DE3014801C2 - Flüssigkeitspulskanone - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitspulskanone nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind Flüssigkeitspulskanonen bekannt, die nach Art konventioneller Otto- oder Dieselmotoren mit einer Niederdruckverbrennung von weniger als 100 bar zum Antfieb eines Differenzdruckkolbens arbeiten. Im Arbeitsflüssigkeitsraum aber müssen für eine gute Schußwirkung des Hochgeschwindigkeitsstrahls, etwa im Gesteinsbau, Drücke in der Größenordnung von 10 kbar erreicht werden, so daß diese Geräte ein sehr großes Obersetzungsverhältnis am Differenzdruckkolben erfordern und ein übermäßig hohes Baugewicht und -volumen haben.

Bei den etwa aus der DE-OS 27 34183 bekannten Flüssigkeitspulskanonen der beanspruchten Art hingegen, die mit einer adiabatischen Zündung eines hochenergetischen, insbesondere monergolen Treibstoffs arbeiten, hat der Verbrennungsraum in d^r vollen Rückhublage des Differenzdruckkolbens das für den mit solchen Treibstoffen maximal erzielbaren Verbrennungsdruck (von über 4000 bar) erforderliche Mindestvolumen, was zwar eine sehr geringe Größe des Verbrennungsraums und des Differenzdruckkolbens und somit insgesamt eine äußerst kompakte Bauweise ergibt, aber unzulässige Kolbenschwingungen, eine übermäßige Gasleckage und vor allein eine zu geringe mechanische Standfestigkeit einer derartigen Flüssigkeitspulskanone, nämlich insbesondere eine Zerstörung der hochbelasteten, verbrennungsraumseitigen Sperrorgane nach weniger Arbeitstakten, zur Folge hat

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkeitspulskanone der beanspruchten Art so auszubilden, daß unter Beibehaltung eines hochenergetischen Triebstoffsystems und mit einer kompakten, gewichtsmäßig leichten Bauweise eine hohe mechanische Standfestigkeit und eine wesentlich verbesserte Strahlschußwirkung erzielt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Flüssigkeitspulskanone gelöst

Bei der erfindungsgemäßen Flüssigkeitspulskanone ist der Verbrennungsraum in der vollen Rückhublage des Differenzdruckkolbens so groß bemessen, daß der Verbrennungsdruck der hochenergetischen Triebstoff-Füllmenge auf ein mittleres Druckniveau zwischen etwa 300 und 1500 bar reduziert wird, und dieses mittlere Druckniveau ist bestimmend für die zur Erzeugung eines gewünschten Flüssigkeits-Auftoßdrucks benötigte Druckverstärkung und somit das Flächen- bzw. Druckmesserverhältnis des Differenzdruckkolbens. Dieses liegt etwa zwischen 2,5 und 5 für einen typischen Ausstoßdruck von 10 kbar und ist immer noch so gering, daß sich die Kolbengröße und das Baugewicht und -volumen des Gesamtgeräts, bezogen auf die geforderte Ausstoßleistung, sehr klein halten lassen, gleichzeitig aber entfallen die aus der Hochdruckverbrennung resultierenden Verschließ-, Schwingungs- und Dichtprobleme, so daß eine hochgradige Energieumsetzung und Strahlschußwirkung und eine große mechanische Dauerstandfestigkeit garantiert werden. Das erfindungsgemäße Gerät ist insbesondere zum Ausbruch harter Gesteinssorten und für Anwendungsfälle geeignet, wo neben einer extrem hohen Strahlschußleistung eine besonders gedrängte Bauweise und große Betriebszuverlässigkeit gefordert werden, wobei der Verbrennungsdruck in dem erwähnten Druckbereich und somit die Schußwirkung durch entsprechende Dosierung des flüssigen Treibstoffs veränderlich einstellbar sind.

Hinzu kommt daß die erfindungsgemäße Flüssigkeitspulskanone aufgrund des auf ein mittleres Niveau abgesenkten Verbrennungsdrucks mit einer elektrischen Funkenzündung der Treibstoffmenge auskommt und die hierzu benötigte, elektrische Zündkerze den auftretenden Druckwerten und Druckgradienten stand· hält, während bei der üblichen Hochdruckverbrennung des monergolen Treibstoffs eine weit aufwendigere,

adiabatische Kompressionszündung anstelle der wesentlich einfacheren, einer pulsierenden Hochdruckbelastung aber nicht gewachsenen, elektrischen Zündkerze verwendet werden mußte.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird gemäß Anspruch 2 durch die Zugabe einer Zündhilfe in Form eines sauerstoffhaltigen Stützgases die Zündung und Verbrennung der vorzugsweise monergolen Flüssigtreibstofrkomp-onente erleichtert und unterstützt ι ο

Um die hohe kinetische Energie des Differenzdruckkolbens am Arbeitshubende dynamisch abzubremsen, ist zweckmäßigerweise wahlweise oder zusätzlich zu einer pneumatischen eine hydrodynamische Abbremsung vorgesehen, die in einfacher Weise dadurch bewirkt wird, daß der gemäß Anspruchs verjüngt ausgebildete Teil des Differenzdruckkolbens am Arbeitshubende unter zunehmender Drosselung in die Öffnung der Strahldüse eintaucht

Zur weiteren Erhöhung der Standfestigkeit, und um vor allem bei höheren Pulsfrequenzen eine örtliche überhitzung des Gehäuses zu vermeiden, ist gemäß den Ansprüchen 4 und 5 im Bereich des Verbrennungsraums zweckmäßigerweise ein Kühlmantel vorgesehen, wobei die Kühlflüssigkeit am einfachsten die gleiche wie die 2s intermittierend nachgefüllte Arbeitsflüssigkeit ist

Im Hinblick auf eine zielgerechte Schmierung des größeren, verbrennungsraumseitigen, vorzugsweise über Kolbenringe dichtend geführten Kolbenabschnitts vom Verbrennungsraum her, bei der gleichzeitig ein ω unzulässiges, die Treibstoffzündung unterdrückendes Eindringen des Schmiermittels in den Verbrennungsraum selbst verhindert wird, ist gemäß Ansprüche vorzugsweise ein in der Kolbenrückhublage zwischen einem konischen Kolbenansatz und einer gehäusefesten Anschlagfläche zum Verbrennungsraum geschlossener, an den Dichtspalt zwischen Gehäusebohrung und Kolbenmantelfläche angrenzender, ringförmiger Schmiermittelkanal vorgesehen.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, die in schematischer Darstellung einen Längsschnitt einer Höchstdruck-Wasserpuiskanone zeigt

Die Wasserpulskanone 2 enthält als Hauptbestandtei- ■* ί Ie ein aus einem Hochdruckteil 6 und einem Nieder- und Mitteldruckteil 8 bestehendes zylindrisches Gehäuse 4, in dessen abgestufter Zylinderbohrung 10 ein Differenzdruckkolben 12 axial verschieblich angeordnet ist Durch diesen wird die Zylinderbohrung 10 in einen ">^(| durch den kleineren Kotbenabschnitt 14 begrenzten Arbeitsflüssigkeitsraum 16, eine mittlere, von der Kolbenringfluche 18 begrenzte Rückführkammer 20 und einen an die Kolbenfläche 22 des größeren Kolbenabschnitts 24 angrenzenden Verbrennungs- und Expansionsraum 26 unterteilt.

Das Befüllen des Arbeitsflüssigkeitsraums 16 erfolgt über mehrere, in Umfangsrichtung verteilte Einlaßschlitze 28, die von der Kolbenfläche 30 des kleineren, in einer Hochdruckbüchse 32 des Arbeitsflüssigkeitsraums 16 geführten Kolbenabschnitts 14 schräg nach hinten zur Mantelfläche des kleineren Kolbenabschnitts 14 verlaufen und in der gezeigten, vollen Rückhubstellung des Differenzdruckkolbens 12 soweit über das hintere Ende der Hochdruckbüchse 32 zurückgefahren sind, daß Niederdruckwasser unter etwa 20 bar, das über eine Leitung 34 und ein Wasseranschlußventil 36 in einer an das hintere der Hochdruckbüchse 32 angrenzenden, ringförmigen Befüllkammer 38 ansteht, in den Arbeitsflüssigkeitsraum 16 einströmt und diesen durchspült, wobei der Wssserüberschuß über die Düsenöffnung 40 der am Austrittsende des Arbeitsflüssigkeitsraums 16 durch einen Düsenhalter 42 gesicherten Strahldüse 44 ins Freie entweicht Wenn der Arbeitsflüssigkeitsraum 16 über die Einlaßschlitze 28 gefüllt und von störenden Lufteinschlüssen freigespült ist, werden die Arbeitsschlitze 28 kurz nach Beginn des Arbeitshubs — nachdem der Differenzdruckkolben 12 eine Hublänge von etwa 2 mm aus der Rückhublage vorgefahren ist — durch das hintere Ende der Büchse 32 zur Befüllkammer 38 hin abgesperrt, und unter der Wirkung des sich nunmehr im Arbeitsflüssigkeitsraum 16 aufbauenden Wasser-Höchstdrucks von typischerweise 10 kbar wird die Wasserfüllung unter Erzeugung eines Hochgeschwindigkeitsstrahls geschoßartig über die Strahldüse 44 ausgetrieben.

Zur hydrodynamischen Kolbenabbremsung ist am wasserseitigen Kolbenende ein über die Kolbenfläche 30 vorstehender Drosselzapfen 46 vor uaehen, der kurz vor dem Arbeitshubende in die sich steife verengende Düsenöffnung 40 einfährt und den wirksamen Düsendurchflußquerschnitt zunehmend stärker verringert, wodurch im Arbeitsflüssigkeitsraum 16 ein weiterer Druckanstieg auftritt, durch den der mit hoher kinetischer Energie vorlaufende Differenzdruckkolben 12 sicher abgebremst wird.

Die Rückführkammer 20, die vom Arbeitsflüssigkeitsraum 16 bzw. der Befüllkammer 38 durch eine entlüftete Dichtringanordnung 48 getrennt ist ist von einem Gasspeicher 50 her ständig mit Niederdruckgas, z. B. Stickstoff unter etwa 20 bar, bedrückt Beim Arbeitshub des Differenzdruckkolbens 12 wird das Niederdruckgas über ein Anschlußstück 56 und ein Rückschlagventil 52 in den Gasspeicher 50 zurückgeschoben, wobei der größere Kolbenabschnitt 24 kurz vor dem Arbeitshubende die in die Zylinderbohrung 10 mündende öffnung des Anschlußstücks 56 überfährt so daß sich anschließend vor der Kolbenstirnfläche 18 ein Druckpolster aufbaut, das gemeinsam mit der durch den Drosselzapfen 46 bewirkten Drosselung eine ausreichend weiche Abbremsung des Differenzdruckkolbens 12 garantiert Nachdem der Verbrennungsraum 26 am Arbeitshubende durch den Austritt der heißen Reaktionsgase über die nunmehr vom größeren Kolbenabschnitt 24 freigegebenen, durch ein Auspuffrohr 58 ummantelten Auspuffschlitze 60 druckentlastet ist, wird der Kolben 12 durch dieses Gaspolster vor der Kolbenringfläche 18 wieder so weit zurückgeschoben, bis die öffnung des Anschlußstücks 56 erneut durch die Kolbenringfläche 18 freigesteuert wird, so daß Niederdruckgas aus dem Gasspeicher 50 — nunmehr allerdings über eine Drossel 62 — Jt die Rückführkammer 20 einströmt und den Kolben 12 wieder in die gezeigte, volle Rückhublage bringt Durch die Drowel 62 wird die Rückhubgeschwindigkeit des Kolbens 12 begrenzt

Der Verbrennungs- und Expansionsraum 26 weist eine rippenförmige Verengung 64 mit einer Anschlagfläche 66 auf, die zu· Fixierung des Kolbens 12 in der Rückhublage mit einem entsprechend geformten! konischen Ansatz 68 an der verbrennungsraumseh'.gen, größeren Kolbenfläche 25! zusammenwirkt. Radial außerhalb der Anschlagfläche 66 ist an der ringförmigen Verengung 64 eine Ringnut 70 ausgebildet, die in der Rückhublage durch den flächigen Sitz zwischen Anschlagfläche 66 und Kolbenansatz 68 zum Verbrennungsraum 26 hin geschlossen, seitlich aber zu dem

zwischen der Kolbenmantelfläche des größeren Kolbenabschnitts 24 und der Bohrung 10 vorhandenen Spalt und zu den Kolbenringen 72, Ober die der größere Kolbenabschnitt 24 in der Bohrung 10 geführt und abgedichtet ist, geöffnet ist.

Über ein sich zur Ringnut 70 öffnendes Schmiermittel-Rückschlagventil 74 werden der erwähnte Spalt zwischen Kolbenabschnitt 24 und Zylinderbohrung 10 sowie die Kolbenringe 72 mit Schmiermittel von der Verbrennungsraumseite aus nach jedem oder jeweils wenigen Arbeitstakten in der Kolbenrückhublage versorgt und dabei wird gleichzeitig durch den an der Anschlagflache 66 anliegenden Kolbenansatz 68 verhindert, daß sich diese verbrennungsraumseitige Schmierung durch ein Eindringen von Schmiermitte! in den Verbrennungsraum 26 nachteilig auf die Trcibstoffzündung auswirkt. Von der Rückführkammer 20 aus wird der Kolben 12 mittels zweier, sich gegenüberliegender Hnhllcegel-nralldiisen 76 (von denen der Einfachheit halber nur eine gezeigt ist) geschmiert, über die am Ende des Kolbenarbeitshubes nach jeweils einem oder wenigen Arbeitstakten Schmieröl in die Zylinderbohrung 10 und gegen die Mantelfläche des größeren Kolbenabschnitts 24 gespritzt wird.

Befüllt wird der Verbrennungsraum 26 in der Kolbenrückhublage mit monergolem Flüssigtreibstoff, z. B. Isopropylnitrat, aus einem Treibstofftank 78 über eine mengenverstellbare Dosierpumpe 80 und ein Treibstoff-Füllventil 82 in Form eines federbelasteten, sich zum Verbrennungsraum 26 öffnenden Rückschlagventils. Gleichzeitig mit oder unmittelbar nach dem Einfüllen der dosierten Flüssigtreibstoffmenge wird als Zündpeitsche und zur Unterstützung der Verbrennung Sauerstoff mit etwa 15 bar aus einem Niederdruckspeicher 84 über ein elektrisch betätigtes Steuerventil 86, ein Füllventil 88, das ebenfalls als sich zum Verbrennungsraum 26 öffnendes Rückschlagventil ausgebildet ist, und eine daran anschließende, schräg nach unten geneigte Bohrung 90 in den Verbrennungsraum 26 bzw. die Flüssigtreibstoffüllung eingeblasen, bis der Verbrennungsraum 26 mit einer bestimmten Sauerstoffmenge gefüllt ist, was sich am einfachsten durch Überwachung des Fülldrucks im Verbrennungsraum 26 feststellen läßt. Sobald ein vorgegebener Grenzdruck im Verbrennungsraum 26 bzw. am Füllventil 88 erreicht wird, der in jedem Fall so klein gehalten werden muß, daß der Kolben 12 durch die Sauerstoffeinblasung nicht gegen den Gasdruck in der Rückführkammer 20 und den Niederdruck im Arbeitsflüssigkeitsraum 16 aus der Rückhublage vorgeschoben wird, wird das Steuerventil 86 geschlossen und die durch die Sauerstoffeinblasung zumindest teilweise gasförmige und wesentlich zündwilligere Treibstoffüllung im Verbrennungsraum 26 durch elektrische Funkenzündung mittels der Zündkerze 92 gezündet Die Größe des Verbrennungsraums 26 und die Treibstoffüllung sind so aufeinander abgestimmt daß ein mittlerer Verbrennungsdruck zwischen 500 und 1500 bar nicht überschritten wird. Um eine entsprechende, flüssigkeitsraumseitige Druckverstärkung des Differenzdruckkolbens 12 auf etwa 10 kbar zu erreichen, liegt das Durchmesserverhältnis zwischen der größeren und der kleineren Kolbenfläche 22,30 bei 2,5 bis 5.

Zur Kühlung des Verbrennungsraums 26 vor allem bei höheren Pulsfrequenzen, die bis zu 60 Arbeitstakten pro Minute erreichen können, ist im Bereich des Verbrennungsraums 26 ein Kühlmantel 94 in Form von Kühlmittelkanälen vorgesehen, die intermittierend jeweils in der Kolbenrückhublage von dem über die Leitung 34 und den Anschluß 36 in den Arbeitsflüssigkeitsraum 16 einströmenden Füllwasser durchsetzt sind, wahlweise aber auch kontinuierlich mit Kühlwasser durchströmt sein können.

■> Eine weitere Möglichkeit der Kühlung des Verbrennungsraums 26 besteht darin, diesen beim Kolbenrückhub bis zum Erreichen der vollen Rückhublage mit einem Inertgas sehr niedrigen Drucks (etwa 5 bar) zu durchspülen. Hierdurch werden gleichzeitig die evtl.

in nach dem Auspuffen im Verbrennungsraum 26 verbliebenen Reaktionsgasreste, die beim Kolbenrückhub nach dem Schließen der Auspuffschlitze 60 komprimiert werden und in der /ollen Rückhublage in Folge eines zu hohen Drucks ein Einblasen des Sauerstoffs behindern

ü oder aufgrund einer zu hohen Restgastemperatur eine vorzeitige Treibstoffzündung auslösen könnten, aus dem Verbrennungsraum 26 entfernt. Die zu diesem Zweck im Bereich des hinteren Verbrennungsraumendes mündenden Inertgasanschlüsse einschließlich der zugehörigen Steuerventile sind in der Zeichnung der besseren Übersicht halber nicht dargestellt.

Die Arbeitsfolge der Wasserpulskanone wird durch einen im Zuge der Wasserzuleitung 34 angeordneten Durchflußmesser 96 freigegeben, der unter Erzeugung eines entsprechenden Startsignals anspricht, sobald der Differenzdruckkolben 12 die gezeigte Rückhublage erreicht hat und somit der Arbeitsflüssigkeitsraum 16 über dip Leitung 34, den Anschluß 36, die Befüllkammer 38 und die Einlaßschlitze 28 mit Füllwasser nachgefüllt und durchspült wird. Nach dem Einspritzen der an der Treibstoffpumpe 80 dosierten Flüssigtreibstoffmenge in den Verbrennungsraum 26 und dem Einblasen von Sauerstoff über das Steuerventil 86 bis zu einem vorgegebenen Grenzdruck im Verbrennungsraum 26, wobei während dieses oder eines späteren Treibstoffüllvorgangs gleichzeitig der größere Kolbenabschnitt 24 von der Verbrennungsraumseite aus über das Rückschlagventil 74 und den Ringkanal 70 mit Schmiermittel versorgt wird, erfolgt die Treibstoffzündung mittels der Zündkerze 92. Der Treibstoff ist in weniger als 1 msec verbrannt und praktisch erst nach abgeschlossener Verbrennung wird der Differenzdruckkolben 12 aus seiner Rückhublage beschleunigt. Nachdem die Einlaßschlitze 28 nach einem Kolbenhub von etwa 2 mm verschlossen sind und sich der Wasserdruck im Arbeitsflüssigkeitsraum 16 aufbaut wird die Wasserfüllung in etwa 5 msec geschoßartig über die Strahldüse 44 ausgetrieben. Nach überstreichen der Auspuffschlitze 60 entweichen die heißen Reaktionsgase aus dem Verbrennungsraum 26 über das Auspuffrohr 58 ins Freie und der Kolben 12 wird einerseits durch den Drosselzap'en 46 hydrodynamisch und andererseits durch das sich vor der Kolbenringfläche 18 aufbauende Gasdruckpolster pneumatisch abgebremst wobei der größere Kolbenabschnitt 24 gleichzeitig über die Dralldüsen 76 geschmiert wird. Während der Kolben 12 durch das aus dem Speicher 50 nunmehr über die Drossel 62 in die Rückführkammer 20 einströmende Niederdruckgas zurückgefahren wird, wird gleichzeitig die Spülung des μ Verbrennungsraums 26 mit Inertgas niedrigen Drucks durchgeführt, bis der Kolben 12 erneut seine Rückhublage erreicht und der Durchflußmesser 96 anspricht woraufhin ein neuer Arbeitszyklus freigegeben wird. Die Ansteuerung der einzelnen Steuerelemente entiji sprechend der beschriebenen Arbeitsfolge erfolgt am einfachsten durch eine nicht gezeigte, elektrische Steuerschaltung mit dem Durchflußmesser 96 als Bezugssignalgeber.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche;

1. Flüssign.eitspulskanone mit einem Verbrennungsraum, einem Arbeitsflüssigkeitsraum und einem axial beweglichen Differenzdruckkolben, dessen größere Kolbenfläche den Verbrennungsraum einseitig abschließt und dessen kleinere Kolbenfläche zum Ausstoßen der Arbeitsflüssigkeit in Form eines Hochgeschwindigkeitsstrahls durch eine sich verjüngende Strahldüse im Arbeitsflüssigkeitsraum ausgebildet ist, bei der der Verbrennungsraum ein zur Aufnahme einer dem vollen Ausstoß der Arbeitsflüss^;gkeit isoenergetischen Treibstoffmenge hoher Energiedichte erforderliches Mindestvolumen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsraum (26) zur Erzielung eines Verbrennungsdrucks zwischen 300 und 1500 bar um ein Vielfaches größer als das Mindestvolumen ausgebildet ist und daß die Kolbenflächen (22, 30) des Differenzdruckkolbens (12) zur Erzielung -eines gewünschifca Ausstoßdruckes ein angenähert lineares aus Aasstoßdruek und Verhrennungsdruck sich bestimmendes Obersetzungsverhältnis aufweisen.

2. Flüssigkeitspulskanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum vollen Ausstoß der Arbeitsflüssigkeit erforderliche, isoenergetische Treibstoffmenge aus einer Flüssigkeitstreibstoffkomponente und einer vor der Zündung in den Verbrennungsraum (26) eingeführten, sauerstoffhaltigen, zündungsfreundüchen Stützgaskomponente besteht

3. Flüssigkeitspulskanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzdruckkolben (12) im Bereich seiner kleineren Kolbenfläche (30) in Anpassung an die Strahldüse (44) zur hydrodynamischen KolbenabLremsung verjüngt ausgebildet ist

4. Flüssigkeitspulskanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Verbrennungsraums (26) ein flüssigkeitsdurchströmter Kühlmantel (94) vorgesehen ist

5. Flüssigkeitspulskanone nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchströmung des Kühlmantels (94) die Arbeitsflüssigkeit vorgesehen ist

6. Flüssigkeitspulskanone nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Differeaidruckkolben (12) an seiner größeren, dem Verbrennungsraum (26) zugekehrten Kolbenfläche (22) mit einem konischen Ansatz (68) versehen ist, der in der Rückhublage des Kolbens mit einer entsprechend geformten Anschlagfläche (66) am Verbrennungsraum zusammenwirkt und gemeinsam mit dieser einen seitlich zur Kolbenmantelfläche geöffneten, vor der Treibstoffzündung jeweils mit Schmiermittel versorgten Ringkanal (70) begrenzt