DE3724864C1 - Hochdruckwasserstrahlgeraet mit pulsierendem Wasserstrahl - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochdruckwasserstrahl­ gerät zur Erzeugung pulsierender Wasserstrahlen, wie es zum Beispiel im Erzbergbau zur Zerstörung von Gestein, im Kohlebergbau zum Abbau von Kohleflözen, im Bauwesen zur Zerstörung von Beton oder in der Energiewirtschaft zur Reinigung verkrusteter Kesselrohre angewendet wird.

Aus dem SU-Erfinderschein 7 68 968 ist ein Hochdruckwas­ serstrahlgerät bekannt, in dem ein an eine Zuleitung angeschlossener gasbelasteter Druckspeicher über eine Rohrleitung mit einem Schwingungserzeuger in Verbindung steht. Eine Steuervorrichtung dient zur Steuerung der Bewegung eines Hohlkolbens des Schwingungserzeugers. Eine Austrittsdüse ist mit dem Schwingungserzeuger über eine Rohrleitung verbunden, deren Durchmesser um ein Drittel kleiner ist als der Durchmesser der Rohrleitung zwischen dem Schwingungserzeuger und dem Druckspeicher bei deren gleicher Länge.

Die Funktion dieses Gerätes beruht auf der Wasserbeschleu­ nigung in der Rohrleitung zwischen dem Schwingungserzeu­ ger und dem Druckspeicher durch die Austrittsdüse hin­ durch sowie auf einer zusätzlichen Wasserbeschleunigung in der Rohrleitung zwischen dem Schwingungserzeuger und der Austrittsdüse mit nachfolgendem Abbremsen des Stroms vor der Austrittsdüse.

Dieses Gerät erreicht keine hohen Drücke vor der Aus­ trittsdüse. Dadurch bleibt auch die Arbeitsleistung ge­ ring. Darüber hinaus treten infolge der Schwingungen der in der Rohrleitung zwischen dem Schwingungserzeuger und der Austrittsdüse eingeschlossenen Wassersäule auch auf den Hochdruckimpuls folgende Niederdruckphasen auf, während welcher energiearmes Waser ausströmt, welches keine zerstörende Einwirkung auf das Objekt ausübt, son­ dern dieses nur unnötigerweise überflutet, was in vie­ len Fällen äußerst unerwünscht ist.

Aus dem SU-Erfinderschein 11 02 956 ist weiterhin ein Hochdruckwasserstrahlgerät mit einem an eine Zuleitung angeschlossenen gasbelasteten Druckspeicher bekannt, der über eine Rohrleitung mit einem Hauptschwingungserzeuger in Verbindung steht. Eine Steuervorrichtung dient zur Be­ wegungssteuerung eines Hohlkolbens des Hauptschwingungs­ erzeugers. Ein zweiter Schwingungserzeuger ist vor der Austrittsdüse angeordnet und über eine Rohrleitung mit dem Hauptschwingungserzeuger in Verbindung gesetzt.

Die Funktion dieses Geräts beruht auf der Wasserbeschleu­ nigung zwischen dem Hauptschwingungserzeuger und dem Druckspeicher sowie zwischen dem Hauptschwingungserzeu­ ger und dem zweiten Schwingungserzeuger durch einen Aus­ laßstutzen. Hier wird ein höherer Druck der Strahlimpulse dank einer zusätzlichen Steigerung der Geschwindigkeit des Wasserstroms in der Rohrleitung zwischen dem Haupt­ schwingungserzeuger und dem zweiten Schwingungserzeuger beim Wasserauslaß durch den Aulaßstutzen erzielt.

Auch bei dieser Ausbildung bleibt jedoch die Strahl­ wirksamkeit gering, weil die vor der Austrittsdüse er­ zielbare Hochdruckamplitude bei einem gegebenen Verhält­ nis von Längen und Durchmessern der den Druckspeicher mit dem Hauptschwingungserzeuger und den Hauptschwin­ gungserzeuger mit dem zweiten Schwingungserzeuger ver­ bindenden Rohrleitungen begrenzt bleibt. Auch hier kommt es zu Schwingungen der in der Rohrleitung zwi­ chen dem Hauptschwingungserzeuger und dem zweiten Schwingungserzeuger eingeschlossenen Wassersäule, die auf den Hochdruckimpuls folgende Niederdruckphasen be­ wirken, während welcher energiearmes Wasser ausströmt, ohne eine zerstörende Wirkung auf das Objekt auszuüben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hochdruck­ wasserstrahlgerät zu schaffen, mit dem besonders ener­ giereiche pulsierende Wasserstrahlen erzeugt werden, die eine hohe Zerstörungswirksamkeit entfalten.

Ausgehend von einem Gerät der im Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 vorausgesetzten Bauart wird die ge­ stellte Aufgabe gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale. Im Pa­ tentanspruch 2 ist eine Weiterbildung der Erfindung an­ gegeben.

Das in der den Hauptschwingungserzeuger mit dem zweiten Schwingungserzeuger verbindenden Rohrleitung angeord­ nete Rückschlagventil gestattet es, den zweiten Druck­ speicher stufenweise aufzuladen, indem nur die Spitzen­ drücke der vom Hauptschwingungserzeuger im Eigenschwin­ gungszustand erzeugten Druckwellen durchgelassen werden. Die Energie dieser Hochdruckimpulse wird im zweiten Druckspeicher gespeichert und bei Erreichen des an der Quelle gleichbleibenden Druckes einstellbaren Auslöse­ drucks in einem einzigen kräftigen Wasserstrahlimpuls entladen.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeich­ nung weiter erläutert.

Diese zeigt schematisch die teil­ weise geschnittene Gesamtansicht des Hochdruckwasser­ strahlgeräts.

Das Hochdruckwasserstrahlgerät hat einen an eine Zulei­ tung 2 angeschlossenen gasbelasteten Druckspeicher 1 und einen Hauptschwingungserzeuger 3 mit einem Auslaßstutzen 22, der über eine Rohrleitung 4 an den Druckspeicher 1 angeschlossen ist. Eine Steuervorrichtung 5 dient zur Bewegungssteuerung eines Hohlkolbens 6 des Hauptschwin­ gungserzeugers 3.

Ein zweiter Schwingungserzeuger 7 hat ein Gehäuse 8, in dem ein Ventilkolben 9 mit einem als Schließglied wir­ kenden Sitzende 10 verschieblich sitzt. Hinter dem Ven­ tilkolben 9 ist ein Rückseitenraum 11 gebildet und sein vorderes Sitzende ragt in einen Kolbensitzraum 12, in dem er den Durchtritt von einem Eintrittsstutzen 14 zu einer Austrittsdüse 13 beherrscht, die über eine Bohrung 19 in der Wand des Gehäuses 8 mit dem Kolbensitzraum 12 Verbindung hat. Der Rückseitenraum 11 ist von einer Quelle 18 gleichbleibenden Drucks beaufschlagt.

Der zweite Schwingungserzeuger 7 ist über eine Rohrlei­ tung 15 mit dem Hauptschwingungserzeuger 3 verbunden, und in der Rohrleitung 15 ist vor dem Eintrittsstutzen 14 des zweiten Schwingungserzeugers 7 ein Rückschlagventil 16 eingebaut. Ein zweiter gasbelasteter Druckspeicher 17 mit einer sich im entladenden Zustand an ein Gitter 21 an­ legenden Membran 20 ist ebenfalls an den Eintrittsstut­ zen 14 des zweiten Schwingungserzeugers angeschlossen.

Der Betrieb des beschriebenen Hochdruckwasserstrahlge­ räts verläuft wie folgt.

Nach der Freigabe des Wasserzutritts aus der Zuleitung 2 wird das Gerät mit Hilfe der Steuervorrichtung 5 zur Bewegungssteuerung des Hohlkolbens 6 in den Eigen­ schwingungszustand übergeführt, in dem Schwingungsperi­ oden aufeinanderfolgen, deren jede aus einer Niedrig­ druckphase und einer Hochdruckphase besteht.

Die Niedrigdruckphase beginnt nach der Bewegung des Hohlkolbens 6 des Hauptschwingungserzeugers 3 zur Seite der Rohrleitung 15 hin, durch welche die Verbindung zwi­ chen den Rohrleitungen 4 und 15 unterbrochen wird, und die Rohrleitung 4 mit dem Auslaßstutzen 22 in Ver­ bindung kommt. Der Ausströmwiderstand im Auslaßstutzen 22 ist wegen dessen verhältnismäßig großen Querschnitts gering, so daß die Wassersäule in der Rohrleitung 4 be­ schleunigt und dadurch ihre kinetische Energie erhöht. Der Wasserdruck vor dem Hauptschwingungserzeuger 3 nimmt ab, und in der Rohrleitung 4 breitet sich in Rich­ tung zum Druckspeicher 1 eine Welle mit einem gegenüber dem Druck in der Zuleitung 2 niedrigeren Druck aus, welche vom Druckspeicher 1 als eine Welle mit einem dem Zufuhrdruck nahekommenden Druck reflektiert wird. Meist breiten sich in der Niedrigdruckphase zwischen dem Hauptschwingungserzeuger 3 und dem Druckspeicher 1 drei bis fünf Wellen erniedrigten Drucks aus, wobei beim Ein­ treffen einer jeden nächstfolgenden reflektierten Welle am Hauptschwingungserzeuger 3 die Bewegungsgeschwindig­ keit des Wassers in der Rohrleitung 4 und auch wieder der Druck in der Zone des Hauptschwingungserzeugers 3 sprunghaft zunehmen. Sobald das Druckgefälle am Hohl­ kolben 6 ausreichend groß wird, um ihn zu verschieben, bewegt dieser sich zur Rohrleitung 4 hin, wodurch der Auslaßstutzen 22 abgesperrt wird und die Rohrleitungen 4 und 15 in Verbindung kommen. Die Niedrigdruckphase geht zu Ende und eine Hochdruckphase setzt ein.

Beim Absperren des den geringen Ausströmungswiderstand bewirkenden Auslaßstutzens 22 wird die mit hoher Ge­ schwindigkeit in der Rohrleitung 4 strömende Wasser­ säule abgebremst, so daß ein Staudruck vor dem Haupt­ schwingungserzeuger 3 auftritt, der den Zufuhrdruck übersteigt. Die Welle mit diesem erhöhten Druck brei­ tet sich in den Rohrleitungen 4 und 15 aus, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit des Wasserstromes in der Rohr­ leitung 15 höher als in der Rohrleitung 4 ist, weil der Durchmesser der ersteren kleiner ist. Also breiten sich in den beiden Richtungen vom Hauptschwingungserzeuger 3 weg Stoßwellen mit gleichem Druck, aber bei verschie­ denen Strömungsgeschwindigkeiten aus.

Sobald die vom Druckspeicher 1 reflektierte Welle zum Hauptschwingungserzeuger 3 zurückkehrt, verschiebt sich der Hohlkolben 6 wieder in die der Rohrleitung 15 nahe Stellung, so daß die Rohrleitung 4 wieder mit dem Aus­ laßstutzen 22 in Verbindung kommt und die Verbindung mit der Rohrleitung 15 unterbrochen wird. Die Hochdruckphase geht zu Ende, und es setzt aufs neue eine Niedrigdruck­ phase der in der Rohrleitung 4 strömenden Wassersäule ein.

Die zu Beginn einer Hochdruckphase vom Hauptschwingungs­ erzeuger 3 ausgehende, in die Rohrleitung 15 laufende Welle erhöhten Drucks erreicht das Rückschlagventil 16 und öffnet dasselbe. Der Wasserstrom passiert das Rück­ schlagventil 16 und gelangt in den Eintrittsstutzen 14 des zweiten Schwingungserzeugers 7 und zum zweiten Druckspeicher 17. Das Sitzende 10 des Ventilkolbens 9 des zweiten Schwingungserzeugers 7 sperrt noch den Was­ serzutritt zur Austrittsdüse 13. Der zweite Druckspei­ cher 17 wird von der Hochdruckwelle beaufschlagt.

Der Druck der über der Membran 20 komprimierten Luft ver­ hindert zunächst das Einströmen des Wassers, so daß die Strömungsgeschwindigkeit abnimmt, was einen zusätzlichen Anstieg des Drucks bedingt. Dadurch überwindet der Was­ serstrom den Widerstand der über der Membran 20 kompri­ mierten Luft und fließt in den Hohlraum des Druckspei­ chers 17 zwischen dem Gitter 21 und der Membran 20 ein, wobei er diese abhebt.

Hierbei läuft eine Welle mit diesem zusätzlichen erhöh­ ten Druck in der Rohrleitung 15 bis zum Hauptschwin­ gungserzeuger 3. Bei gleichen Längen der Rohrleitungen 4 und 15 trifft im Augenblick der Ankunft dieser Welle am Hauptschwingungserzeuger 3 an demselben von der an­ deren Seite her die vom Druckspeicher 1 reflektierte Druckwelle ein. Dies führt zur Verschiebung des Hohl­ kolbens 6 des Hauptschwingungserzeugers 3 zur Rohrlei­ tung 15 hin und leitet somit den Beginn einer Niedrig­ druckphase ein, in der die Verbindung zwischen den Rohr­ leitungen 4 und 15 aufhört.

Der am Hauptschwingungserzeuger 3 in der Rohrleitung 15 anstehende Druck fällt auf einen etwas über dem Zufuhr­ druck liegenden Wert ab, während die Strömungsgeschwin­ digkeit gleich Null wird. Eine Welle mit diesem Druck läuft durch das stehende Wasser in der Rohrleitung 15 in Richtung zum Rückschlagventil 16. Beim Eintreffen die­ ser Welle wird das Rückschlagventil 16 geschlossen, weil der seitens des zweiten Druckspeichers 17 wirkende Druck größer ist. Dadurch kommt es zur Druckabnahme vor dem Rückschlagventil 16, und eine Welle mit diesem Druck läuft durch die weiterhin stehende Wassersäule zum Haupt­ schwingungserzeuger 3 zurück. Die Schwingungen in der Rohrleitung 15 zwischen dem geschlossenen Rückschlagven­ til 16 und dem Hauptschwingungserzeuger 3 setzen sich unter allmählicher Druckabnahme so lange fort, bis die Niederdruckphase in der Rohrleitung 4 beendet ist und die Verbindung zwischen den Rohrleitungen 4 und 15 wie­ derhergestellt ist.

Sobald dies geschehen ist, setzt erneut eine Hochdruck­ phase ein, und eine neue Hochdruckwelle läuft in die Rohrleitung 15 in Richtung zum Rückschlagventil 16. Dieses öffnet wieder und der Prozeß wiederholt sich, wobei der Druckspeicher 17 erneut einen Impuls, d. h. ein bestimmtes Wasservolumen erhöhten Drucks aufnimmt. Mit der Vergrößerung des aufgenommenen Wasservolumens und demnach einer stärkeren Verdichtung der über der Membran 20 vorhandenen Luft steigt der Gegendruck des zweiten Druckspeichers 17 an. Dies führt zu einem Druck­ anstieg in der Welle, die vor dem Rückschlagventil 16 in der Hochdruckphase erzeugt wird.

Das stufenweise Aufladen des zweiten Druckspeichers 17 geht so lange vor sich, bis der Luftdruck über der Membran 20 und damit auch der Flüssigkeitsdruck unter derselben soweit zugenommen hat, daß die von diesem Druck auf das Sitzende 10 des Ventilkolbens 9 erzeugte Kraft größer als die Kraft geworden ist, die durch den konstanten Druck der Quelle 18 im Rückseitenraum 11 des Ventilkolbens 9 auf diesen erzeugt wird. Sobald dies eintritt, hebt der Ventilkolben 9 ab. Sofort nimmt die den Kolben 9 verschiebende Kraft zu, weil der Druck des zweiten Druckspeichers 17 nunmehr auf die Gesamtfläche des Sitzendes 10 zu wirken beginnt. Der Ventilkolben 9 verschiebt sich schnell weiter vom Eintrittsstutzen 14 weg und gibt die Bohrung 19 der Austrittsdüse 13 frei. Das gesamte aufgespeicherte Wasservolumen wird unter hohem Druck ausgestoßen und wirkt als Hochdruckimpuls­ strahl erhöhter Energie auf das Beaufschlagungsobjekt.

Während der Ausstoßphase entlädt sich der zweite Druck­ speicher 17 unter stetiger Druckabnahme. Sobald der Druckwert soweit abgenommen hat, daß die seitens der Quelle 18 wirkende Kraft (der Druck im Rückseitenraum 11 des Ventilkolbens 9 auf dessen Gesamtfläche) größer wird als die seitens des Eintrittsstutzens 14 wirkende Kraft (der Druck im Druckspeicher 17 auf die Gesamt­ fläche des Sitzendes 10), verschiebt sich der Ventil­ kolben 9 zum Eintrittsstutzen 14 des zweiten Schwin­ gungserzeugers 7 hin und sperrt den weiteren Wasserzu­ tritt. Die Entladung des zweiten Druckspeichers 17 ist zu Ende, und es beginnt erneut ein Aufladezyklus. Der Arbeitsvorgang wiederholt sich.

Die Druckhöhe vor der Austrittsdüse 13 in der Ausstoß­ phase hängt vom Betriebszustand des Geräts, vom Verhält­ nis der wirksamen Flächen des Ventilkolbens 9 und seines Sitzendes 10, vom Anfangsdruck der über der Membran 20 des zweiten Druckspeichers 17 komprimierten Luft und vom konstanten Druck im Rückseitenraum 11 ab. Durch Än­ dern dieses Drucks, also des Drucks der Quelle 18, kann auch der Druck des ausgestoßenen Wasserstrahls in ge­ wissen Grenzen eingestellt werden.

Die Impulsdauer, also die Zeit, in der die Flüssigkeit durch die Austrittsdüse 13 ausgestoßen wird, hängt vom Volumen und dem Anfangsdruck der Luft im zweiten Druck­ speicher 17 sowie vom Durchmesser der Austrittsdüse 13 ab.

Durch die stufenweise Speicherung der Wasserstromenergie unter Steigerung des Drucks im zweiten Druckspeicher 17 kann eine hohe Energie des schließlich durch die Aus­ trittsdüse 13 ausgestoßenen Wasserstrahls erzielt wer­ den, was die Wirksamkeit der Beaufschlagung des Objekts erheblich steigert.

Bezugszeichenliste

1 Druckspeicher
2 Zuleitung
3 Hauptschwingungserzeuger
4 Rohrleitung
5 Steuervorrichtung
6 Hohlkolben
7 zweiter Schwingungserzeuger
8 Gehäuse
9 Ventilkolben
10 Sitzende
11 Rückseitenraum des Ventilkolbens
12 Kolbensitzraum
13 Austrittsdüse
14 Eintrittsstutzen des zweiten Schwingungserzeugers
15 Rohrleitung
16 Rückschlagventil
17 zweiter Druckspeicher
18 Quelle gleichbleibenden Drucks
19 Bohrung
20 Membran
21 Gitter
22 Auslaßstutzen

Claims (2)

1. Hochdruckwasserstrahlgerät mit pulsierendem Wasser­ strahl
mit einem an eine Zuleitung (2) angeschlossenen Druck­ speicher (1),
einem Hauptschwingungserzeuger (3), der über eine Rohr­ leitung (4) mit dem Druckspeicher (1) verbunden ist,
einer Steuervorrichtung (5) zur Bewegungssteuerung eines Hohlkolbens (6) des Hauptschwingungserzeugers (3), und
einem zweiten Schwingungserzeuger (7), der über eine Rohrleitung (15) mit dem Hauptschwingungserzeuger (3) verbunden ist, und in dessen Gehäuse (8) ein Ventilkol­ ben (9) mit einem Sitzende (10) einen Rückseitenraum (11) von einem Kolbensitzraum (12) trennt, in welchem das Sitzende (10) den Wasserdurchtritt von einem Ein­ trittsstutzen (14) zu einer Austrittsdüse (13) beherrscht,
gekennzeichnet durch ein in die Rohrleitung (15) zwi­ schen dem Hauptschwingungserzeuger (3) und dem zweiten Schwingungserzeuger (7) eingebautes Rückschlagventil (16) und einen an den Eintrittsstutzen (14) des zweiten Schwingungserzeugers (7) angeschlossenen zweiten Druck­ speicher (17).

2. Hochdruckwasserstrahlgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Quelle (18) gleichbleibenden Drucks, welche den Rückseitenraum (11) des Ventilkol­ bens (9) des zweiten Schwingungserzeugers (7) beauf­ schlagt.