專利名稱：脈沖水射流設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種脈沖水射流設備。具體地，本發(fā)明針對一種輸送適合于在諸如巖石破碎之類的采礦應用中使用的高能“水團”的脈沖水射流設備。
背景技術：
已嘗試在采礦應用中采用脈沖水射流系統(tǒng)來破碎大的巖石(巨石)。提出了一種這樣的嘗試使用帶有中斷連續(xù)高壓水射流的指形件的旋轉盤來實現(xiàn)脈沖流。這種系統(tǒng)存在的一個問題在于大部分射流能量在被指形件反射時被浪費。由于這種大量能量浪費，可實現(xiàn)的最大射流直徑為約3. 4mm。美國專利No. 4,863，101 (Pater等人)中提出了另一種嘗試，其中用于重復產(chǎn)生脈沖液體射流的設備依賴于利用通過壓縮液體而存儲的能量加速至高速率的液體的分散體積或液團。液體被迫進入已經(jīng)充填有液體的壓力容器(腔室)以實現(xiàn)壓縮。當閥(柱塞)快速打開時，液團通過存儲在經(jīng)壓縮的液體中的能量從壓力容器彈射到蓄積噴嘴內(nèi)。這種中斷流體流的閥布置在噴嘴的上游側(或壓力容器側)。該閥僅在離開閥座的力(unseatingforce，打開力)超過關閉偏壓時才能打開，然后通過由經(jīng)壓縮的液體生成的打開力快速打開。這種設備的缺點之一是幾乎全部所存儲的能量在每次脈沖時釋放并且這使得必須重置閥。這是所使用的依賴于壓力的顯著降低來允許閥重置的閥致動機構的特性。這意味著壓力腔室的入口處的壓力可能以70-80%顯著波動。這種壓力的顯著波動由于兩方面的原因是不利的。首先，高壓力波動將導致壓力容器壽命由于疲勞而降低，其次，它引起設備的總效率低。本發(fā)明力圖提供一種能改進現(xiàn)有技術的至少一部分缺點的脈沖水射流設備。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一方面，本發(fā)明在于一種脈沖水射流設備，所述脈沖水射流設備包括向噴嘴輸送水的高壓水泵；布置在所述噴嘴處或所述噴嘴附近的中斷裝置，所述中斷裝置定期中斷通過所述噴嘴的水流，由此產(chǎn)生脈沖水射流；以及布置在所述泵與所述噴嘴之間的蓄能器，其中所述蓄能器是在所述脈沖水射流的脈沖之間存儲能量的高壓蓄能器，并且由于所述脈沖水射流的每次脈沖的釋放而引起的所述蓄能器的入口處的壓降小于20%。優(yōu)選地，所述中斷裝置是其中帶有至少一個孔的旋轉盤，所述盤布置在所述噴嘴的出口附近。優(yōu)選地，所述噴嘴具有平行于流動方向的區(qū)段，所述區(qū)段的長度不大于所述噴嘴的出口直徑。優(yōu)選地，平行于流動方向的所述區(qū)段具有約為所述出口直徑的一半的長度。根據(jù)第二方面，本發(fā)明在于一種脈沖水射流設備，所述脈沖水射流設備包括向噴嘴輸送水的高壓水泵；
布置在所述噴嘴處或所述噴嘴附近的中斷裝置，所述中斷裝置定期中斷通過所述噴嘴的水流，由此產(chǎn)生脈沖水射流；以及布置在所述泵與所述噴嘴之間的高壓蓄能器，其中所述中斷裝置布置在所述噴嘴下游。優(yōu)選地，所述中斷裝置是其中帶有至少一個孔的旋轉盤，所述盤布置在所述噴嘴的出口附近。優(yōu)選地，通過維持所述旋轉盤與所述噴嘴之間小于10微米的間隙來在脈沖之間將水密封在所述蓄能器中。優(yōu)選地，所述噴嘴具有平行于流動方向的區(qū)段，所述區(qū)段的長度不大于所述噴嘴的出口直徑。優(yōu)選地，平行于流動方向的所述區(qū)段具有約為所述出口直徑的一半的長度?！?yōu)選地，至少一個流體靜力軸承布置在所述盤下游，所述至少一個流體靜力軸承施加相當大的力，并且當所述盤的所述至少一個孔通過所述噴嘴時，該力下降至零。根據(jù)第三方面，本發(fā)明在于一種用于輸送用于破碎巖石的高能脈沖水的水槍，通過在高壓水流離開所述槍的噴嘴時定期中斷所述高壓水流來產(chǎn)生所述脈沖水，并且其中能量在水脈沖之間被存儲在所述槍內(nèi)，所述高壓水流從由泵供給的高壓蓄能器發(fā)出并且所述能量被存儲在所述蓄能器內(nèi)，其中所述流被布置在所述噴嘴下游的中斷裝置定期中斷。優(yōu)選地，所述噴嘴具有平行于流動方向的區(qū)段，所述區(qū)段的長度不大于所述噴嘴的出口直徑。優(yōu)選地，平行于流動方向的所述區(qū)段具有約為所述出口直徑的一半的長度。優(yōu)選地，所述中斷裝置是其中帶有至少一個孔的旋轉盤，所述盤布置在所述噴嘴的出口附近。優(yōu)選地，通過維持所述旋轉盤與所述噴嘴之間小于10微米的間隙來在脈沖之間將水密封在所述蓄能器中。優(yōu)選地，至少一個流體靜力軸承布置在所述盤下游，所述至少一個流體靜力軸承施加相當大的力，并且當所述盤的所述至少一個孔通過所述噴嘴時，該力下降至零。


圖I是本發(fā)明的脈沖水射流設備的第一實施例的正面透視圖。圖2是圖I所示的脈沖水射流設備的簡化的正面分解透視圖。圖3是穿過圖I所示的脈沖水射流設備的中央豎直平面的正面透視剖視圖。圖4是圖I所示的脈沖水射流設備的蓄能器、噴嘴和盤構件的擴大、正面透視剖視圖。圖5是圖4所示的脈沖水射流設備的噴嘴和盤構件的進一步擴大的正面透視剖視圖。圖6是具有其高壓泵的脈沖水射流設備的簡化的正面透視圖。
具體實施例方式圖I至6示出了根據(jù)本發(fā)明的脈沖水射流設備I的第一優(yōu)選實施例。
脈沖水射流設備I包括經(jīng)由蓄能器8向噴嘴3輸送水的“高壓”泵2。帶有開槽孔(孔口)5的旋轉盤4形式的“中斷裝置”布置在噴嘴3的出口附近。在該實施例中，僅示出單個孔5，但應理解，在其它未示出的實施例中，盤4可具有一系列開槽的孔。在該實施例中，旋轉盤4由變速電動機6經(jīng)由軸7旋轉。旋轉盤4定期中斷從泵2通往噴嘴3的水流，由此產(chǎn)生離開噴嘴3的脈沖水射流。水是脈沖的，因為它只能在孔5瞬時與噴嘴3對準時通過旋轉盤4。在泵2與噴嘴3之間布置高壓蓄能器8。由于蓄能器8，設備I在脈沖水射流的脈沖之間存儲能量，并因此能夠輸送高能“水團”或“水彈”。在該優(yōu)選實施例中，水在約800巴的壓力下以每分鐘約230升從泵供應。噴嘴3的直徑為約20毫米。當盤4以每分鐘約3600轉的速度旋轉時，它每秒將輸送大約60個“2000焦耳”水團。如前文所述，蓄能器8用于在脈沖之間存儲能量。蓄能器8應該確定尺寸為確保由于水脈沖的釋放而引起的蓄能器入口處的壓降保持在最低，并且應該小于20%。這既是為 了減小水錘效應，又是為了使脈沖效率最大化。然而，由于脈沖水射流的每次脈沖的釋放而引起的壓降更優(yōu)選地應該小于10%且理想地小于5%。噴嘴3打開的時間優(yōu)選地應該小于600微秒，且更優(yōu)選地小于200微秒，這是因為蓄能器8的有效尺寸受水中的音速限制。盤4的轉速、開槽的孔5的長度、噴嘴3的直徑、蓄能器8中的壓力和槽5的數(shù)量(如果存在多于一個槽的話)決定脈沖“水團”的頻率和每個水團(或水彈)的能量。噴嘴3的區(qū)段P的長度對脈沖水的效率很重要。該區(qū)段P是噴嘴3朝向其出口的區(qū)段，該區(qū)段平行于流動方向Y延伸。區(qū)段P的長度應該盡可能被保持“最小”。噴嘴3的平行區(qū)段越長，脈沖效率就越低。這是由于該平行區(qū)段P中的水阻礙離開蓄能器8的水的加速的事實。在優(yōu)選實施例中，該區(qū)段P應該具有不大于噴嘴3的直徑D的長度，并且優(yōu)選而言P應該約為直徑D的一半。通過維持旋轉盤4與噴嘴3的殼體的密封面25之間很小的空隙來在脈沖之間將水密封在蓄能器8中。小的空隙(或間隙)應該小于10微米以限制水泄漏。在該實施例中，通過流體靜力軸承、流體動力軸承和擠壓軸承來維持這種小的空隙。在盤4下游和附近,在殼體29內(nèi)布置有流體靜力軸承20a、20b,該流體靜力軸承施加超過噴嘴3的壓力的例如3500N的力，并且該力在盤4的孔5通過噴嘴3時下降到零，并彈射脈沖或“水團”。兩個流體動力軸承21形成在噴嘴3的殼體這一面中。當盤4高速旋轉時，這些軸承產(chǎn)生平衡了由兩個對置的流體靜力軸承20a和20b產(chǎn)生的過剩的力并維持大約10微米的間隙的力。噴嘴3這一面上的大平坦面積在孔5通過噴嘴3并且盤4上的力由于噴嘴3而下降到零時起到擠壓軸承19的作用。與軸承相關的所有表面都必須是平坦的并優(yōu)選在I至3微米內(nèi)對齊。例如，盤4可在10微米內(nèi)對齊并且軸承力動態(tài)地使它在I至3微米內(nèi)對齊。通過設置厚的外沿18來實現(xiàn)盤4的接觸區(qū)域上的平坦性，并且在該實施例中厚的外沿18優(yōu)選為約50毫米厚。雖然噴嘴3在未示出的實施例中可與蓄能器8 一體形成，但這可能導致超過20微米的變形。然而，更優(yōu)選地，如在該實施例中所示，噴嘴3與蓄能器8是分開的，由此允許調(diào)節(jié)密封面25的位置，因此噴嘴3的表面可被“調(diào)”平至I. 5微米以下。此外，在該實施例中，盤4能夠在軸承中軸向地浮動，以允許它擱置在距噴嘴3的正確距離處。軸承支承件、蓄能器支承件、對置的流體動力支承件和基板支承件全部設計成不會引起軸7在壓力波動時失齊。盤4在轂17與外沿18之間變薄，以允許它折曲并補償仍可能存在的任何失齊。在上述實施例中，已采用變速電動機6來改變盤4的速度以用于設備I的試驗和實驗。然而，在其它未示出的實施例中，以及在針對商業(yè)的采礦應用中，旋轉盤或其它旋轉“中斷裝置”可由定速電動機而不是由變速電動機旋轉。在其它未示出的實施例中，并且具體地對于顯著較小的噴嘴直徑而言，可采用不 同的“中斷裝置”。例如，可采用定期中斷從噴嘴3出口后方的流動的“針組件”代替盤4來產(chǎn)生脈沖水。這種“針組件”例如可由通過脈沖水射流設備的水流可操作地致動。如文中所用的術語“包含”和“包括”(以及它們的語法變體)在包括性的意義上使用而不是在“僅由…組成”的窮盡意義上使用。
權利要求
1.一種脈沖水射流設備，包括 向噴嘴輸送水的高壓水泵； 布置在所述噴嘴處或其附近的中斷裝置，所述中斷裝置定期中斷通過所述噴嘴的水流，由此產(chǎn)生脈沖水射流；以及布置在所述泵與所述噴嘴之間的蓄能器，其中所述蓄能器是在所述脈沖水射流的脈沖之間存儲能量的高壓蓄能器，并且由于所述脈沖水射流的每次脈沖的釋放而引起的所述蓄能器的入口處的壓降小于20%。
2.如權利要求1所述的脈沖水射流設備，其中，所述中斷裝置是其中帶有至少一個孔的旋轉盤，所述盤布置在所述噴嘴的出口附近。
3.如權利要求1所述的脈沖水射流設備，其中，所述噴嘴具有平行于流動方向的區(qū)段，所述區(qū)段的長度不大于所述噴嘴的出口直徑。
4.如權利要求3所述的脈沖水射流設備，其中，平行于流動方向的所述區(qū)段具有約為所述出口直徑的一半的長度。
5.一種脈沖水射流設備，包括 向噴嘴輸送水的高壓水泵； 布置在所述噴嘴處或其附近的中斷裝置，所述中斷裝置定期中斷通過所述噴嘴的水流，由此產(chǎn)生脈沖水射流；以及布置在所述泵與所述噴嘴之間的高壓蓄能器，其中所述中斷裝置布置在所述噴嘴下游。
6.如權利要求5所述的脈沖水射流設備，其中，所述中斷裝置是其中帶有至少一個孔的旋轉盤，所述盤布置在所述噴嘴的出口附近。
7.如權利要求6所述的脈沖水射流設備，其中，通過維持所述旋轉盤與所述噴嘴之間小于10微米的空隙來在脈沖之間將水密封在所述蓄能器中。
8.如權利要求6所述的脈沖水射流設備，其中，所述噴嘴具有平行于流動方向的區(qū)段，所述區(qū)段的長度不大于所述噴嘴的出口直徑。
9.如權利要求8所述的脈沖水射流設備，其中，平行于流動方向的所述區(qū)段具有約為所述出口直徑的一半的長度。
10.如權利要求6至9中任一項所述的脈沖水射流設備，其中，至少一個流體靜力軸承布置在所述盤下游，所述至少一個流體靜力軸承施加相當大的力，并且所述力在所述盤的所述至少一個孔通過所述噴嘴時下降至零。
11.一種用于輸送用于破碎巖石的高能脈沖水的水槍，通過在高壓水流離開所述槍的噴嘴時定期中斷所述高壓水流來產(chǎn)生所述脈沖水，并且其中能量在水脈沖之間被存儲在所述槍內(nèi)，所述高壓水流從由泵供給的蓄能器發(fā)出并且所述能量被存儲在所述蓄能器內(nèi)，其中所述流被布置在所述噴嘴下游的中斷裝置定期中斷。
12.如權利要求11所述的水槍，其中，所述噴嘴具有平行于流動方向的區(qū)段，所述區(qū)段的長度不大于所述噴嘴的出口直徑。
13.如權利要求12所述的水槍，其中，平行于流動方向的所述區(qū)段具有約為所述出口直徑的一半的長度。
14.如權利要求11所述的水槍，其中，所述中斷裝置是其中帶有至少一個孔的旋轉盤，所述盤布置在所述噴嘴的出口附近。
15.如權利要求14所述的水槍，其中，通過維持所述旋轉盤與所述噴嘴之間小于10微米的空隙來在脈沖之間將水密封在所述蓄能器中。
16.如權利要求14或15所述的水槍，其中，至少一個流體靜力軸承布置在所述盤的下游，所述至少一個流體靜力軸承施加相當大的力，并且所述力在所述盤的所述至少一個孔通過所述噴嘴時下降至零。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種脈沖水射流設備，該脈沖水射流設備包括向噴嘴輸送水的高壓水泵和布置在噴嘴處或噴嘴附近的中斷裝置，該中斷裝置定期中斷通過噴嘴的水流，由此產(chǎn)生脈沖水射流。蓄能器布置在泵與噴嘴之間，其中蓄能器是在脈沖水射流的脈沖之間存儲能量的高壓蓄能器，并且由于脈沖水射流的每次脈沖的釋放而引起的蓄能器入口處的壓降小于20%。
文檔編號B05B1/08GK102906371SQ201180015703
公開日2013年1月30日 申請日期2011年3月24日 優(yōu)先權日2010年3月25日
發(fā)明者G·O·瓦勒, P·J·魯比亞 申請人:拉塞爾礦物設備私人有限公司