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Strahlpumpenanlage zum Fördern von Gemengen aus Feststoffen und Zusatzflüssigkeit
durch den Impuls einer Treibflüssigkeit
Es ist bekannt, Feststoffie dadurch zu fördern,
daß man sie mit einer Flüssigkeit (beispielsweise Wasser, im folgenden »Zusatzwasser«
genannt) versetzt und das Gemenge durch eine Strahlpumpe hebt. In der Strahlpumpe
wird der Impuls einer Treibflüssigkeit (Tr,eibwasser) dem Gemenge aufgedrückt. Diese
Art der Feststofförderung ist solange ohne besondere Schwierigkeiten, als die FeststofiCe
frei im Zusatzwasser lagern. Feststoffe von festerer Lagerung können durch Wasserstrahlen
oder mechanische Werkzeuge losgelöst und aufgewühlt werden. Alsdann werden sie mit
dem Zusatzwasser von der Strahlpumpe aufgenommen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Antrieb von Werkzeugen, die zum
Loslösen and Aufwühlen der Feststoffe benutzt werden, besonders zweckmäßig zu gestalten.
Es wird hierzu vorgeschlagen, die Werkzeuge durch D ruckflüssigkeit (Druckwasser)
anzutreiben, welche der Treibleitung (d. i. der das Treibwasser zuführenden Leitung)
entnommen wird.
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Dler Vorteil dieser Anordnung ist offensichtlich.
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Mechanische Gestänge oder Wellenleitungen zum Antrieb der oft tief
unter der Wasseroberfläche arbeitenden Werkzeuge können entfallen; auch werden die
Werkzeuge durch die gleiche Energiequelle betrieben, die sowieso zum Fördern der
Treibflüssigkeit notwendig ist.
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Bei Geräten für Gesteinstiefbohrungen ist es bereits bekanntgeworden,
das Werkzeug, den sogenannten Meißel, durch eine Turbine anzutreiben, die von der
verwendeten Spülflüssigkeit beaufschlagt wird. Das Werkzeug dieser bekannten Bohrvorrich-
tungen
hat die Aufgabe, in dem Gestein durch eine gefügezerstörende, mechanische Bearbeitung
eine Bohrung herzustellen. Demgegenüber sollen die Werkzeuge nach der Erfindung
die Feststoffe unter weitgehender Wahrung ihres Gefüges lösen und soweit aufwühlen,
daß das von der Strahlpumpe angesaugte Zusatzwasser die unzerstörten Steine durch
hydrodynamische Auftriebskräfte mitreißt.
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Die Spülflüssigkeit bei den bekannten Gesteinsbohrvorrichtungen soll
außerdem den Meißel kühlen und die Schneiden von dem anfallenden Gesteinsmehl befreien.
Das Gesteinsmehl bildet mit der Spülilüssigkeit eine Suspension, die in dem Bohrloch
hochsteigt. Der Fördervorgang bei der bekannten Einrichtung unterscheidet sich also
grundsätzlich von dem Strahlpumpenbetrieb nach der Erfindung.
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Das Druckwassler aus der Treibleitung kann in Weüerbildung der Erfindung
nach drei grundsätzlich verschiedenen Lösungswegen zum Antrieb der Werkzeuge benutzt
werden. Einmal kann ein Teilstrom des Druckwassers eine Kraftmaschine bekanntier
Bauart (z. B. eine Kolbenmaschine oder eine Turbine) treiben, welche die Werkzeuge
betätigt, während ein anderer Teilstrom des Druckwassers die Treibdüse (oder deren
mehrere) der Strahlpumpe beaufschlagt. Bei dieser Anordnung sind also die Kraftmaschine
und die Treibdüsen parallel geschaltet. Besonders vorteilhaft ist der weitere Vorschlag,
das Druckwasser mit bekannten Hilfsmitteln wahlweise auf die Kraftmaschine oder
auf die Strahlpumpe oder auch auf beide Einrichtungen zu schalten; jetzt kann die
Duckwasserenergie jeweils dort eingesetzt werden, wo es betrieblich zweckmäßig ist.
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Bleim zweiten Lösungsweg werden die Kraftmaschine und die Strahlpumpe
hintereinandergeschaltet, so daß also ein Teilgefälle auf jeden der beiden Druchwass
erverbraucher entfällt. Soll bei dieser Anordnung die Kraftmaschine mit den Werkzeugen
zeitweilig ausgeschaltet werden, so wird sie in Weiterbildung der Erfindung durch
eine Umgehungsleitung überbrückt. Will man dagegen nur die Werkzeuge betätigen,
ohne die Strahlpumpe zu betreiben, so wird das Druckwasser hinter der Kraftmaschine
ins Freie entlassen. Hier, ebenso wie bei dem ersten Lösungsweg, ist es vorteilhaft,
wenn das ganz oder auch teilweise entspannte Druckwasser nach der Arbeitsleistung
vor den Einlauftrichtier der Strahlpumpe oder in seine Nähe geführt wird, um entweder
die Feststoffe noch aufzuwirbeln, oder aber um das Gemenge aus Feststoffen und Zusatzwasser
gerade an dieser Stelle noch weiter zu verdünnen. Hier ist die Verstopfungsgefahr
deshalb besonders groß, weil die Feststoffe hier eine recht hohe Beschleunigung
erfahren.
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Der dritte Lösungsweg nutzt die Reaktion der Strahlpumpe unmittelbar
zum Betrieb der Werkzeuge aus. Die besonderen Vorzüge dieser Lösung liegen in dem
Fortfall einer besonderen Kraftmaschine. Hier sind zwei besondere Ausführungsformen
zu unterscheiden: Einmal kann man den Treibstrom zu den Treibdüsen ein- und ausschalien.
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Dlann nimmt die Reaktionskraft von Null bis auf ihren betriebsmäßigen
endlichen Wert zu. Man kann nun den Treibdüsen (oder auch einem sie enthaltenden
Teil der Strahlpumpe) einen translatorischen Freiheitsgrad in Richtung der Strahlptimpenachse
zwischen bestimmten Anschlägen geben.
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Außerdem sollen die Treibdüsen Kräften von Federn oder Gewichten
oder auch von druckwass;erbeaufschlagten Kolben oder technisch gleichwertigen Einrichtungen
in Richtung der Treibstrahlen unterliegen; diese Kräfte sollen kleiner sein als
die Rleaktionskraft der Treibstrahlen. Dann werden die Treibdüsen unter dem Einfluß
der wechselnden Reaktionskraft translatorische Bewegungen aus -führen, die zum Antrieb
der Werkzeuge herangezogen werden können. Man kann aber auch die Treibdüsen in üblicher
Art fest in der --Strahlpumpe anordnen und die ganze Strahlpumpe durch Federn oder
Gegengewichte oder Schwimmkörper so ausgleichen, daß die wechselnde Reaktionskraft
ausreicht, um die ganze Strahlpumpe zu bewegen.
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Diese Bewegung kann dann zum Antrieb der Werkzeuge ausgenutzt werden.
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Eine weitere Ausführungsform zur Ausnutzung der Reaktion erhält man
durch eine an sich bekannte Ausführung der Treibdüse oder der Treibdüsen in der
Art, daß feder Treibstrom mit einem resultierenden Drall entlassen wird. In Weiterbildung
der Erfindung wird nun vorgeschlagen, die Werkzeuge durch das Reaktionsmoment anzutreiben.
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In diesem Falle werden zweckmäßig mehrere Treibdüsen mit in einem
Abstand sich kreuzenden Austrittsachsen vorgesehen. Diese Treibdüsen bilden eine
Reaktionsturbine mit dem Reaktionsgrad 1, welche dem klassischen Segnerschen Wasserbad
entspricht. Es ist nun bekannt, daß das Segnersche Wasserrad keine wirtschaftlich
hochwertige Anwendung gestattet, weil der Austrittsveriust dieser Turbine dem entgegensteht.
Um so überraschender ist es, daß bei der vorgeschlagenen Anordnung die höchste Wirtschaftlichkeit
vorliegt. Das liegt daran, daß die für die Turbine an sich verlorene Austrittsenergie
in der eigentlichen Strahlpumpe ihre wirtschaftliche Ausnutzung findet. Bei dieser
Auisführungsform könnte man die ganze Strahlpumpe um ihre Achse umlaufen lassen.
Die Umlaufzahl wäre dann aber meist viel größer als es dem unmittelbaren Antrieb
von Werkzeugen zuträglich ist.
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Dann empfiehlt sich folgende Lösung: Die einzelnen Treibdüsen werden
in einem um die Strahlpumpenachse drehbaren Düsenkörper untergebracht. Die Austrittsachsen
dieser Treibdüsen sind, wie schon erwälmt, sich im Abstand kreuzend angeordnet.
Der ringähnliche, drehbare Düsenkörper dient nun als Steg für die Lagerung der Planetenachsen
eines Umlaufgetriebes. Die beiden Planetenräder einer Planetenachse kämmen dabei
mit Sonnenrädern, von denen das eine mit dem nicht drehbaren Teil der Strahlpumpe
verbunden ist, während das andere unmittelbar oder mittelbar die Werkzeuge trägt.
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Als besonderer Vorzug des Antriebes,durch das Reaktiozzsmoment der
Treibdüsen ist der Verlauf
des Drehmomentes in Abhängigkeit von
der Umlaufzahl des Düsenkörpers anzusehen. Dieses Drehmoment hat einen Höchstwert
bei der Drehzahl Null und fällt mit wachsender Drehzahl nach einem im wesentlichen
linearen Gesetz ab. Daraus folgt, daß der Antrieb durch umlaufende Treibdüsen im
Gegensatz zum Antrieb durch Kolbenmaschinen dann besonders kräftig durchzieht, wenn
die Werkzeuge auf Widerstände stoßen, welche die Drehzahl vermindern.
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Die Fig. I, 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel nach dem ersten
Lösungsweg. Es bedeutet I den Einlauf der Strahlpumpe, 2 eine von mehreren achsensymmetrisch
angeordneten Treib düsen, denen Druckwasser durch die Leitung 3 zugeführt wird.
4 ist eine Kraftmaschine zum Antrieb der Grabschaufel 5, die als Werkzeug zum Lösen
der Feststoffe dient. Von dem Kraftmaschinenwerkzeugsatz 4, 5 können mehrere achsensymmetrisch
zur Strablpumpe angeordnet sein. Die Kraftmaschine ist hier als schwungradiose Kolbenmaschine
angenommen. Die hin und her gehende Bewegung ihres Kolbens wird über ein Gelenkviereck
5a, 5b, 5C, 5d in die eigentümliche Bewegung der Grabschaufel umgewandelt. 6 ist
die Zufuhr des Druckwassers zur Kraftmaschine 4. Die Steuerung, welche das Druckwasser
abwechselnd auf jede der beiden Kolben seiten wirken läßt, ist der übersichtliche71
Darstellung wegen nicht gezeichnet. Hierfür sind viele Ausfülirungsformen bekannt;
auch kann an Stelle der angenommenen besonderen Kraftmaschine irgendeinLe andere,
z. B. auch eine Turbine, treten.
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In einfacher Weise läßt sich nun Druckwasser wahlweise zu den Treibdüsen
2 oder den Kraftmaschinen 4 durch - zwei Rohrleitungen führen, die etwa über ein
Wechselventil 7 ihr Druckwasser von einer nicht dargestellten Druckwasserpumpe (Treibpumpe)
erhalten. Diese Anordnung ist jedoch ver bältnismäßig aufwendig. da die Strahlpumpe
tief unter der Wasseroberfläche eingesetzt ist. Deshalb wird weiter vorgeschlagen,
nur eine Treible;itung von der Treibpumpe in die Nähe der Strahlpumpe zu führen.
Diese Treibleitung wird dann über eiiti Wechselventil entweder zu den Treibdüsen
oder ZU den Kraftmaschinen geschaltet.
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In Fig. 1 ist ein derartiges Wechselventil 7 an gedeutet. 8 ist die
Treibleitung, welche das Druckwasser zuführt. Das Druckwasser strömt dann je nach
seiner Stellung entweder in die bereits ei. wähnte Leitung 3 oder in Leitung 6.
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In Fig. 2 ist das in Fig. 1 mit 7 bezeichnete Wechselventil für sich
herausgezeichnet, um die Einzelheiten besser darstellen zu können. Die Stenerung
des Ventils ist in diesem Be;ispiel hydraulisch vorgesehen, weil mechanische Betätigung
unter den angenommenen Verhältnissen zu umständlich wäre.
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Die Ventilspindel trägt einen Stufenkolben 9, dessen dem Ventil zugekehrter
Ringraum in bekannter Weise dem vollen Druck des zuströmenden Druckwassers unterliegt,
während der volle Kolbenquer schnitt auf der anderen Seite das Druckwasser über
eine Blende 9a erhält. Auch geht auf dieser Seite eine Steuerleitung 10 ab von einem
Strömungswiderstand, der von kleinerer Größenanordnung ist als derjenige der Blende.
Diese häufig benutzte und deshalb hier nur kurz beschriebene Einrichtung erlaubt
durch fallweises Schließen und tffnen der Steuerleitung, das Wechselventil in die
leine oder andere Lage zu bewegen. Es wird also nur eine Leitung 8 für das Druckwasser
bis zum Wechselventil 7 benutzt, dafür aber allerdings die kleinere Steuerleitung
10.
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Die nach Fig. 2 beschriebene Einrichtung läßt sich noch weiter verbessern,
indem man neben der 'Steuerleitung I0 eine weitere Steuerleitung ii anordnet, welche
in der ungefähren Mitte des den Stufenkolben g umschließenden Zylinders einmündet.
Wird dann die Steuerleitung 10 gescklossen und II geöffnet, so verharrt der Stufenkolben
9 und damit das Wechselventil 7 in einer Mittelstellung. Damit strömt das Druckwasser
sowohl über die Leitung 3 (Fig. I) zu den Treibdüsen 2 als auch über die Leitung
6 zur Kraftmaschine 4. Die Werkzeuge 5 und die Strahlpumpe arbeiten also gleichzeitig.
Durch eine weitere Verbesserung lassen sich nun auch noch die Steuerleitungen 10
bzw. ii einsparen. Das ist dadurch möglich, daß dem Druck in der Treibleitung Druckstöße
überlagert werden.
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Diese D ruckstöße sollen auf ein Schrittschaltwerk wirken, das in
vorgeschriebenem Wechsel die möglichen Betriebszustände einsteuert. Die Druckstöße
können besonders einfach dadurch erzeugt werden, daß die Treibpumpe fallweise ein-
und ausgeschaltet oder gedrosselt wird.
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Fig. 3 zeigt beispielsweise ein Schrittschaltwerk als Zusatzgerät,
weiches das Wechselventil nach Fig. 2 ergänzt. Es bedeutet 12 einen federbelasteten
Kolben, der durch die Leitung I3 dem Druck in der Treibleitung unterliegt. Die durch
dile Druckschwankungen in der Treibleitung angeregten hin und her gehenden Bewegungen
des Kolbens I2 werden durch das Klinkenschaltwerk 14 in Verbindung mit der Rücklaufsperre
15 auf das Zahnrad 16 übertragen. Das Zahnrad I6 kämmt mit dem Ritzel I7, das den
Schalthahn 18 mit seinen drei Anschlüssen Ioa, 11' und I9 verstellt. Die Anschlüsse
Ion und I In seien dabei - dies ist nicht zeichnerisch dargestellt mit mit den Rohren
10 und Ii der Fig. 2 verbunden. Anschluß 19 führt ins Freie.
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Beim Schalten des Schritts eh altwerkes kommen also nacheinander zunächst
die Kanäle 10 (IOa) und II (IIa), dann 19 und lo (loa) und darauf 19 und 11 (IIa)
im zyklischen Wechsel in Verbindung.
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Dementsprechend steuert sich, wie leicht zu verfolgen ist, der Kolben
g in Fig. 2 entweder so ein, daß die Kraftmaschine 4 (Fig. I) beaufschlagt wird,
oder die Treibdüsen 2, oder die Kraftmrtschine. 4 und die Treibdüsen 2 gleichzeitig.
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Die vorstehend beschriebenen und beispielsweise in den Fig. 2 und
3 dargestellten Umschalteinrichtungen lassen sich für alle im Rahmen dieser Erfindung
erwünschten Schaltaufgaben sinngemäß verwenden.
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Fig. 4 zeigt ein Beisp el für den oben beschriebenen dritten Lösungsweg,
und zwar für die dort genannte Ausführungsform beim Antrieb der Werk-
zeuge
durch das Reaktionsmoment der Treibdüsen über ein Planetengetriebe. Es bedeutet
20 den Eintritt des Treibwassers in das Gehäuse 21, das mit der Fangdüse 22 der
Strahlpumpe fest verbunden ist. Die Mittelachse der Strahlpumpe ist strichpunktiert
eingezeichnet und mit a-a bezeichnet. Die Treibdüsen, von denen eine 23a in der
linken Hälfte der Figur eingezeichnet ist, sind nun in einen Düsenkörper 23 eingearbeitet,
der mittels der Lager 24 und 25 auf der Fangdü.se um die Achse der Strahlpumpe drehbar
gelagert ist. Die Treibdüsen 23a sind so angeordnet, daß ihre Austriftsachsen die
Strahlpumpenachse in einem Abstand kreuzen, so daß die Reaktion der austretenden
Strahlen eine resultierende Einzeikraft in Achsenrichtung der trahlpumpe - im Sinne
der Zeichnung von oben nach unten - und ein resultierendes Moment um die Strnhlpumpenachse
auf den Düsenkörper ausübt. Die axiale Einzelkraft wird durch die Lager 24 und 25
(oder eines derselben) aufgenommen. D;as resultierende Moment hingegen bewirkt eine
Drehung des Düsenkbrpers 23 um die Strahlpumpenachse. Der Eintritt 23b des Treibwassers
in den Düseriörper wird zweckmäßig so gestaltet, daß das Wasser bei der durchschnittlich
zu erwartenden Drehzahl des Düsenkörpers stoßfrei eintritt.
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In dem Düsenkörper 23 als »Steg« sind nun noch, wie in der rechten
Hälfte der Fig. 4 dargestellt ist, eine oder mehrere Pianetenachsen eines Undaufgetriebes
gelagert. Es bedeutet 26 eine Planetenachse, 27 ein fest damit verbundenes Ritzel,
weiches mit einem Zahnkranz (Sonnenrad) 28 kämmt, der mit der feststehenden Fang
düse 22 und dem Gehäuse 21 fest verbunden ist. Auf der gleichen Planetenachse 26
befindet sich unten noch das zweite Ritzel 29, welches mit einem Zahnkranz (Sonnenrad)
30 kämmt. Der Zahnkranz 30 ist fest verbunden mit dem Einlauftrichter 31, der mittels
der Lager 32 und 33 im Gehäuse 21 drehbar gelagert ist. Ist nun das Übersetzungsverhältnis
zwischen den Zahnrädern 27 und 28 nur geringfügig von jenem unterschieden, das zwischen
den Zahnrädern 29 und 30 besteht, so dreht sich, wie bekannt, der Einlauftrichter
31 nur mit sehr gerinder Drehzahl, verglichen mit der Drehzahl des Düslenkörpers
23. Am Einlauftrichter 31 sind nun Werkzeuge 34 zum Loslösen und Aufwühlen der Feststoffie
befestigt. In dem gezeichneten Beispiel sind die Werkzeuge als eine Förderschnecke
ausgebildet und auch teilweise im Innern des Einlauftrichters angeordnet, so daß
die aufgenommenen Feststoffe stetig in die Strahlpumpe gefördert werden. Das Planetengetriebe
und die Lagerstellen laufen zweckmäßig in geschlossenem Ölbad. Wie die Fig. 4 zeigt,
läßt sich das Getriebe leicht an den Stellen 35 durch Dichtringe oder ähnliche Bauteile
so abdichten, daß Öl unter Überdruck sich im Getriebe hält, ohne daß (bei kleineren
Undichtheiten) der Einfall von umgebendem Wasser zu befürchten ist.
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Gelegentlich kann der im austretenden Wasser noch verbleibende Restdrall
als störend empfunden werden. Unter dem Einfluß der Fliehkraft drängen dann die
Feststoffe nach außen und wirken auf eine erhöhte Abnutzung der Fångdüse. Dieser
Übelstand läßt sich dadurch beseitigen oder zum mindesten auf ein erträgliches Maß
mildern, daß man im feststehenden Teil der -Strahlpumpe weitere Treibdüsen von entgegengesetztem
resultierendem Drall anordnet. Die Größe dieses Gegendralls kann verhältnismäßig
klein sein, da nur der Restdrall, also der verbleibende Drall der absoluten Strahlbewegung
durch den Gegendrall ausgeglichen werden soll: Die den Gegendrall lerzeugenden,
im festen Teil der Strahlpumpe (also etwa im Teil 22) unterzubringen den zusätzlichen
Treibdüse sind der deutlichen Darstellung wegen in Fig. 4 nicht eingezeichnet.