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DE102022211480A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen eines pulsierenden und Kavitationsblasen enthaltenden Flüssigkeitsstrahles zum hohlraumbildenden Abtragen von Material von Festkörpern, insbesondere Gesteinen - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen eines pulsierenden und Kavitationsblasen enthaltenden Flüssigkeitsstrahles zum hohlraumbildenden Abtragen von Material von Festkörpern, insbesondere Gesteinen Download PDF

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DE102022211480A1
DE102022211480A1 DE102022211480.9A DE102022211480A DE102022211480A1 DE 102022211480 A1 DE102022211480 A1 DE 102022211480A1 DE 102022211480 A DE102022211480 A DE 102022211480A DE 102022211480 A1 DE102022211480 A1 DE 102022211480A1
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DE
Germany
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flow channel
liquid jet
outlet
housing part
cavity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102022211480.9A
Other languages
English (en)
Inventor
Shahin Jamali
Berker Polat
Volker Wittig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of DE102022211480A1 publication Critical patent/DE102022211480A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05BSPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/02Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to produce a jet, spray, or other discharge of particular shape or nature, e.g. in single drops, or having an outlet of particular shape
    • B05B1/08Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to produce a jet, spray, or other discharge of particular shape or nature, e.g. in single drops, or having an outlet of particular shape of pulsating nature, e.g. delivering liquid in successive separate quantities ; Fluidic oscillators
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B41/00Equipment or details not covered by groups E21B15/00 - E21B40/00
    • E21B41/0078Nozzles used in boreholes
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
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Abstract

Ein Verfahren zum Erzeugen eines pulsierenden und Kavitationsblasen enthaltenden Flüssigkeitsstrahles zum hohlraumbildenden Abtragen von Material von Festkörpern, insbesondere Gesteinen durch Kavitationserosion verwendet eine Vorrichtung (100a), die eine Kavitationsdüse (3a) hat, die einen Düsenkörper (4) aufweist, durch den sich ein erster Strömungskanal (5) mit einem Eingang (6) für den Eintritt des pulsierenden Flüssigkeitsstrahles und einem Ausgang (7) für den Kavitationsblasen enthaltenden und pulsierenden Flüssigkeitsstrahl erstreckt. Eine stromaufwärts von der Kavitationsdüse (3a) angeordnete Einrichtung zum Erzeugen einer selbst induzierten pulsierenden Bewegung in dem Flüssigkeitsstrahl weist ein mit dem Düsenkörper (4)lösbar verbundenes Gehäuse auf, durch das sich ein zweiter Strömungskanal (16) mit einem mit einer Druckflüssigkeitsquelle verbindbaren Eingang (17)und einem Ausgang (18)erstreckt, der in einen Hohlraum (23) mündet, der mit dem Eingang (6) des ersten Strömungskanals (5) verbunden ist. Zur baulichen Vereinfachung der Vorrichtung und Steigerung der erodierenden Wirkung des Flüssigkeitsstrahles umfasst das Gehäuse einen äußeren Gehäuseteil (1) und einen inneren, den zweiten Strömungskanal (16) aufweisenden Gehäuseteil (2), der im äußeren Gehäuseteil (1) in und entgegen der Strömungsrichtung bewegbar angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen eines pulsierenden und Kavitationsblasen enthaltenden Flüssigkeitsstrahles zum hohlraumbildenden Abtragen von Material von Festkörpern, insbesondere Gesteinen, mit einer Kavitationsdüse, die einen Düsenkörper aufweist, durch den sich ein erster Strömungskanal mit einem Eingang für den Eintritt des pulsierenden Flüssigkeitsstrahles und einem Ausgang für den Kavitationsblasen enthaltenden und pulsierenden Flüssigkeitsstrahl erstreckt, und mit einer stromaufwärts von der Kavitationsdüse angeordneten Einrichtung zum Erzeugen einer pulsierenden Bewegung in dem Flüssigkeitsstrahl, wobei die Einrichtung ein mit dem Düsenkörper lösbar verbundenes Gehäuse aufweist, durch den sich ein zweiter Strömungskanal mit einem mit einer Druckflüssigkeitsquelle verbindbaren Eingang und einem Ausgang erstreckt, der in einen Hohlraum mündet, der mit dem Eingang des ersten Strömungskanals verbunden ist.
  • Eine derartige Vorrichtung ist aus der US-PS 3528704 bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird ein konstanter Druckflüssigkeitsstrom in einen zentrales Verteilergehäuse geleitet, von dem aus die Druckflüssigkeit über strahlenförmig verlaufende Rohrleitungen zu einer der Zahl der Rohrleitungen entsprechenden Anzahl von Kavitationsdüsen geleitet wird, die jeweils einen Düsenkörper aufweisen, durch den sich zwischen einem seitlich angeordneten Eingang und einem mittig angeordneten Ausgang ein Strömungskanal erstreckt, der sich zum Ausgang hin verengt, wobei sich in dem aus dem Ausgang austretenden Flüssigkeitsstrahl Kavitationsblasen bilden, die dazu beitragen, das beim Auftreffen des Flüssigkeitsstrahles auf einen Festkörper Material von dem Festkörper hohlraumbildend durch Kavitationserosion abgetragen wird. Zur Steigerung der erodierenden Wirkung des Flüssigkeitsstrahles wird dem in das Verteilergehäuse geleiteten konstanten Druckflüssigkeitsstrom eine pulsierende Bewegung durch Betätigen von Ventilen gegeben, die am Eingang der strahlenförmig verlaufenden Rohrleitungen im Verteilergehäuse angeordnet sind. Die Verwendung von Ventilen zum Erzeugen einer pulsierenden Bewegung in dem Flüssigkeitsstrahl ist technisch aufwändig und führt zum Verlust von Strömungsenergie. Außerdem sind die Ventile Verschleiß ausgesetzt und daher störanfällig. Ferner wird durch Reibung in den Rohrleitungen die pulsierende Bewegung des Flüssigkeitsstromes vermindert. Die Folge ist, dass der aus der Kavitationsdüse austretende Flüssigkeitsstrahl nur noch abgeschwächt pulsiert, wodurch die erodierende Wirkung des Flüssigkeitsstrahles keine wesentliche Steigerung durch Pulsation des Druckflüssigkeitsstromes erfährt.
  • Aus der US-PS 5495903 ist eine einen pulsierenden Flüssigkeitsstrom erzeugende Düse zum Einbau in ein Bohrwerkzeug für Gesteinsbohrungen bekannt. Die pulsierende Bewegung des Flüssigkeitsstromes wird in dieser Düse ohne Einsatz von zusätzlichen beweglichen Strömungssteuerventilen oder dgl. erzeugt. Sie wird deshalb als eine „selbstinduzierte“ pulsierende Bewegung bezeichnet. Diese Düse hat einen Düsenkörper, durch den sich ein Strömungskanal erstreckt, der einen Eingang für den Eintritt einer Druckflüssigkeit in den Strömungskanal und einen Ausgang hat, der in einen zylindrischen Hohlraum in dem Düsenkörper mündet. Der Hohlraum hat einen im Vergleich zu dem am Ausgang des Strömungskanals vorliegenden kreisförmigen Querschnitt erweiterten Querschnitt und wird von zwei sich gegenüberliegenden ebenen, quer zur Strömungsrichtung sich erstreckenden Wandabschnitten des Düsenkörpers und von einem zylindrischen Wandabschnitt des Düsenkörpers begrenzt. Der Hohlraum ist mit dem Eingang eines weiteren Strömungskanals verbunden, der sich in dem Düsenkörper befindet und axial fluchtend zu dem einen Strömungskanal angeordnet ist. Der kreisförmige Querschnitt des weiteren Strömungskanals an dessen Eingang ist größer als der kreisförmige Querschnitt des einen Strömungskanals an dessen Ausgang und kleiner als der Querschnitt des Hohlraumes, wobei der Abstand zwischen den beiden sich gegenüberliegenden quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Wandabschnitten des Düsenkörpers fest ist. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit des aus dem weiteren Strömungskanal austretenden pulsierenden Flüssigkeitsstrahles ist dadurch erreichbar, dass der Flüssigkeitsstrahl in einen weiteren Hohlraum im Düsenkörper eintritt und den weiteren Hohlraum über eine dritten Strömungskanal wieder verlässt, der einen Querschnitt hat, der kleiner als der Querschnitt des weiteren Hohlraumes und größer als der Querschnitt des weiteren Strömungskanals ist. Allein durch die Form, Anordnung und relativen Abmessungen der Strömungskanäle und des Hohlraumes bzw. der Hohlräume wird dem durch den einen Strömungskanal in den Hohlraum eintretenden Flüssigkeitsstrom eine selbst induzierte pulsierende Bewegung auferlegt, die er beim Austritt aus dem weiteren Strömungskanal beibehält. Kavitationsblasen hat dieser Flüssigkeitsstrom jedoch nicht, so dass seine erodierende Wirkung schwach ist.
  • Aus der US-PS 8424620 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von seitlichen unterirdischen Bohrlöchern bekannt, die sich von einer vertikalen Hauptbohrung seitlich weg erstrecken. Hierbei wird eine Kavitations- oder Pulsationsdüse für den Austritt eines kavitierenden oder pulsierenden Flüssigkeitsstrahles eingesetzt, um das Bohrwerkzeug beim hohlraumbildenden Abtragen von Gesteinsmaterial seitlich von der vertikalen Hauptbohrung zu unterstützen.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die gattungsgemäße Vorrichtung so weiterzubilden, dass der bauliche Aufwand für die Vorrichtung verringert ist, die erodierende Wirkung des auf den Festkörper auftreffenden Flüssigkeitsstromes gesteigert ist und eine einfache und schnelle Anpassung der Vorrichtung und der mit ihr erzielten erodierenden Wirkung an eine veränderte Beschaffenheit des zu bearbeitenden Festkörpers möglich ist. Auch ein Verfahren soll angegeben werden, bei dem diese Vorrichtung verwendet werden kann.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil einer kompakten Bauweise insbesondere im Vergleich zu der aus der US-PS bekannten Vorrichtung, sowie den Vorteil einer schnellen und einfachen Veränderbarkeit der Geometrie der die Pulsation und die Kavitation erzeugenden Bauteile der Vorrichtung, wobei die Modulbauweise der Vorrichtung und die axiale Verschiebbarkeit des inneren Gehäuseteils wesentlich dazu beitragen, dass die Geometrie dieser Bauteile schnell und einfach veränderbar ist, wenn die jeweilige Beschaffenheit der zu bearbeitenden Festkörper Veränderungen in der Intensität der Pulsation und/oder Kavitation des Flüssigkeitsstrahles erfordern.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
    • 1 einen äußeren Gehäuseteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch im Querschnitt,
    • 2 einen inneren Gehäuseteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch im Querschnitt,
    • 3 die gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung einschließlich einer ersten Ausführungsform einer Kavitationsdüse schematisch im Querschnitt,
    • 4 die gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung einschließlich einer zweiten Ausführungsform der Kavitationsdüse schematisch im Querschnitt,
    • 5 die gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung einschließlich einer dritten Ausführungsform der Kavitationsdüse schematisch im Querschnitt,
    • 6 die gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung einschließlich einer vierten Ausführungsform der Kavitationsdüse schematisch im Querschnitt,
    • 7 eine größere Darstellung der gesamten erfindungsgemäßen Vorrichtung einschließlich der nur als Beispiel gewählten ersten Ausführungsform der Kavitationsdüse schematisch im Querschnitt, wobei zusätzlich einige nur als Beispiel gewählte Maße und Maßbereiche von baulichen Merkmalen der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben sind,
    • 8 eine schematische Darstellung eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbaren unterirdischen Bohrungsmusters, das eine vertikale Hauptbohrung, eine davon abgezweigte seitliche Bohrung und ein davon abgehendes Mikrobohrloch beinhaltet,
    • 9 eine schematische perspektivische Darstellung eines gesamten mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbaren unterirdischen Bohrmusters, das eine vertikale Hauptbohrung, davon auf verschiedenen Höhen der Hauptbohrung abgezweigte radiale und seitliche Bohrungen und von den radialen und seitlichen Bohrungen ausgehende Mikrobohrlöcher enthält,
    • 10a ein Foto eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Sandstein erzeugtes Bohrloches mit den beim Erzeugen des Bohrloches entstandenen, unregelmäßig verteilten und unterschiedlich tiefen, seitlichen Mikrobohrlöchern,
    • 10b ein vergrößerter Ausschnitt aus dem in 10a gezeigten Foto, und
    • 11 eine Tabelle, die für verschiedene beispielhafte Eingangsdruckwerte („Inlet/Pump pressure“)in bar am Eingang des ersten Strömungskanals der erfindungsgemäßen Vorrichtung und für die entsprechenden Ausgangsdruckwerte („Outlet/bit pressure“)in bar am Ausgang der Kavitationsdüse und für die daraus errechneten Druckverhältnisse („Pressure ratio“) die jeweilige Stärke („Effect“) der Kavitation und Pulsation des Flüssigkeitsstrahles mit der Bezeichnung „Maximal“ („Maximum“) oder „Schwach“ („Mild“) wiedergibt.
  • Es wird zunächst auf die 1, 2, 3 und 7 Bezug genommen. Wie aus diesen Figuren ersichtlich weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100a zum Erzeugen eines pulsierenden und Kavitationsblasen enthaltenden Flüssigkeitsstrahles zum hohlraumbildenden Abtragen von Material von Festkörpern insbesondere Gesteinen eine Kavitationsdüse 3a auf, die einen Düsenkörper 4 hat, durch den sich ein erster zylindrischer Strömungskanal 5 mit einem Eingang 6 für den Eintritt des pulsierenden Flüssigkeitsstrahles und einem Ausgang 7 für den Kavitationsblasen enthaltenden pulsierenden Flüssigkeitsstrahl erstreckt. Ferner weist die Vorrichtung 100a eine stromaufwärts von der Kavitationsdüse 3a angeordnete eine Einrichtung zum Erzeugen einer pulsierenden Bewegung in dem Flüssigkeitstrahl auf. Diese Einrichtung hat ein aus einem äußeren Gehäuseteil 1 und einem inneren Gehäuseteil 2 bestehenden Gehäuse, wobei der innere Gehäuseteil 2 in dem äußeren Gehäuseteil 1 in und entgegen der Strömungsrichtung F des Flüssigkeitsstrahles bewegbar aufgenommen ist, wie unten näher beschrieben ist.
  • Der äußere Gehäuseteil 1 hat eine zylindrische Außenfläche und einen konzentrisch angeordneten, an seinen sich gegenüberliegenden Enden offenen Innenraum 8, der einen stromaufwärts angeordneten, zylindrischen Abschnitt 9 und einen stromabwärts angeordneten zylindrischen Abschnitt 10 umfasst, der einen kleineren Durchmesser als der stromaufwärts angeordnete Abschnitt 9 des Innenraumes 8 hat. Zwischen den beiden zylindrischen Abschnitten 9 und 10 des Innenraumes 8 befindet sich eine ringförmige ebene Übergangsfläche 11a. Der zylindrische Abschnitt 10 hat ein Innengewinde 12, mit dem ein Außengewinde 13 an einem zylindrischen Abschnitt 14 des inneren Gehäuseteils 2 in Eingriff ist.
  • Der innere Gehäuseteil 2 hat einen weiteren zylindrischen Abschnitt 15, der sich stromaufwärts von dem zylindrischen Abschnitt 14 befindet und einen größeren Durchmesser als der zylindrische Abschnitt 14. Zwischen den beiden zylindrischen Abschnitten 14 und 15 befindet sich eine ebene ringförmige Übergangsfläche 11b. Die Durchmesser der zylindrischen Abschnitte 9 und 15 sind aufeinander derart abgestimmt, dass der zylindrische Abschnitt 15 des inneren Gehäuseteils 2 in den zylindrischen Abschnitt 9 des Innenraumes 8 des äußeren Gehäuseteils 1 mit Spiel passt.
  • Der innere Gehäuseteil 2 hat einen konzentrisch angeordneten, zweiten Strömungskanal 16, der sich zwischen einem mit einer nicht dargestellten Druckflüssigkeitsquelle verbindbaren Eingang 17 am stromaufwärtigen Ende des inneren Gehäuseteils 2 und einem Ausgang 18 am stromabwärtigen Ende des inneren Gehäuseteils 2 erstreckt, wobei der zwweite Strömungskanal 16 mehrere in Strömumgsrichtung aufeinanderfolgende Abschnitte hat, von denen ein sich in Strömungsrichtung konisch verjüngender Abschnitt 19 zwischen zwei zylindrischen koaxialen Abschnitten 20 und 21 angeordnet ist, von denen der stromaufwärtige zylindrische Abschnitt 20 einen größeren Durchmesser als der stromabwärtige zylindrische Abschnitt 21 hat, der sich bis zu dem Ausgang 18 des zweiten Strömungskanals 2 erstreckt. Ein weiterer zylindrischer Abschnitt 22, der einen größeren Durchmesser als der Abschnitt 20 und der Abschnitt 21 hat, erstreckt sich zwischen dem zylindrischen Abschnitt 20 und dem Eingang 17 des zweiten Strömungskanals 16.
  • Der zylindrische Abschnitt 21 des zweiten Strömungskanals 16 mündet an dessen Ausgang 18 in einen Hohlraum 23, der von einem den Ausgang 18 des zweiten Strömungskanals 16 aufweisenden ebenen zweiten Wandabschnitt 24 des inneren Gehäuseteils 2, einem gegenüberliegenden, den Eingang 6 des ersten Strömungskanals 5 aufweisenden ersten Wandabschnitt 25 des Düsenkörpers 4 und einem inneren zylindrischen Wandabschnitt 26 des äußeren Gehäuseteils 1 begrenzt wird. Der zylindrischen Wandabschnitt 26 und der zylindrische Abschnitt 10 des Innenraumes 8 sind durchmessergleich.
  • Der erste Wandabschnitt 25 des Düsenkörpers 4 der Kavitationsdüse 3a ist konisch konvex und ragt in den Hohlraum 23 hinein und wird von einem ringförmigen ebenen Wandabschnitt 27 (Anlagefläche) des Düsenkörpers 4 umgeben. Ein ringförmiger ebener Wandabschnitt 28 (Stirnfläche) des äußeren Gehäuseteils 1 und der ringförmige ebene Wandabschnitt 27 liegen aneinander und werden durch den Düsenkörper 4 und den äußeren Gehäuseteil 1 lösbar miteinander verbindenden Schrauben 29 gegeneinander gezogen.
  • Der erste Strömungskanal 5 mündet an seinem Ausgang 7 in eine sich konisch erweiternde Ausnehmung 30 in dem Düsenkörper 4 der Kavitationsdüse 3a.
  • Durch Drehen des inneren Gehäusteils 2 relativ zu dem äußeren Gehäuseteil 1 wird der innere Gehäuseteil 2 infolge des Eingriffs zwischen dem Außengewinde 13 am zylindrischen Abschnitt 14 des inneren Gehäuseteils 1 und dem Innengewinde 12 im zylindrischen Abschnitt 10 des Innenraumes 8 des äußeren Gehäuseteils 1 je nach Drehrichtung in oder entgegen der Strömungsrichtung bewegt, wobei sich der Wandabschnitt 24 des inneren Gehäuseteils 2 entsprechend mitbewegt. Eine Bewegung des Wandabschnittes 24 in oder entgegen der Strömungsrichtung ändert auch den Abstand D zwischen den Wandabschnitten 24 und 25, wobei der Abstand zwischen diesen beiden Wandabschnitten die maximale Länge des Hohlraumes 23 bestimmt.
  • In der in 3 und 7 dargestellten Position des inneren Gehäuseteils 2 liegen die ringförmige ebene Ubergangsflächen 11a und 11b aneinander, wodurch eine weitere Bewegung des inneren Gehäuseteils 2 in Strömungsrichtung relativ zu dem äußeren Gehäuseteil 1 verhindert ist.
  • Im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird Druckflüssigkeit, wie z. B. Wasser mit Umgebungstemperatur, von der nicht dargestellten Druckflüssigkeitsquelle zum Eingang 17 des zweiten Strömungskanals 16 im inneren Gehäuseteils 2 geleitet. Im Strömungskanal 16 wird die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung aufgrund der zum Ausgang 18 des zweiten Strömungskanals 16 hin fortschreitenden Querschnittsverminderung des Strömungskanals erhöht. Beim Eintritt der im zweiten Strömungskanal 16 beschleunigten Flüssigkeitsströmung in den Hohlraum 23 erweitert sich der Strömungsquerschnitt der Flüssigkeitsströmung schlagartig auf den deutlich größeren Durchmesser des Hohlraumes 23. Dies bewirkt in der im Hohlraum 23 befindlichen Flüssigkeitsströmung die Bildung von heftigen Strömungswirbeln, die ihrerseits ein rasches Pulsieren der Flüssigkeitsströmung zur Folge hat. Das Pulsieren der Flüssigkeitsströmung wird daher von der Strömung selbst induziert. Die pulsierende Strömung verlässt den Hohlraum 23 über den ersten Strömungskanal 5 in der Kavitationsdüse 3a, wobei die Geschwindigkeit der pulsierenden Strömung im ersten Strömungskanals 5 aufgrund des gegenüber dem Hohlraum 23 erheblich verringerten Querschnittes des ersten Strömungskanals 5 wieder beschleunigt und ihr Druck mindestens so weit abgesenkt wird, dass sich beim Austritt des Flüssigkeitsstrahles aus dem Ausgang 7 der Kavitationsdüse 3a Kavitationsblasen in dem pulsierenden Flüssigkeitsstrahl bilden, die beim Auftreffen auf den Festkörper implodieren, wodurch Material von dem Festkörper hohlraumbildend abgetragen wird.
  • Bei der in 7 vergrößerten Darstellung der in 3 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zusätzlich einige nur als bevorzugte Beispiele zu wertenden Maße und Maßbereiche von baulichen Merkmalen der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben. Für die folgenden baulichen Merkmale der erfindungsgmäßen Vorrichtung werden beispielsweise folgende Maße und Maßbereiche gewählt:
    • Durchmesser des ersten Strömungskanals 5:2,4 mm;
    • Durchmesser des zweiten Strömungskanals 16 am Ausgang 18: 2,0 mm;
    • Maximale Länge des Hohlraumes 23: im Bereich zwischen 7 und 18 mm;
    • Durchmesser des Hohlraumes 23: im Bereich zwischen 12 und 24 mm.
  • Für eine Änderung des Durchmessers des Hohlraumes 23 wird zumindest der äußere Gehäuseteil 23 gegen einen anderen äußeren Gehäuseteil ausgetauscht, der einen anderen Durchmesser des Hohlraumes 23 ergibt. Beispielsweise stehen äussere Gehäuseteile 23 zur Verfügung, die einen Hohlraumdurchmesser von 12, 16, 20 oder 24 mm gestatten.
  • Die in den 4, 5 und 6 gezeigten Vorrichtungen 100b, 100c bzw. 100d unterscheiden sich von der in den 1, 2, 3 und 7 gezeigten Vorrichtung 100a nur durch eine jeweils geänderte Geometrie des Düsenkörpers 4 der jeweiligen Kavitationsdüse 3b, 3c, 3d. Es werden daher die gleichen Bezugszeichen für diejenigen Teile der Vorrichtungen 100b, 100c und 100d verwendet, die bei der Vorrichtung 100a gleich oder ähnlich sind.
  • Bei der in 4 gezeigten Vorrichtung 100b ist der den Hohlraum 23 begrenzende Wandabschnitt 25 des Düsenkörpers 4 eben ausgebildet und erstreckt sich quer zur Strömungsrichtung. Der Ausgang 7 des ersten Strömungskanals 5 mündet in eine kegelstumpfförmige Ausnehmung 30, die sich nach außen konisch erweitert.
  • Bei der in 5 gezeigten Vorrichtung 100c ist der den Hohlraum 23 begrenzende Wandabschnitt 25 des Düsenkörpers 4 konkav oder schalenförmig ausgebildet, wobei der Eingang 6 des ersten Strömungskanals 5 sich am Grund des schalenförmigen Wandabschnittes 25 befindet. Der Ausgang 7 des ersten Strömungskanals 5 liegt in einem ebenen, quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Wandabschnitt des Düsenkörpers 4.
  • Bei der in 6 gezeigten Vorrichtung 100d ist der den Hohlraum 23 begrenzende Wandabschnitt 25 des Düsenkörpers 4 konvex gebogen ausgebildet. Der erste Strömungskanal 5 mündet an seinem Ausgang 7 in eine konische Ausnehmung 30, die tiefer als die konische Ausnehmung 30 bei der Vorrichtung 100a ist und sich stärker erweitert als die konische Ausnehmung 30 bei der Vorrichtung 100a.
  • Die beschriebenen und dargestellten verschiedenen Formen des Düsenkörpers 4 der Vorrichtungen 100a, 100b, 100c und 100d ermöglichen es, die Pulsation und/oder die Kavitationsblasenbildung im Flüssigkeitsstrahl an die jeweilige Beschaffenheit des zu bearbeitenden Festkörpers insbesondere des Gesteins optimal anzupassen, um das jeweils bestmögliche Ergebnis bei der Hohlraumbildung im Festkörper zu erzielen.
  • 8 zeigt eine schematische Darstellung eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Kavitationserosion und Pulsation eines Flüssigkeitsstrahles erzielbaren unterirdischen Bohrungsmusters, das eine vertikale Hauptbohrung 31, eine an einer Kreuzung 32 davon abgezweigte seitliche Bohrung 33 und ein davon abgehendes Mikrobohrloch 34 beinhaltet.
  • Ein in 9 schematisch und perspektivisch dargestelltes unterirdisches Bohrmusters, das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden kann, umfasst eine vertikale Hauptbohrung 31, davon auf verschiedenen Höhen der Hauptbohrung 31 abgezweigte radiale und seitliche Bohrungen 32 und von den radialen und seitlichen Bohrungen 32 ausgehende Mikrobohrlöcher 33.
  • Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    äußeres Gehäuseteil
    2
    inneres Gehäuseteil
    3a, 3b, 3c, 3d
    Kavitationsdüse
    4
    Düsenkörper
    5
    erster Strömungskanal
    6
    Eingang
    7
    Ausgang
    8
    Innenraum
    9
    zylindrischer Abschnitt
    10
    zylindrischer Abschnitt
    11a
    Übergangsfläche
    11b
    Übergangsfläche
    12
    Innengewinde
    13
    Außengewinde
    14
    zylindrischer Abschnitt
    15
    zylindrischer Abschnitt
    16
    zweiter Strömungskanal
    17
    Eingang
    18
    Ausgang
    19
    konischer Abschnitt
    20
    zylindrischer Abschnitt
    21
    zylindrischer Abschnitt
    22
    zylindrischer Abschnitt
    23
    Hohlraum
    24
    zweiter Wandabschnitt
    25
    erster Wandabschnitt
    26
    zylindrischer Abschnitt
    27
    Wandabschnitt (Anlagefläche)
    28
    Wandabschnitt (Stirnfläche)
    29
    Schrauben
    30
    Ausnehmung
    31
    Hauptbohrung
    32
    Kreuzung
    33
    seitliche Bohrung
    34
    Mikrobohrloch
    100a, 100b, 100c, 100d
    Vorrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 3528704 [0002]
    • US 5495903 [0003]
    • US 8424620 [0004]

Claims (14)

  1. Vorrichtung (100a, 100b, 100c, 100d) zum Erzeugen eines pulsierenden und Kavitationsblasen enthaltenden Flüssigkeitsstrahles zum hohlraumbildenden Abtragen von Material von Festkörpern insbesondere Gesteinen, mit einer Kavitationsdüse (3a, 3b, 3c, 3d), die einen Düsenkörper (4) aufweist, durch den sich ein erster Strömungskanal (5) mit einem Eingang (6) für den Eintritt des pulsierenden Flüssigkeitsstrahles und einem Ausgang (7) für den Kavitationsblasen enthaltenden pulsierenden Flüssigkeitsstrahl erstreckt, und mit einer stromaufwärts von der Kavitationsdüse (3a, 3b, 3c, 3d) angeordneten Einrichtung zum Erzeugen einer pulsierenden Bewegung in dem Flüssigkeitstrahl, wobei die Einrichtung ein mit dem Düsenkörper (4) lösbar verbundenes Gehäuse aufweist, durch das sich ein zweiter Strömungskanal (16) mit einem mit einer Druckflüssigkeitsquelle verbindbaren Eingang (17) und einem Ausgang (18)erstreckt, der in einen Hohlraum (23) mündet, der mit dem Eingang (6) des ersten Strömungskanals (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen äußeren Gehäuseteil (1) mit einem Innenraum (8) und einen inneren, den zweiten Strömungskanal (16) aufweisenden Gehäuseteil (2) umfasst, der im Innenraum (8) des äußeren Gehäuseteils (1) in und entgegen der Strömungsrichtung bewegbar angeordnet ist, und der Hohlraum (23) mindestens von einem den Eingang (6) des ersten Strömungskanals (5) aufweisenden ersten Wandabschnitt (25)des Düsenkörpers (4)und einem dem ersten Wandabschnitt (25) gegenüberliegenden, den Ausgang (18) des zweiten Strömungskanals (16) aufweisenden zweiten Wandabschnitt (24) des inneren Gehäuseteils (2) begrenzt ist, wobei ein Abstand (D)zwischen dem ersten Wandabschnitt (25) und dem zweiten Wandabschnitt (24) durch das Bewegen des inneren Gehäuseteils (2) relativ zum äußeren Gehäuseteil (1) veränderbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wandabschnitt (25) eben ist oder eine konvexe oder konkave Form hat, die jeweils gerundet, konisch oder frustokonisch ist, wobei der Eingang (6) des ersten Strömungskanals (5) mittig im ersten Wandabschnitt (25) angeordnet ist und der erste Strömungskanal (5) und der zweite Strömungskanal (16)axial fluchten.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (23) von einem dritten Wandabschnitt (26) begrenzt ist, der sich auf einer dem Innenraum (8)zugekehrten Innenseite des äußeren Gehäuseteils (1) befindet.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, der erste Wandabschnitt (25) von einer Anlagefläche (27) umgeben ist, die einer Stirnfläche (28) des äußeren Gehäuseteils (1) gegenüberliegt, und die Anlagefläche (27) und die Stirnfläche (28) mit den Düsenkörper (4) lösbar mit dem äußeren Gehäuseteil (1) verbindenden Schraubverbindungsmitteln (29) gegeneinander gezogen sind.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungskanal (16)an seinem Ausgang (18)eine kleinere Querschnittsfläche als an seinem Eingang (17) hat.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungskanal (5) an seinem Ausgang (7)eine Querschnittsfläche hat, die größer als die Querschnittsfläche am Ausgang (18)des zweiten Strömungskanals (16) ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungskanal (5) eine konstant große Querschnittsfläche zwischen seinem Eingang (6)und seinem Ausgang (7) hat.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungskanal (5) zylindrisch zwischen seinem Eingang (6) und seinem Ausgang (7) ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungskanal (16)mindestens einen sich in Strömungsrichtung konisch verjüngenden Abschnitt (19) hat.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungskanal (16) mehrere zylindrische Abschnitte (20, 21, 22) hat, deren Durchmesser in Strömungsrichtung abnehmen.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungskanal (5) an seinem Ausgang (7) in eine kegelförmige oder kegelstumpfförmige Ausnehmung (30) in einem Außenwandabschnitt des Düsenkörpers mündet, wobei sich die Ausnehmung im Querschnitt zum Ausgang des ersten Strömungkanals (5)hin verjüngt.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (7) des ersten Strömungskanals (5) in einem ebenen Außenwandabschnitt des Düsenkörpers (4) liegt.
  13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (23)zylindrisch ist und einen Durchmesser hat, der aus einer Gruppe von verschieden großen Durchmessern ausgewählt ist.
  14. Verfahren zum Erzeugen eines pulsierenden und Kavitationsblasen enthaltenden Flüssigkeitsstrahles zum hohlraumbildenden Abtragen von Material von Festkörpern insbesondere Gesteinen, dadurch gekennzeichnet, dass die pulsierende Bewegung des Flüssigkeitsstrahles unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 selbst induziert wird und der Druck und die Geschwindigkeit des den Düsenkörper (4)durchströmenden Flüssigkeitsstrahles so gewählt sind, dass in dem aus dem Düsenkörper (4)austretenden pulsierenden Flüssigkeitsstrahl Kavitationsblasen gebildet werden, die dazu beitragen, beim Auftreffen des Flüssigkeitsstrahles auf einen Festkörper Material des Festkörpers durch Kavitationserosion hohlraumbildend abzutragen.
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