DE1918964A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bohren von Loechern in festen Koerpern mit einer Flammenstrahlvorrichtung - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL-ING. H. E. BÖHMER

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FEnNSPRECHER (07031) 6131)40

Anmelder: BROWKING ENGINEERING CORPORATION East Wilder, New Hampshire, V.St.A. Amtl .Aktenzeichen: Neuanmeldung

Verfahren und Vorrichtung zum Bohren von Löchern in festen Körpern mit einer Flammenstrahivorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bohren von Löchern und Herstellen von Kanälen in festen Körpern, insbesondere in felsigen und anderen Böden oder mineralischen Materialien mit einer Flammenstrahivorrichtung unter Verwendung eines innenIlegenden Brenners als Wärmequelle und Luft als Oxydationsmittel. Mit Hilfe dieses neuen Verfahrens und der hier beschriebenen verbesserten Vorrichtung lassen sich größere Arbeitsgeschwindigkeiten bei vorgegebenem Bohrlochausmaß oder vorgegebenen Abmessungen des Kanals erzielen als mit den bekannten Verfahren und den üblichen Flammenstrahl bohrvorriehtungen.

Beim Herstellen von Bohrlöchern und Rinnen oder Kanülen mit Flammen-Strahlvorrichtungen verwendet man im wesentlichen zwei grundlegend verschiedene Verfahren. Wenn der Fels· oder das Erdreich sich für die Be-

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arbeitung durch die Wirkung der heißen Flamme allein eignet, daran kann man damit- bereits ein Bohrloch erstellen. Härtere FeSjarfere werden- msf diese Weise geibobrf, wie z.B. Granit, Takonit, Dolomit updQtmnz.lt.

Viele bekennte Felssfrukturen können mit der Flamme allein nicht gebohrt werden. In diesen Fällen wird ein Gebläsesand durch den Ffammensfrahl auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt und gegen die felsige Oberfläche geschleudert. Dabei erzielt man zusätzlich eine mechanische Schneidoder Bohrwirkung'.

Bei den ständig laufenden Forschungsarbeiten zur Verbesserung des Flammenstrahl-Bohrverfahrens ergaben sich einige grundlegende Nachfeile dsr bisher üblichen Verfahren. "Innenbrenner", d.h. Vorrichtungen mit innen liegender Brennkammer wurden vorgeschlagen unter Verwendung von Sauerstoff als Oxydationsmittel und Brennkammerdrücken bis zu 12,25 atU, aber solche Brenner sind im Betrieb sehr aufwendig wegen der hohen Kosten des Sauerstoffes. Will man Bohrlöcher mit einem Durchmesser größer als der Durchmesser des Brenners herstellen, dann muß der größte Teil der Verbrennungsgase durch eine oder mehrere Düsen ausgestoßen werden, deren Achsen gegen dm Achse des Brenners unter einem Winkel nach außen verlaufen.

Wird andererseits Luft als Oxydationsmitte! benutzt und mit den Üblichen Drllcken von etwa 7_tQß at zugeführt, dann Ist das durch einen axial austretenden Strahl erzeugte Bohrloch in seinem Durchmesser immer grofc als der Durchmesser des Brenners, jedoch sind solche Bohrlöcher häufig viel zu groß, um praktisch brauchbar zu sein. !Beispielsweise liefert ein® Vorrichtung mit efncm Druck!uftdurchsaiz vor« ca, 17.COO i/mm in Granit

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ein Bohrloch mii einem Durchmesser von 25.»4 cm» Es ist eäher wünschenswert, den Durchmesser dieses Bchrloches auf etwa !5 era oder weniger zu verringern. Verwendet man reinen Sauerstoff ats Oxydationsmittel, dann tritt dieses Problem nicht aufv efo der axial austretende Sirahl ein Bohrloch mit geringem Durchmesser erzeugt, aber, wie bereits erwähnt, müssen bei Benutzung von Sauerstoff die Flammenstrahfen in einem Winkel von der Achse des Brenners nach außen austreten, um ein Bohrloch zu erzeugen, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des Brenners.

Es wurde nunmehr gefunden, daß der Bohrlodkdurchmesser bei Verwendung von Luft als Oxydationsmittel im engen Zusammenhang mit und umgekehrt proportional zu dem in der Brennkammer des Brenners aufrechterhaltenen Druck steht, d.h. das Brennkammerdrücke oberhalb von 10,55 atü erhöhte Bohrgeschwindigkeiten mit abnehmendem Durchmesser des ßohrlochbereiches ergeben, wobei natürlich als untere Grenze der Durchmesser des Brenners selbst erreichbar ist. Diese Wirkung ergibt sich zum Teil aus der Tatsache, daß der Stickstoffgehalt der Luft (etwa 78%) durch seine mechanische Wirkung auf den Fels oder anderes Material in Verbindung mit der hohen Temperatur und der hohen Geschwindigkeit der aus dem Brenner ausströmenden Verbrennungsprodukte merkbar zu der Bohr leistung beiträgt.

Ein üblicher, mit Luft und Brennstoff betriebener Brenner mit einem Druckluftverbrauch von ca. 17.000 l/min erzeugt ein Bohrloch von 25,4 dm Durchmesser in einem bestimmten Takonit mit etwa 8 1/2 m je Stunde. Dieser Brenner arbeitet bei einem Brennkammerdruck von 4,9 atü mit einem Strahldüsendurchmesser von 31,8 mm. Verringert man jedoch gemäß der Erfindung den Düsendurchmesser auf 22,2 mm und erhöht gleichzeitig den Brennkammerdruck auf mehr als 10,55 atü bis auf nahezu 14 atü, dann er-

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hält man wesentlich bessere Ergebnisse. Natürlich braucht man dazu einen mit entsprechend höheren Drücken arbeitenden Luftkompressor. Die bei höherem Druck arbeitende Vorrichtung, die dieselbe Menge von ca. 17.000 l/min an Preßluft benötigt, erzielt jetzt ein Bohrloch mit einem Durchmesser von etwa 21 cm bei einer Bohrgeschwindigkeit von etwa 10,5 m Je Stunde, Es ist in diesem Zusammenhang bemerkenswert, daß im letzteren FaI! beim Bohren tatsächlich weniger Abraummaterial anfällt als bei den bisher üblichen Verfahren. Trotzdem ist das ganze Verfahren doch weit wirksamer, da es die gewünschten Ergebnisse bringt, nämlich eine beträchtliche Erhöhung der linearen Bohrgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung des Bohrlochdurchmessers.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den beigefügten Figuren näher beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine isometrische Querschnittsansicht eines

Brenners beim F lammenstrahl bohren;

Fig. 2 eine Längs-Querschnittansicht eines erfin

dungsgemäß benutzbaren Brenners;

Fig. 3 eine Abwandlung des Brenners nach Fig. 2,

bei dem Gebläsesand oder Schleifpartikel in den Brenner eingeführt werden können und

Fig. 4a, b u. c schematische Ansichten von felsigen Oberflächen,

auf die je ein Flammenstrahl mit unterschiedlicher Geschwindigkeit auftrifft.

Fig. 1 zeigt das Flammenstrahlbohren eines unter Hitze absplitternden Ma-

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terials 13, wie z.B. Takonit. Der in einem Gehäuse Hegende Brenner 11 erzeugt einen Flammenstrahl 15, weicher auf der Vortriebfläche 21 des Bohrloches 12 auftrifft. Abgespaltenes Material und die Verbrennungsprodukte Io strömen nach oben und an der Erdoberfläche 14 aus dem Bohrloch aus. Die Geschwindigkeit des Flammenstrahles 15 liegt im Überschallbereich und wird durch etwa doppe !trapezförmige Stoßerregungsfelder 49 gekennzeichnet, die im Zusammenhang mit Fig. 2 noch näher beschrieben werden.

Der Brenner 11 ist an einem Rohr 17 befestigt, das auch der Zuführung von Preßluft vom Schlauch 19 zu dem Brenner dient. Der andere Brennstoff, beispielsweise öl, wird Über einen Schlauch 20 durch ein Rohr 18 zugeführt, das innerhalb des größeren Rohres 17 liegt. Zwischen dem Rohr 18 und dem Schlauch 20 ist eine ringförmige Abdichtung vorgesehen. Beim Bohren des Bohrloches wird die Brennervorrichtung mit einer entsprechenden Geschwindigkeit vorwärts bewegt.

Eine ausführliche Darstellung eines Luft-Brennstoff-Brenners ist in Fig. 2 gezeigt. Diese Konstruktion kann als 3-Rohrkonstruktion bezeichnet werden und stellt eine kompakte symmetrische Einheit dar. Verbrennungsluft gelangt über das Rohr 17 in dieVerteilerkammer 39 und von dort in das -vordere oder düsenseitige Ende des Brenners durch einen ringförmigen Raum 41, tier zwischen dem äußeren Rohr 31 und dem mittleren Rohr 32 liegt. Die Luft kehrtdann ihre Strömungsrichtung, wie durch die Pfeile angedeutet um, und strömt zwischen dem Rohr 32 und dem innenlsegenden Rohr 33 nach oben durch radiai angeordnete Bohrungen 43 in dem VersehlußstSfck 38 in die Mischkammer 44. Das öl gelangt vom Rohr 18 in ein® Sprühdüse 37 und bildet einen SprUhkege! 46, der sich mtl dor Preßluft vermischt und in der Brennkammer 45 verbrennt. Die Verbrennungsprodukt® expandieren von dem Ho, hdruckbesekh in der Verbrennungskammer 45 «Jyreh dl© Düse 4J ynd

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bilden den Fiammensirahf 48.

Der Brenner selbst ist an sich einfach aufgebaut. Zusätzlich zu den drei Rohren 31, 32 und 33, wobei das Rohr 33 die Außenwand der Brennkammer 45 bildet, ist das oben Hegende BrennkammerendstUck 38 und die unten eingesetzte oder eingeschraubte Düse 47 vorgesehen,, die die untere Fläche der Brennkammer 45 bildet, und die beide mit der Brennkammer fest verschweißt sind. (Schweißnaht 52). Das BrennkammerendstUck 38 bildet die obenliegende Fläche der Brennkammer 45 und ist mit dem Rohr 33 und der Sprühdüse 37 ebenfalls durch eine Schweißnaht 53 fest verbunden.

Das mittlere Rohr 32 leitet den Preßluftstrom nach dem vorderen (untern) Ende des Brenners, wobei dieser Luftstrom eine ausreichende Kühlung des äußeren Rohres 31 bewirkt, das durch die austretenden^ nach oben durch das Bohrloch 12 ausströmenden heißen Gase (FIg. 1) erhitzt wird. Das innere Rohr 33 wird beim Betrieb rotglühend und fördert damit die in der Kammer 45 ablaufenden intensiven Reaktionen.

Die hohen Betriebstemperaturen des inneren Rohres 33 bewirken eine merkliche Verlängerung dieses Rohres in axialer Richtung. Ein etwa 45,7 cm langes Rohr dehnt sich bei den hier vorkommenden Temperaturen um bis zu ^ 9,5 mm aus. Um ein Verziehen und Verkrümmen der verschiedenen Rohre

wegen ungleich großer Ausdehnung zu verhindern, (die anderen beiden Rohre 31 und 32 erreichen kelns so hohen B&inehstmmpztuimen} nr.uß «das

33

Rohr bezüglich der Rohre 31 und 32 frei beweglich sein« Ep bisher bekennten Konstruktionen waren das Endstück 38 und die Düse 47 sfew mit dsm außen!legenden Rohr 31 verbunden, während das inReniaegsnde- Rohr die zylindrischen Abschnitte der das Rohr 31 stützenden Teile frei !b@we@! ich

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Solch eine gleitende Anordnung der Rohre hat jedoch den ganz wesentlichen Nachteil, daß durch ungleichmäßige Ausdehnung der verschiedenen Teile unvermeidbare Leckverluste an Druckluft auftreten. Durch diese undichten Steifen kann es zu sehr unerwünschten Pfeif- und Zischtönen kommen. Außerdem wird nicht die gesamte zugeführie Luft zum Kühlen und zur Verbrennung benutzt. Die einzelnen Rohre werden heißer als erwünscht und es ergibt sich eine verringerte VerbrennungsinSensIfät.

in der neuen erfindungsgernäßen Konstruktion wird nicht nur eine freie gegenseitige Bewegung dar verschiedenen Brennerrohre ermöglicht, sondern Leckverluste an Preßluft werden vermieden. Wie man aus Fig. 2 erkennt, kann das untere Ende des mitieren Rohres frei gleiten und kann sich unabhängig vom Ausdehnen oder Zusammenziehen jedes anderen Bauteiles ausdehnen oder zusammenziehen. Dehnt sich das innere Rohr 33 aus, dann wird diese Ausdehnung durch eine Bewegung des Rohres 18 aufgenommen, das auf dem Ölschlauch 20 gleitet.

Außerdem läßt steh die Konstruktion des Brenners nicht nur eine Längsausdehnung der einzelnen Teile zu sondern auch eine seitliche Verschiebung, die sich durch ungleichförmiges Erhitzen rund um den Umfang der Rohre ergibt. Der Ölschlauch 20 ist mechanisch nicht festgelegt und läßt damit eine solche Bewegung zu.

Obgleich die Düse 47 (in ausgezogenen Linien) als sich verengende Düse dargestellt ist, ist ein zusätzlicher sich erweiternder Abschnitt der Düse in einem Düsenkörper 58 in gestrichelten Linien dargestellt und könnte ebensogut verwendet werden. Die verschiedenen Druckbereiche des aus der Düse 47 austretenden Flammenstrahles ergeben sich daraus, daß der

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Flammenstrahl mit Überschallgeschwindigkeit austritt. Die Stoßerregungsbereiche 49 sind dabei charakteristisch für einen Bereich mit einer unsymmetrischen Verteilung von Gasdrücken. In der Austrittsebene der Düse 47 ist der Gasdruck (bei hohem Druck der Verbrennungskammer) viel höher als der der umgebenden Atmosphäre. Der Strahl dehnt sich beim Eintritt in diese Atmosphäre aus. Da jedoch die Schallgeschwindigkeit kleiner ist als die Strahlgeschwindigkeit, ergibt sich nicht unmittelbar ein Ausgleich zwischen Strahldruck und atmosphärischem Druck. Es ergeben sich Stoßwellengebiete und die Strahloberfläche dehnt sich abwechselnd aus und zieht sich zusammen.

ψ Der Mechanismus, durch den die Flammenstrahlen mit höherer Geschwindigkeit in der Lage sind, schneller zu bohren und gleichzeitig ein Bohrloch mit geringerem Durchmesser zu erzeugen, soll nun im Zusammenhang mit Fig. 4a, b und c beschrieben werden, wobei angenommen wird, daß der Mechanismus etwa in dieser Weise beschrieben werden kann. In den drei Ansichten der Fig. 4 ist die gleiche Luft- und Brennstoffzufuhr angenommen. Außerdem ist die Strahlgeschwindigkeit Vj in Fig. 4b doppelt so hoch wie die in Fig. 4a und die Strahlgeschwindigkeit in Fig. 4c ist doppelt so hoch wie die in Fig. 4b. Mit zunehmender Strahlgeschwindigkeit nimmt der Strahldurchmesser ab. Außerdem kann bei zunehmenden Verbrennungsdrücken der Durchmesser des Brenners selbst kleiner gemacht werden.

In Fig. 4a sei VjI = 457 m/sec angenommen. Diese Geschwindigkeit des Flammenstrahles liegt bei den hier herrschenden Drücken unterhalb der Schallgeschwindigkeit und ergibt ein Bohrloch mit relativ großem Durchmesser. Die auftreffenden Gase müssen am Staupunkt 74 ihre Richtung ändern und radial nach der Seite entweichen, da ihre Energie gering ist. Daher wird der Wärmeübergang auf den Fels ganz wesentlich durch diejenige

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Komponente der Geschwindigkeit des sich ausdehnenden Gases bestimmt, die mehr oder weniger horizontal längs der Felsoberfläche verläuft. Für einen derart breiten Aufprall eines Flammenstrahles geringer Geschwindigkeit ist der tangentiaie Geschwindigkeitsgradient an der Kontaktfläche relativ klein, d.h. die Zunahme der Geschwindigkeit zwischen Punkt 75 und Punkt 76 ist gering. Ein geringer Wärmeübergang in der Nähe des Staupnktes 74 ergibt eine geringere Abtraggeschwindigkeit des Felsmaterials in der Mittellinie des Flammenstrahles. Die heißen Gase dehnen sich nach außen aus und splittern den Fels noch eine relativ große Entfernung vom Staupunkt 74 ab. Dadurch ergibt sich ein Bohrloch mit großem Durchmesser, das in axialer Richtung langsam fortschreitet.

In Fig. 4b ist die Strahlgeschwindigkeit Vj2 mit 915 m/sec angenommen, ein Wert, der einem Brennkammerdruck von etwa 3,5 atU zugeordnet werden kann. Der Aufprall der Strahlgase Überstreicht einen kleineren Abschnitt in der Mitte des Bohrloches und die Tangentialgeschwindigkeit vom Staupunkt 84 zu den Pfeilen 85 und 86 ist viel höher als zuvor. Der Fels wird an der Vortriebsfläche des Bohrloches ziemlich gleichförmig abgetragen und die Vortriebsfläche wird beinahe halbkugel form ig. Das Bohrloch hat einen geringeren Durchmesser und die Bohrgeschwindigkeit ist größer, jedoch ist die gesamte abgetragene Felsmenge kleiner als in Fig. 4a.

Die höchsten Bohrgeschwindigkeiten mit kleinstem Bohrlochdurchmesser erzielt man, wenn die Strahlgeschwindigkeit Vj3 in Fig. 4c auf 1830 m/sec erhöht wird. Für ein Luft-Brennstoffgemisch würde der entsprechende Kammerdruck bei etwa 21 atU liegen. Hier ist die tangentiaie Geschwindigkeitszunahme radial vom Staupunkt nach außen unmittelbar sehr hoch. Dies ergibt in der Mitte des Bohrloches eine wesentlich höhere Abtragge-

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schwindigkeit als weiter außen. Obgleich hier am wenigsten Material abgetragen wird, ist hier die Bohrgeschwindigkeit am größten. Der Durchmesser des Bohrloches bleibt dabei nur wenig größer als der Gesamtdurchmesser des Brenners.

Dadurch, daß man den Kammerdruck beim Flammenstrahlbohren wesentlich höher wählt als bisher üblich und durchfuhrbar war, kann man wesentlich erhöhte Bohrgeschwindigkeiten erzielen, wobei Luft als das notwendige Oxydationsmittel dient und die inerten Bestandteile der Luft zusammen mit den hohen Temperaturen und der hohen Flammeristrahlgeschwindigkeit . eine hohe Bohrleistung ermöglichen.

Ein erfolgreich in der Praxis erprobter Brenner ist mit seinen Abmessungen in der nachfolgenden Tabelle angegeben:

Druckluftbedarf	ca. 17.000 l/min bei ca 17,5 atü
Bohrung der Düse	22,22 mm
Brennstoff	Öl (Nr. 2) ca. 100 l/h
Innenrohr	45,7 cm lang, 50,4 mm Innendurchmesser
Wandstärke des äußeren Rohres	3,17 mm " ' -
Wandstärke des mittleren Rohres	3,17 mm
Brennkammerdruck *	13,4 afü
Strahltemperatur	ca. 1650° C

Strahlgeschwindigkeit ca. 1586m/sec Wird Bohren mit Schleif par tike In entweder allein oder in Verbindung mit

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Flammenstrahl bohren benutzt, trägt die erhöhte Strahlgeschwindigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich zur Erosionswirkung der Teilchen bei, wenn sie auf dem Fels mit wesentlich höherer kynetischer Energie aufireffen. Wiederum erzielt man bei erhöhten Bohrgeschwindigkeiten eine Verringerung des Bohrlochdurchmessers.

In Fig. 3 ist in Schnittansicht, ζ.Teil weggebrochen, eine Brennerkonstruktion gezeigt, in der sich der zu einer Einheit zusammengefaßte Brennerteil frei bewegen kann, wobei trotzdem Schleif partikel in die Brennkammer eingeführt werden können. Ein zur Zuführung von Schleifpartikeln dienendes Rohr 65 wird fest mit dem Brennkammerendstück 38 verbunden. Die Mischkammer 44 ist soweit seitlich verschoben, daß das Rohr 65 noch untergebracht werden kann. Der Brennstoff wird wie zuvor zugeführt und die Schleif partikel werden durch das Rohr unter Druck zugeführt und sind nachher nur ein Teil der aus dem Brenner ausgestoßenen Gase.

Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck "Innenbrenner" eine Konstruktion, bei der Oxydationsmittel und Brennstoff mit relativ gleichförmiger Geschwindigkeit in eine Kammer zugeführt werden, in der ständig ein Verbrennungsvorgang abläuft. Vorrichtungen, bei denen eine oder mehrere Explosionsreaktionen auftreten, sollen nicht unter die hier beschriebene Art von Vorrichtung fallen.

Obgleich eine bestimmte Brennervorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben wurde, so umfaßt die Erfindung doch das gesamte hier beschriebene Verfahren zum Bohren oder Abtragen oder Bearbeiten von Mineralien, Felsen oder Böden.

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Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Bohren von festen Körpern, wie z.B. Fels, Erdreich oder mineralisches Material mit einer Ffammenstrah{vorrichtung unter Verwendung eines innenIlegenden Brenners als Wärmequelle und Luft als Oxy-

. dationsmifrel, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner bei einem Brennkammerdruck von mehr als IG aiii betrieben und der sich dabei ergebende
Flammenstrahl gegen den Körper gerichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch I, gekennzeichnet durch die zusätzliche Zuführung von Schleifpartikeln zu dem aus dem Brenner austretenden Strahl.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schleif partikel in die Brennkammer des Brenners selbst eingeführt werden.

4. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch T bis 3 mit einem fnnenfregenden Brenner zur Ftammenstrahibearbeit'jng von felsigen oder mineralischen Materialien, gekennzeichnet durch ein außenliegendes Gehäuse (Rohr 3ϊ) und eine Brennkammer (45) innerhalb dieses Gehäuses, die eine Strahldüse (47) aufweist und in axialer sowie seitlicher
Richtung unter dem Einfluß van Wärmedehnung frei beweglich in Bfezug
auf das Gehäuse gelagert ist, wobei biegsame Leitungen zum Zuführen
des Brennstoffes und des Qxydaf ionsmirfefs zu deF Kammer vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,- daß eine
Rohrleitung (65) vorgesehen ist, über die SchJeifpatrtifcel unmittefbar in=
die Brennkammer einführbar sind.

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