DE4313704C2 - Vorrichtung zum Erzeugen eines mit einem Abrasivmittel versetzten Flüssigkeitsstrahles - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines mit einem Abrasivmittel versetz­ ten Flüssigkeitsstrahles, bestehend aus einer Mischkammer, in die der Flüssigkeitsstrahl durch eine Düse eintritt, und einer in die Kammer, in einem die Düse umgebenden Ringspalt mündenden Zuführung, über die ein Ge­ misch aus Luft und Abrasivmittel ansaugbar ist, sowie aus einem der Kammer nachgeord­ neten Rohr zur Bündelung des mit dem Abrasivmittel versetzten Flüssigkeitsstrahles.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 35 16 103 A1 bekannt. Dort ist ein Mischkopf zum Einbringen von abrasiven Partikeln in einen Hochdruckwasserstrahl beschrieben, bei dem wie beim Anmeldungsgegenstand die Zuführung für das Abrasivmittel-Luft-Gemisch in einen die Düse umgebenden Ringspalt mündet.

Was die Ausbildung der Zuführung und die Art und Weise ihrer Einmündung in den Ringspalt bzw. dessen genaue Lage in bezug zur Düse anbelangt, bestehen jedoch erhebliche Nachteile. So wird als Ringspalt ein Bereich bezeichnet, der von zwei Konusflächen begrenzt wird, die den gleichen Kegelwinkel von etwa 60°C aufweisen. Damit tritt auch das Abrasivmittel-Luft-Gemisch unter diesem Winkel in die Mischkammer ein. Das heißt mit dem Vorhandensein des Ringspaltes gelingt es zwar, den Wasserstrahl von allen Seiten möglichst gleichmäßig mit Partikeln zu beladen, eine zufriedenstellende Verminderung des Abrasivmittel-Verschleißes in der Mischkammer wird jedoch nicht erreicht. Dieser Mischkopf hat damit zumindest im wesentlichen den Nachteil, daß ein überwiegender Teil des Abrasivmittel-Verschleißes, der sich in einer Kornfeinung zeigt, bereits in der Mischkammer erfolgt.

Daß es bei der konstruktiven Gestaltung der Vorrichtung gemäß der DE 35 16 103 A1 allein darauf ankam, den Wasserstrahl von allen Seiten möglichst gleichmäßig mit Abrasivmittel zu beladen und an eine Abrasivmittel-Verschleiß-Reduzierung im Mischkopf überhaupt nicht gedacht wurde, läßt sich neben der Tatsache, daß aufgrund der dortigen Gestalt und Lage des Ringspaltes das angesaugte Abrasivmittel- Luftgemisch (wenngleich auch nicht in einem rechten Winkel so doch) in einem vergleichsweise großen Winkel auf den durch die Düse tretenden Wasserstrahl trifft und es damit zu den unerwünschten Turbulenzen kommt, aus aus den im übrigen konstruktiv "kantigen" Übergängen zwischen dem Ringspalt und der dem Ringspalt vorgelagerten Ringkammer ableiten (in die unter einem Winkel von etwa 45° zwei einander diagonal gegenüberliegende Anschlußstücke für Abrasivmittel- Zufuhrleitungen münden.

Beim sogenannten Wasserstrahl-Schneiden wird die kinetisch Energie eines mit großem Druck und zwar bis zu 400 MPa Druck erzeugten und durch eine Düse mit einem Durchmes­ ser von 0,1-0,5 mm entspannten Wasserstrahles genutzt, um vorwiegend weiche Materia­ lien wie Kunststoff, Papier, Leder, Textilien und ähnliches zu schneiden. Durch den Zusatz von Abrasivstoffen zum Wasserstrahl können auch vergleichsweise harte und auf konventio­ nelle Art und Weise schwer bearbeitbare Materialien getrennt bzw. geschnitten werden.

Es ist allgemein bekannt, den festen, eine körnige Struktur aufweisenden Abrasivstoff dem Flüssigkeitsstrahl mittels einer nach dem Strahlpumpen-Prinzip arbeitenden Mischvorrich­ tung zuzusetzen. Dabei tritt der ausgebildete Flüssigkeitsstrahl in eine der Düse nachge­ schaltete Kammer ein, in der auf Grund der Injektorwirkung ein Unterdruck entsteht, mit des­ sen Hilfe über eine in der Regel einseitig, in Bezug zur Strömungsrichtung des Flüssigkeits­ strahles rechtwinklig abzweigende Zuführung ein Gemisch aus Luft und Abrasivmittel ange­ saugt wird. Stromabwärts der Kammer dient ein dort angeordnetes zylindrisches Rohr aus einem verschleißfesten Material der Strahlbündelung. Es ist auch bekannt, die einseitige Zuführung des Abrasivmittels bezüglich der Strömungsrichtung des Wasserstrahles schräg in die Mischkammer einmünden zu lassen und das der Mischkammer nachgeordnete, der Strahlbündelung dienende Rohr selbst als Düse mit trichterförmigem Einlauf auszubilden (DE 37 08 608 A1). Um eine asymmetrische Deformierung dieser Düse zu vermeiden und damit deren Lebensdauer zu erhöhen, ist hierbei die Rotation der Düse um deren Bohrungsachse während des Betriebes dieses Hochdruckwasserstrahl-Schneidkopfes vorgesehen.

Allen vorgenannten, in ihrem Aufbau z. T. recht einfachen Vorrichtungen ist der Nachteil ge­ meinsam, daß ein überwiegender Teil des Abrasivmittel-Verschleißes, der sich in einer Kornfeinung manifestiert, bereits in der Mischkammer erfolgt. Unterhalb einer bestimmten Korngröße ist das Abrasiv- bzw. Strahlmittel jedoch nicht wiederverwendbar und muß, unter z. T. erheblichen Aufwendungen, entsorgt werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaf­ fen, die sich gegenüber bekannten derartigen Vorrichtungen dadurch auszeichnet, daß der Abrasivmittel-Verschleiß in dieser Vorrichtung reduziert und damit die Wirksamkeit des mit dem Abrasivmittel versetzten, aus der Vorrichtung austretenden Flüssigkeitsstrahles erhöht ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zuführung in Richtung Ringspalt konisch verjüngt ausgebildet ist und so in den koaxial zur Düse angeordneten Ringspalt mündet, daß das Abrasivmittel- Luftgemisch bezüglich der Strömungsrichtung des durch die Düse tretenden Flüssigkeitsstrahles quasi axial zugeführt ist, und
daß im Bereich des ersten Kontaktes des Abrasivmittels mit dem Flüssigkeitsstrahl die Kammerwand aus einem elastischen Material besteht.

Vorteilhafterweise wird die Kammerwand in diesem Bereich von einem auswechselbaren elastischen Einsatz gebildet.

Als elastisches Material kann vorzugsweise ein Kunststoff, z. B. Nylon oder auch Hartgummi, eingesetzt werden.

Eine vorteilhafte Ausbildungsform der Erfindung besteht auch darin, daß das der Kammer nachgeordnete Rohr eine konische Einlaufgeometrie aufweist.

Dabei ist es besonders günstig, wenn die Rohrwandung im Einlaufbereich parabelförmig gekrümmt ist und deren Kontur kontinuierlich in die der Mischkammerwand und schließlich in die der Zuführung übergeht.

Mit Rücksicht auf die Möglichkeit der Verwendung verschiedener Abrasivmittel, insbeson­ dere von Abrasivmitteln verschiedener Korngrößen, - je nach Verwendungszweck - kann die lichte Weite des Ringspaltes einstellbar sein.

Während bei den bisher bekannten Vorrichtungen in Abhängigkeit von der Abrasivmittelart und den Betriebsparametern der Verschleiß des Abrasivmittels ca. 40% in Bezug auf die Ab­ nahme des mittleren Korndurchmessers beim Passieren der Mischkammer beträgt, gelingt es mit den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen, die Korndurchmesser-Verringe­ rung und den damit einhergehenden Abrasivmittelverschleiß in der Vorrichtung auf ca. 25% zu reduzieren.

Die Erfindung soll nachstehend an Hand zweier Ausführungsbeispiele und einer zugehöri­ gen Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 im Halbschnitt eine Vorrichtung zum Erzeugen eines mit einem Abrasivmittel versetzten Flüssigkeitsstrahles, bei der ein Teil der Mischkammerwand aus ei­ nem elastischen Material besteht und

Fig. 2 im Halbschnitt eine Vorrichtung zum Erzeugen eines mit einem Abrasivmittel versetzten Flüssigkeitsstrahles, bei der das der Mischkammer nachgeordnete Rohr eine konische Einlaufgeometrie aufweist.

Gem. Fig. 1 besteht die Vorrichtung aus einer Mischkammer 1, in die ein Flüssigkeitsstrahl 2, insbesondere ein Wasserstrahl, durch eine Düse 3 eintritt, und aus einer in die Kammer einmündenden Zuführung 4, über die ein Gemisch aus Luft und einem Abrasivmittel 5, z. B. Granat oder Olivin, nach dem Injektorprinzip ansaugbar ist, sowie aus einem der Kammer 1 nachgeordneten Rohr 6 zur Bündelung und Führung des mit dem Abrasivmittel versetzten Flüssigkeitsstrahles 7. Die Zuführung 4 für das angesaugte Abrasivmittel-Luft-Gemisch ist konisch ausgebildet und mündet in einem zur Düse 3 koaxial angeordneten Ringspalt 8. Die konische Ausbildung der Zuführung 4 ermöglicht eine bezüglich der Strömungsrichtung des durch die Düse tretenden Flüssigkeitsstrahles 2 quasi axiale Zuführung der Abrasivmittel- Partikel. Dadurch wird eine stetige Beschleunigung dieser Partikel begünstigt und den bei einer senkrechten Injektion ansonsten in der Mischkammer auftretenden Turbulenzen entgegengewirkt. Die Ausführung des Einlasses des Abrasivmittel-Luftgemisches in die Mischkammer 1 als Ringspalt 8 ermöglicht schließlich ein allseitiges, weitestgehend gleich­ mäßiges Beladen des Flüssigkeitsstrahles mit den Abrasivmittel-Partikeln, was gleichfalls mit einer Turbulenzverringerung einhergeht. Infolge der Turbulenzverringerung kommt es zu ei­ ner Reduzierung der durch gegenseitige Kollision und/oder Stoß mit der Kammerwand ver­ ursachten Zertrümmerung der Abrasivmittel-Partikel. Der in der Mischkammer 1 uner­ wünschten Partikelzerkleinerung wird dabei entgegengewirkt, daß im Bereich des ersten Kontaktes des Abrasivmittels 5 mit dem Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahl 2, d. h. im Bereich maximaler Beschleunigung und Turbulenz, die Kammerwand aus einem ela­ stischen Material besteht oder mit einem solchen Material beschichtet ist. In der in Fig. 1 dargestellten vorzugsweisen Ausführungsform ist die Kammerwand in diesem Bereich von einem auswechselbaren elastischen Einsatz 9 gebildet. Als elastische Materialien kommen Kunststoffe, z. B. Nylon, oder auch Hartgummi in Frage. Das hier auch in seinem Einlaufbe­ reich, d. h. an der Mischkammer 1 zugewandten Ende, mit einer zylindrischen Innenwand 10 versehene Rohr 6, ist mittels einer Klemmschraube 11 am die Mischkammer 1, die Düse 3 und die Zuführung 4 beherbergenden Gehäuse 12 befestigt. Der Innendurchmesser des Rohres 6 entspricht dabei dem des Einsatzes 9.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der das hier mit 6′ bezeichnete, der Flüssigkeitsstrahlbündelung dienende Rohr in seinem Einlaufbereich eine parabelförmig gekrümmte Innenwand 10′ aufweist, deren Kontur kontinuierlich in die der Mischkammerwand und schließlich in die der Zuführung 4 übergeht. Auch durch diese Maßnahme, d. h. der speziellen Formgebung des Rohres 6′ im Einlaufbereich, wird der unerwünschten Zerkleinerung der Abrasivmittel-Partikel entgegengewirkt. Es ist auch hier - wie in Fig. 2 dargestellt - im bereits zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erläuterten Bereich ein elastischer Einsatz 9′ vorgesehen. Der Einsatz 9′ ist dabei an die parabelförmige Einlaufgeometrie des Rohres 6′ angepaßt.

Die Rohre 6, 6′ können aus einem keramischen Werkstoff oder aus Hartmetall gefertigt sein.

Um je nach Verwendungszweck den Flüssigkeitsstrahl 2 mit verschiedenen Abrasivmitteln, insbesondere Abrasivmitteln mit Partikeln verschiedener Korndurchmesser, beladen zu kön­ nen, ist es auch möglich, Stellmittel vorzusehen, mit denen die lichte Weite des Ringspaltes 8 einstellbar ist.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Erzeugen eines mit einem Abrasivmittel versetzten Flüssigkeits­ strahles, bestehend aus einer Mischkammer, in die der Flüssigkeitsstrahl durch eine Düse eintritt, und einer in die Kammer, in einen die Düse umgebenden Ringspalt mündenden Zuführung, über die ein Gemisch aus Luft und Abrasivmittel ansaugbar ist, sowie aus einem der Kammer nachgeordneten Rohr zur Bündelung des mit dem Abrasivmittel versetzten Flüssigkeitsstrahles, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zuführung (4) in Richtung Ringspalt (8) konisch verjüngt ausgebildet ist und so in den koaxial zur Düse (3) angeordneten Ringspalt (8) mündet, daß das Abrasivmittel- Luftgemisch bezüglich der Strömungsrichtung des durch die Düse (3) tretenden Flüssigkeitsstrahles (2) quasi axial zugeführt ist, und
daß im Bereich des ersten Kontaktes des Abtrasivmittels (5) mit dem Flüssigkeitsstrahl (2) die Kammerwand aus einem elastischen Material besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammerwand in diesem Bereich von einem auswechselbaren elastischen Einsatz (9, 9′) gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material ein Kunststoff ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das der Kammer (1) nachgeordnete Rohr (6′) eine konische Einlaufgeometrie aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrinnenwandung (10′) im Einlaufbereich parabelförmig gekrümmt ist und deren Kontur kontinuierlich in die der Mischkammerwand und schließlich in die der Zuführung (4) übergeht.