­ vorrichtung zur Steuerung der Bewegung des hohlen Kolbens untergebracht sind, die in Gestalt eines Windkessels mit einer zwei Hohlräume bildenden Trennmembran und einem Stützgitter ausgeführt ist. Einer der Hohlräume ist mit einem Druckgas gefüllt, während der andere die Hochdruck­ kammer mit der Auslaßöffnungskammer und über ein Ventil mit der Atmosphäre verbindet. Hierbei sind sämtliche Wind­ kesselelemente ringförmig ausgeführt und rund um das zy­ lindrische Gehäuse des Schwingungserzeugers angeordnet. Die Niederdruckkammer ist mit einem Auslaßstutzen die Hochdruck­ kammer aber mit einem Arbeitsaufsatz und einer Rohrleitung verbunden, die den gasbelasteten Druckflüssigkeitsspeicher und den Schwingungserzeuger verbindet (SU-ES 5 94 322).

Die Wirkungsweise des hydraulischen Impulsgerätes be­ ruht auf der Beschleunigung der in der Rohrleitung zwischen dem gasbelasteten Druckflüssigkeitsspeicher und dem Schwin­ gungserzeuger enthaltenen Flüssigkeit durch den Auslaß­ aufsatz hindurch und auf dem nachfolgenden Abbremsen des Flüssigkeitsstromes vor dem Arbeitsaufsatz desselben.

Für diese Einrichtung ist eine unzureichende Zerstö­ rungsfähigkeit des Flüssigkeitsstrahls charakteristisch, die mit der verzögerten Bildung der Vorderflanke von Hoch­ druckimpulsen zusammenhängt, die nicht ein schlagartiges Anlegen einer Belastung an den Abbaustoß, sondern eine stetige Beanspruchung zur Folge hat. Dies erklärt sich dadurch, daß die Auslaßschließkammer mit dem Innenraum des hohlen Kolbens des Schwingungserzeugers und dem Rohrlei­ tungsinnenraum verbunden ist. Der Druck in derselben nimmt mit der Ankunft einer Niederdruckwelle allmählich zu und ist seinem Betrag nach viel geringer als der zugeleitete Druck. Das Druckgefälle am hohlen Kolben ist dem atmosphärischen Druck und dem unter dem zugeleiteten Druck liegenden Druck gleich. Unter der Wirkung dieses Druckgefälles verschiebt sich der hohle Kolben recht langsam zum Sitz in der Nie­ derdruckkammer, wobei er den zum Auslaßstutzen fließenden Strom absperrt und ihn zum Arbeitsaufsatz lenkt. Die Im­ pulsvorderflanke ist langgezogen. Das alles setzt die Ef­ fektivität des hydraulischen Abbaus insgesamt herab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hy­ dropulsator zu schaffen, in dem eine steile Vorderflanke des hydraulischen Impulses zum Zerstören von Gesteinen mit ausreichender Effektivität des hydraulischen Ab­ baus dank einer Verbesserung des Schwingungserzeugers erzielt wird.

Die gestellte Aufgabe ist bei einer Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs angegebenen Art mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs angegebenen Merkmalen gelöst.

Auf diese Weise gewährleistet es die erfindungsgemäße Einrichtung, daß dank dem Verbinden der Auslaßschließkam­ mer mit der Zuleitung und über das Steuerventil mit der Atmosphäre eine schlagartige Änderung des Druckgefälles zwischen den Auslaßöffnungs- und -schließkammern, d. h. am Kolben, erzielt wird.

Die Funktion des Hydropulsators im Eigenschwingungs­ zustand ist durch das Vorhandensein von zwei Druckschwan­ kungsphasen gekennzeichnet. In der niedrigen Schwankungs­ phase ist der Druck im System niedriger als der zugeleite­ te, und das Druckgefälle in den Auslaßöffnungs- und Auslaß­ schließkammern ist der Druckdifferenz zwischen dem atmosphä­ rischen und dem zugeleiteten Druck gleich. Dies gewährleistet in der niedrigen Schwankungsphase ein rasches Überführen des hohlen Kolbens vom Sitz der Hochdruckkammer bis zur Anlage am Sitz auf der Seite der Rohrleitung und der Nieder­ druckkammer, was eine steile Impulsvorderflanke zur Folge hat und als Folge davon zur Erhöhung der Schlagstärke des erzeugten Hochdruckstrahls gegen das Hindernis führt. In der hohen Schwankungsphase ist der Druck im System höher als der zugeleitete, und das Druckgefälle in den Auslaß­ öffnungs- und Auslaßschließkammern ist der Druckdifferenz zwischen dem höher als der zugeleitete liegenden Druck und dem zugeleiteten Druck gleich. Dadurch wird ein unnötiges Verweilen des hohlen Kolbens am Sitz auf der Seite der Rohr­ leitung und der Niederdruckkammer vermieden und ein zusätz­ licher unproduktiver Durchlauf der erzeugten Wellen in der Rohrleitung verhindert, bei dem der Arbeitsaufsatz entweder einige Zyklen lang gesperrt ist oder durch denselben hin­ durch das unter einem dem zugeleiteten Druck nahekommenden Druck stehende Wasser ausfließt. Dadurch wird die Funktions­ zuverlässigkeit des Steuersystems, der Wirkungsgrad und die Effektivität der hydraulischen Gewinnung erhöht.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der die Gesamtansicht des er­ findungsgemäßen hydraulischen Impulsgerätes im Schnitt dar­ gestellt ist.

Der Hydropulsator enthält einen gasbelasteten Druck­ flüssigkeitsspeicher 1, der an einer Zuleitung 2 angebracht und über eine Rohrleitung 3 mit einem Schwingungserzeuger 4 verbunden ist. Der Schwingungserzeuger 4 hat ein Ge­ häuse 5, in dessen Innerem in Führungen 6 und 7 ein hohler Kolben 8 angeordnet ist, der eine hohle Kolbenstange 9 und Dichtringe 10 enthält. Der hohle Kolben 8 bildet gemeinsam mit den Führungen 6, 7 und dem Gehäuse 5 eine Hochdruck­ kammer 11 und eine Niederdruckkammer 12 sowie eine Auslaß­ öffnungskammer 13 und eine Auslaßschließkammer 14, d. h. die Kammern, in denen Kräfte erzeugt werden, die die Verschie­ bung des hohlen Kolbens 8 jeweils zum Öffnen bzw. Schließen des Wasserzutritts aus der Rohrleitung 3 zu einem Aus­ laßstutzen 15 bewirken. Die Auslaßschließkammer 14 steht über eine Bohrung 16 im Gehäuse 5 des Schwingungs­ erzeugers 4 mittels eines Rohres 17 mit der Zuleitung 2 und über eine Bohrung 18 mittels eines Ventils 19 unmit­ telbar mit der Atmosphäre in Verbindung. Daher ist der Flüssigkeitsdruck in der Kammer während der Funktion der Einrichtung in jedem beliebigen Zeitmoment dem Druck in der Zuleitung 2 gleich. Die Schwankungsgrenzen dieses Druckes liegen vom zugeleiteten (beim geschlossenen Ventil 19) bis zum atmosphärischen Druck (beim geöffneten Ven­ til 19). Die Hochdruckkammer 11 ist durch eine Trennwand 20, die die Funktion eines Sitzes 21 erfüllt und Fenster 22 auf­ weist, in eine Vorkammer 23 und eine Nachkammer 24 unter­ teilt, die unmittelbar mit einem Arbeitsaufsatz 25 verbun­ den ist. Außerdem steht die Auslaßöffnungskammer 13 mit der Vorkammer 23 vermittels einer Steuervorrichtung 26 zur Steuerung der Bewegung des hohlen Kolbens 8 über im Gehäuse 5 des Schwingungserzeugers 4 vorgesehene Bohrungen 27 und 28 in Verbindung. In der Vorkammer 23 und in der Nachkammer 24 schwankt der Druck während des Betriebes von einem be­ trächtlich über dem zugeleiteten liegenden Druck bis zum atmosphärischen Druck, in der Niederdruckkammer 12 aber von einem beträchtlich tief unter dem zugeleiteten liegenden Druck bis zum atmosphärischen Druck. Im Gehäuse 5 des Schwingungserzeugers 4 ist auf der Seite der Rohrleitung 3 und der Niederdruckkammer 12 ein Sitz 29 ausgeführt, und die hohle Kolbenstange 9 des hohlen Kolbens 8 besitzt zu­ sätzlich ein Ventil 30. Zur Steuervorrichtung 26 zur Steuerung der Bewegung des hohlen Kolbens 8 gehört das Ventil 19.

Der Hydropulsator arbeitet auf die folgende Weise.

Bei geöffnetem Ventil 19 gelangt aus der Zuleitung 2 ankommendes Wasser, indem es durch den gasbelasteten Druck­ flüssigkeitsspeicher 1 und die Rohrleitung 3 strömt, in den Schwingungserzeuger 4. Hierbei wird die Auslaßschließ­ kammer 14 mit dem aus der Zuleitung 2 über das Rohr 17 kom­ menden Wasser gefüllt und steht über die Bohrung 18 mit der Atmosphäre in Verbindung. Die Auslaßöffnungskammer 13 wird mit dem aus der Vorkammer 23 über die Bohrung 27, die Steuervorrichtung 26 des hohlen Kolbens 8 und die Bohrung 28 kommenden Wasser gefüllt. Je nach der vorherigen Stel­ lung des hohlen Kolbens 8 verschiebt sich dieser Kolben 8 mit dem fortschreitenden Füllen der Auslaßöffnungskammer 13 bis zur Anlage am Sitz 21 und trennt den Arbeits­ aufsatz 25. Das Wasser fließt, indem es durch den zwischen dem hohlen Kolben 8 und dem Sitz 29 vorhandenen Spalt wei­ terfließt, durch den Stutzen 15 in die At­ mosphäre aus. Da der Flächeninhalt des Ventils 30 größer als der Flächeninhalt der überdeckten Stirnfläche der hoh­ len Kolbenstange 9 und im Innenraum des hohlen Kolbens 8 ein gleichmäßiger Druck herrscht, so hält die entstehende resultierende Kraft den Kolben 8 am Sitz 21 fest.

In den Eigenschwingungszustand wird das hydraulische Impulsgerät durch Schließen des Ventils 19 übergeführt. Hierbei wird der Druck in der Auslaßschließkammer 14 dem zugeleiteten, in der Auslaßöffnungskammer 13 aber dem atmos­ phärischen gleich. Unter der Wirkung der Druckdifferenz am hohlen Kolben 8 seitens der Kammern 13 und 14 verschiebt sich der hohle Kolben 8 vom Sitz 21 bis zur Anlage am Sitz 29. Hierbei wird der Wasserzutritt aus der Rohrleitung 3 zum Arbeitsaufsatz 25 freigegeben und der Wasserzutritt zum Aus­ laßstutzen 15 unterbunden, so daß Wasser aus der Rohrlei­ tung 3, indem es den Sitz 29, den hohlen Kolben 8, den Spalt zwischen dem hohlen Kolben 8 und dem Sitz 21, die Vorkammer 23 passiert, über die in der Trennwand 20 vorhan­ denen Fenster 22 in die Nachkammer 24 und aus dieser zum Arbeitsaufsatz 25 und an das Zerstörungsobjekt gelangt. Der Widerstand des Systems nimmt deshalb zu, weil der Durchmesser des Arbeitsaufsatzes 25 kleiner als der Durch­ messer des Auslaßstutzens 15 ist. Dies führt einen Wasser­ schlag herbei, der von einem Druckanstieg im hydraulischen Impulsgerät begleitet wird. Die niedrige Druckschwankungs­ phase geht zu Ende und eine hohe Phase setzt ein. Über die Rohrleitung 3 pflanzt sich in Richtung des gasbelasteten Druckflüssigkeitsspeichers 1 und über die Steuervorrichtung 26 zur Steuerung der Bewegung des hohlen Kolbens 8 in Rich­ tung der Auslaßöffnungskammer 13 eine Welle eines (gegen­ über dem zugeleiteten) höheren Druckes fort. Unter demselben Druck fließt Wasser durch den Arbeitsaufsatz 25 aus. Also wird während der hohen Phase in der Hochdruckkammer 11, d. h. der Vorkammer 23 und der Nachkammer 24, und vor dem Arbeitsaufsatz 25 erhöhter Druck weiter bestehen. Hierbei wird sich der Druck in der Auslaßöffnungskammer 13 vom atmosphärischen Druck bis zu einem erhöhten ändern, wäh­ rend er in der Auslaßschließkammer 14 dem zugeleiteten in der Niederdruckkammer 12 aber dem atmosphärischen Druck gleich sein wird. Wenn die Welle des erhöhten Druckes, über die Rohrleitung 3 kommend, den gasbelasteten Druck­ flüssigkeitsspeicher 1 erreicht und durch die Welle des zu­ geleiteten Druckes von diesem reflektiert wird, hat die über die Steuervorrichtung 26 kommende Welle die Auslaßöff­ nungskammer 13 noch nicht erreicht und Wirkung erzeugt.

Zum Zeitpunkt der Ankunft der vom gasbelasteten Druckflüssigkeitsspeicher 1 reflektierten Welle des zuge­ leiteten Druckes beim Schwingungserzeuger 4 erreicht aber die über die Steuervorrichtung 26 kommende Welle des er­ höhten Druckes die Auslaßöffnungskammer 13, und der Druck in derselben steigt vom atmosphärischen bis zum erhöhten an. Infolge der Druckdifferenz in den Kammern 13 und 14 ver­ schiebt sich der hohle Kolben 8 vom Sitz 29 bis zur Anla­ ge am Sitz 21. Dadurch wird nun der Wasserzutritt aus der Rohr­ leitung 3 in die Vorkammer 23 sowie über die in der Trenn­ wand 20 vorhandenen Fenster 22 in die Nachkammer 24 zum Arbeitsaufsatz 25 unterbunden, dafür aber der Wasserzutritt zur Niederdruckkammer 12 und zum Auslaßstutzen 15 freigegeben. Als Folge davon nimmt der Widerstand im hydraulischen Im­ pulsgerät ab, wodurch in der Zone des Schwingungserzeugers 4 ein Wasserschlag entsteht, der von einer Druckabnahme begleitet wird. Die Hochdruckphase geht zu En­ de, und eine niedrige Phase setzt ein. Über die Rohrleitung 3 läuft in Richtung des gasbelasteten Druckflüssigkeits­ speichers 1 eine Druckwelle mit einem (gegenüber dem zuge­ leiteten) niedrigeren Druck, über die Steuervorrichtung 26 aber läuft in Richtung der Auslaßöffnungskammer 13 eine Druckwelle mit einem dem atmosphärischen nahekommenden Druck. Also ist der Druck in der Hochdruckkammer 11 im Einsatz­ moment und im Verlauf der gesamten niedrigen Phase dem atmosphärischen, in der Auslaßschließkammer 14 aber dem zugeleiteten Druck nah, während der Druck in der Nieder­ druckkammer 12 erniedrigt, in der Auslaßöffnungskammer 13 aber erhöht und gegen Ende der niedrigen Phase dem at­ mosphärischen Druck gleich ist.

Wenn die Welle des niedrigeren Druckes den gasbela­ steten Druckflüssigkeitsspeicher 1 erreicht und durch eine Welle des zugeleiteten Druckes von diesem reflektiert wird, hat die über die Steuervorrichtung 26 zur Steuerung der Bewegung des hohlen Kolbens 8 laufende Welle des atmo­ sphärischen Druckes die Auslaßöffnungskammer 13 noch nicht erreicht und der Druck in derselben bleibt erhöht. In dem Augenblick, da die vom gasbelasteten Druckflüssigkeitsspeicher 1 reflek­ tierte Welle des zugeleiteten Druckes den Schwingungser­ zeuger 4 erreicht, läuft die Welle des atmosphärischen Druckes durch die Steuervorrichtung 26 zur Steuerung der Bewegung des hohlen Kolbens 8 hindurch und erreicht die Auslaßöffnungskammer 13, in der der Druck vom erhöhten bis auf den atmosphärischen abnimmt. Infolgedessen baut sich eine Druckdifferenz in den Kammern 13 und 14 am hohlen Kol­ ben 8 auf, wodurch dieser bis zur Anlage am Sitz 29 ver­ schoben wird. Der Wasserzutritt aus der Rohrleitung 3 in die Niederdruckkammer 12 und dem Auslaßstutzen 15 hört auf, der Wasserzutritt in die Hochruckkammer 11 und zum Ar­ beitsaufsatz 25 aber wird freigegeben. Der Widerstand im hydraulischen Impulsgerät nimmt zu, was zur in der Zone des Schwingungserzeugers 4 erfolgenden Entstehung eines Wasser­ schlags führt, der von einem Druckanstieg begleitet wird. Die niedrige Druckschwankungsphase geht zu Ende, und eine hohe Phase setzt erneut ein. Der Arbeitsvorgang wiederholt sich. Das hydrauliche Impulsgerät gerät in einen sta­ bilen Eigenschwingungsresonanzzustand, der durch zeitgleiche niedrige und hohe Phasen gekennzeichnet ist.

Zur Beendigung des Eigen­ schwingungszustands braucht nur das Ventil 19 geöffnet zu werden.

Die beschriebene Ausführung der erfindungsgemäßen Ein­ richtung gewährleistet eine Erhöhung der Zerstörungseffek­ tivität von Gesteinen dank der Ausbildung einer steilen Impulsvorderflanke, Erzielung einer höheren Strahlschlag­ stärke und einer zuverlässigeren Funktion der Steuervor­ richtung zur Steuerung der Bewegung des hohlen Kolbens, Stei­ gerung der Druckpulsationshäufigkeit bis auf die Resonanz­ frequenz und Erhöhung des Wirkungsgrades.

Claims (1)

1. Hydraulisches Impulgerät, das einen gasbelasteten Druckflüssigkeitsspeicher (1) enthält, welcher mit einer Zuleitung (2) verbunden ist und über eine Rohrleitung (3) mit einem Schwingungserzeuger (4) in Verbindung steht, der ein Gehäuse (5) besitzt, in dem ein hohler Kolben (8) untergebracht ist, der im Gehäuse (5) eine Auslaßöffnungs­ kammer (13) und eine Auslaßschließkammer (14) bildet, und in dem eine Niederdruckkammer (12) mit einem Auslaß­ stutzen (15) sowie eine Hochdruckkammer (11) gebildet sind, die mit einem Arbeitsaufsatz (25) in Ver­ bindung steht, und welcher Schwingungserzeuger (4) eine Steuervorrichtung (26) zur Steu­ erung der Bewegung des hohlen Kolbens (8) besitzt, welche die Hoch­ druckkammer (11) mit der Auslaßöffnungskammer (13) in Ver­ bindung setzt und ein Ventil (19) besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßschließkam­ mer (14) vom inneren Hohlraum des hohlen Kolbens (8) iso­ liert und mit der Zuleitung (2) verbunden ist sowie über das Ventil (19) der Steuervorrichtung (26) zur Steuerung der Bewegung des hohlen Kolbens (8) mit der Atmosphäre in Verbindung steht.