[0001] 本发明涉及一种脉冲水射流设备。具体地，本发明针对一种输送适合于在诸如岩石破碎之类的采矿应用中使用的高能“水团”的脉冲水射流设备。

[0002] 已尝试在采矿应用中采用脉冲水射流系统来破碎大的岩石（巨石）。

[0003] 提出了一种这样的尝试：使用带有中断连续高压水射流的指形件的旋转盘来实现脉冲流。这种系统存在的一个问题在于大部分射流能量在被指形件反射时被浪费。由于这种大量能量浪费，可实现的最大射流直径为约3.4mm。

[0004] 美国专利No.4,863,101（Pater等人）中提出了另一种尝试，其中用于重复产生脉冲液体射流的设备依赖于利用通过压缩液体而存储的能量加速至高速率的液体的分散体积或液团。液体被迫进入已经充填有液体的压力容器（腔室）以实现压缩。当阀（柱塞）快速打开时，液团通过存储在经压缩的液体中的能量从压力容器弹射到蓄积喷嘴内。这种中断流体流的阀布置在喷嘴的上游侧（或压力容器侧）。该阀仅在离开阀座的力（unseating force，打开力）超过关闭偏压时才能打开，然后通过由经压缩的液体生成的打开力快速打开。这种设备的缺点之一是几乎全部所存储的能量在每次脉冲时释放并且这使得必须重置阀。这是所使用的依赖于压力的显著降低来允许阀重置的阀致动机构的特性。这意味着压力腔室的入口处的压力可能以70-80%显著波动。这种压力的显著波动由于两方面的原因是不利的。首先，高压力波动将导致压力容器寿命由于疲劳而降低，其次，它引起设备的总效率低。

[0005] 本发明力图提供一种能改进现有技术的至少一部分缺点的脉冲水射流设备。

[0033] 图1至6示出了根据本发明的脉冲水射流设备1的第一优选实施例。

[0034] 脉冲水射流设备1包括经由蓄能器8向喷嘴3输送水的“高压”泵2。带有开槽孔（孔口）5的旋转盘4形式的“中断装置”布置在喷嘴3的出口附近。在该实施例中，仅示出单个孔5，但应理解，在其它未示出的实施例中，盘4可具有一系列开槽的孔。

[0035] 在该实施例中，旋转盘4由变速电动机6经由轴7旋转。旋转盘4定期中断从泵2通往喷嘴3的水流，由此产生离开喷嘴3的脉冲水射流。水是脉冲的，因为它只能在孔5瞬时与喷嘴3对准时通过旋转盘4。

[0036] 在泵2与喷嘴3之间布置高压蓄能器8。由于蓄能器8，设备1在脉冲水射流的脉冲之间存储能量，并因此能够输送高能“水团”或“水弹”。

[0037] 在该优选实施例中，水在约800巴的压力下以每分钟约230升从泵供应。喷嘴3的直径为约20毫米。当盘4以每分钟约3600转的速度旋转时，它每秒将输送大约60个“2000焦耳”水团。

[0038] 如前文所述，蓄能器8用于在脉冲之间存储能量。蓄能器8应该确定尺寸为确保由于水脉冲的释放而引起的蓄能器入口处的压降保持在最低，并且应该小于20%。这既是为了减小水锤效应，又是为了使脉冲效率最大化。然而，由于脉冲水射流的每次脉冲的释放而引起的压降更优选地应该小于10%且理想地小于5%。喷嘴3打开的时间优选地应该小于600微秒，且更优选地小于200微秒，这是因为蓄能器8的有效尺寸受水中的音速限制。

[0039] 盘4的转速、开槽的孔5的长度、喷嘴3的直径、蓄能器8中的压力和槽5的数量（如果存在多于一个槽的话）决定脉冲“水团”的频率和每个水团（或水弹）的能量。

[0040] 喷嘴3的区段P的长度对脉冲水的效率很重要。该区段P是喷嘴3朝向其出口的区段，该区段平行于流动方向Y延伸。区段P的长度应该尽可能被保持“最小”。喷嘴3的平行区段越长，脉冲效率就越低。这是由于该平行区段P中的水阻碍离开蓄能器8的水的加速的事实。在优选实施例中，该区段P应该具有不大于喷嘴3的直径D的长度，并且优选而言P应该约为直径D的一半。

[0041] 通过维持旋转盘4与喷嘴3的壳体的密封面25之间很小的空隙来在脉冲之间将水密封在蓄能器8中。小的空隙（或间隙）应该小于10微米以限制水泄漏。在该实施例中，通过流体静力轴承、流体动力轴承和挤压轴承来维持这种小的空隙。

[0042] 在盘4下游和附近，在壳体29内布置有流体静力轴承20a、20b，该流体静力轴承施加超过喷嘴3的压力的例如3500N的力，并且该力在盘4的孔5通过喷嘴3时下降到零，并弹射脉冲或“水团”。

[0043] 两个流体动力轴承21形成在喷嘴3的壳体这一面中。当盘4高速旋转时，这些轴承产生平衡了由两个对置的流体静力轴承20a和20b产生的过剩的力并维持大约10微米的间隙的力。喷嘴3这一面上的大平坦面积在孔5通过喷嘴3并且盘4上的力由于喷嘴3而下降到零时起到挤压轴承19的作用。

[0044] 与轴承相关的所有表面都必须是平坦的并优选在1至3微米内对齐。例如，盘4可在10微米内对齐并且轴承力动态地使它在1至3微米内对齐。

[0045] 通过设置厚的外沿18来实现盘4的接触区域上的平坦性，并且在该实施例中厚的外沿18优选为约50毫米厚。

[0046] 虽然喷嘴3在未示出的实施例中可与蓄能器8一体形成，但这可能导致超过20微米的变形。然而，更优选地，如在该实施例中所示，喷嘴3与蓄能器8是分开的，由此允许调节密封面25的位置，因此喷嘴3的表面可被“调”平至1.5微米以下。

[0047] 此外，在该实施例中，盘4能够在轴承中轴向地浮动，以允许它搁置在距喷嘴3的正确距离处。

[0048] 轴承支承件、蓄能器支承件、对置的流体动力支承件和基板支承件全部设计成不会引起轴7在压力波动时失齐。

[0049] 盘4在毂17与外沿18之间变薄，以允许它折曲并补偿仍可能存在的任何失齐。

[0050] 在上述实施例中，已采用变速电动机6来改变盘4的速度以用于设备1的试验和实验。然而，在其它未示出的实施例中，以及在针对商业的采矿应用中，旋转盘或其它旋转“中断装置”可由定速电动机而不是由变速电动机旋转。

[0051] 在其它未示出的实施例中，并且具体地对于显著较小的喷嘴直径而言，可采用不同的“中断装置”。例如，可采用定期中断从喷嘴3出口后方的流动的“针组件”代替盘4来产生脉冲水。这种“针组件”例如可由通过脉冲水射流设备的水流可操作地致动。

[0052] 如文中所用的术语“包含”和“包括”（以及它们的语法变体）在包括性的意义上使用而不是在“仅由…组成”的穷尽意义上使用。