Brevet FR2620166A1 — publié le 19890310

La présente invention concerne le génie minier et la technique hydraulique à action impulsionnelle et a notamment pour objet des hydroéjecteurs à action impulsionnelle. L'invention peut être utilisée dans l'industrie minière et dans la construction des ouvrages hydrotechniques pour la démolition des roches par des jets pulsatoires sous pression élevée ainsi que dans l'industrie énergétique pour le nettoyage des éléments thermoénergétiques des groupes de chaudières de centrales électriques. On connaSt un hydroéjecteur (SU, A, 768968) comportant un accumulateur hydropneumatique, lié à une conduite d'amenée, un générateur d'oscillations mis en communication, par une conduite, avec l'accumulateur, un mécanisme de commande du déplacement d'un piston creux lié au générateur d'oscillations, un ajutage de travail mis en communication avec le générateur d'oscillations par l'autre conduite, le diamètre de la conduite située entre le générateur d'oscillations et l'ajutage de travail étant inférieur d'un tiers au diamètre de la conduite entre le générateur d'oscillations et l'accumulateur hydropneumatique, alors que leurs longueurs sont égales. Le fonctionnement de l'hydroéjecteur à action impulsionnelle est fondé sur l'accélération de l'eau dans la conduite se trouvant entre le générateur d'oscillations et-l'accumulateur hydropneumatique à travers l'ajutage d'évacuation, sur l'accélération supplémentaire de l'eau dans la conduite entre le générateur d'oscillations et l'ajutage de travail et sur le freinage ultérieur du courant en amont de l'ajutage de travail. Ce dispositif est caractérisé par une pression insuffisamment élevée en amont de l'ajutage de travail, qui est obtenue grâce à un rapport déterminé entre les longueurs et les diamètres des conduites, ce qui conduit à la baisse du rendement. En outre, à la suite des oscillations de la colonne d'eau dans la conduite entre le générateur d'oscillations et l'aJutage de travail, des impulsions à basse pression sont engendrées après une impulsion à pression élevée. Ces impulsions à basse pression ne provoquent aucune action destructive sur un objet, diminuant ainsi l'efficacité du jet à haute pression et contribuant à un arrosage excédentaire d'un objet à démolir, ce qui, dans la majorité des cas, n'est pas désirable. On connaît également un hydroéjecteur (SU, A, 1081350) comportant un accumulateur hydropneumatique, monté sur une conduite d'amenée, en communication par une conduite avec le générateur d'oscillations, lié par la deuxième conduite à un commutateur de courant comportant un ajutage de travail et un ajutage d'évacuation. Le générateur d'oscillations est monté entre les conduites et comporte un piston et un ajutage d'évacuation. Le commutateur de courant d'eau comprend un corps dans lequel est disposé un organe de fermeture constitué par deux pistons accouplés par une tige qui forme, dans le corps, des cavités en aval du siège et des cavités en aval des pistons, l'une des cavités en aval du siège est liée à l'ajutage de travail tandis que l'autre est raccordée à l'ajutage d'évacuation. Les diamètres de l'aJutage de travail et de l'ajutage d'évacuation sont identiques. Le fonctionnement du dispositif est fondé sur l'accélération de l'eau dans la conduite entre le générateur et l'accumulateur hydropneumatique à travers l'ajutage d'évacuation du générateur d'oscillations, sur l'accélération supplémentaire de ce courant d'eau dans la conduite entre le générateur d'oscillations et le commutateur de courant d'eau à travers l'ajutage d'évacuation du commutateur de courant et sur le freinage ultérieur de ce courant en amont de l'ajutage de travail. Ce dispositif est caractérisé encore par une faible efficacité de l'abattage hydraulique due à une petite amplitude de la haute pression dans l'impulsion qui résulte des diamètres égaux de l'ajutage de travail et de l'ajutage d'évacuation dans le commutateur de courant ainsi que de la section constante de la conduite entre le générateur d'oscillations et le commutateur de courant d'eau. On s'est donc proposé de mettre un hydroéjecteur à action impulsionnelle au point, dans lequel on pourrait augmenter l'amplitude de la haute pression dans une impulsion et d'élever ainsi l'efficacité de l'abattage hydraulique grâce au perfectionnement du commutateur de courant d'eau. Le problème ainsi posé est résolu à l'aide d'un hydroéjecteur à action impulsionnelle comportant un accumulateur hydropneumatique monté sur une conduite d'amenée, mise en communication par une première conduite avec générateur d'oscillations lié par une deuxième conduite au commutateur de courant d'eau comportant un ajutage de travail et un ajutage d'évacuation, caractérisé, selon l'invention, en ce que la deuxième conduite est constituée au moins par deux sections de diamètres différents, le diamètre de chaque section précédente étant supérieur de deux fois au diamètre de chaque section ultérieure, pour la formation du courant avec différentes phases de fluctuations de la pression. il est également avantageux que, dans l'hydroéjecteur à action impulsionnelle, pour la formation du courant avec différentes phases de fluctuations de la pression, l'ajutage de travail et l'ajutage d'évacuation soient réalisés avec un rapport entre les diamètres égal à 1:3, respectivement. Ainsi, en utilisant la deuxième conduite constituée au moins par deux sections de différents diamètres, on réussit à accumuler une quantité déterminée d'eau dans la phase élevée des fluctuations sous une pression élevée et à créer supplémentairement l'accélération supplémentaire du liquide dans la phase basse de fluctuations lors de l'écoulement de l'eau à travers l'ajutage d'évacuation. Le fait que le diamètre de l'ajutage d'évacuation soit choisi supérieur de trois fois au diamètre de l'ajutage de travail est imposé par la nécessité d'accélérer l'eau jusqu'à la vitesse la plus maximale possible. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaUtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de sa réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs avec références au dessin non limitatif annexé dans lequel est représentée une vue d'ensemble d'un hydroéjecteur à action impulsionnelle, en coupe, selon l'invention. L'hydroéjecteur à action impulsionnelle comporte un accumulateur hydropneumatique 2 monté sur une conduite 1, et lié par une première conduite 3 à un générateur 4 d'oscillations qui est mis en communication par une deuxième conduite 5 avec un commutateur 6 du courant d'eau qui possède un ajutage de travail 7 et un ajutage d'évacuation 8. La deuxième conduite 5 est constituée par deux sections 9 et 10, le diamètre de la section 9 étant de deux fois supérieur au diamètre de la section 10. l'ajutage de travail 7 et l'ajutage d'évacuation 8 sont réalisés à un rapport entre les diamètres égal à 1:3, respectivement. Le générateur d'oscillations 4 comporte un piston creux 11, un mécanisme 12 de commande du déplacement du piston creux 11 et un ajutage d'évacuation 13. Le commutateur 6 du courant d'eau est monté à l'extrémité de la section 10. Dans le corps 14 de ce commutateur, on a pratiqué des sièges 15 et 16 formant une cavité 17 entre eux et des cavités 18 et 19 en aval des sièges. Les cavités 18 et 19 abritent, chacune, les pistons 20 et 21 respectivement, accouplés entre eux par une tige 22. Des cavités 23 et 24 sont disposées en aval des pistons 21 et 20 respectivement. Dans ce cas, la cavité 23 derrière le piston est mise en communication par un tube de dérivation 25 avec la cavité 19 en aval du siège alors que la cavité 24 en aval du piston est liée à la conduite r5 d'amenée 1'. l'hydroéjecteur à action impulsionnelle fonctionne de la manière suivante. Après l'ouverture de l'arrivée de l'eau de la conduite d'amenée 1', l'hydroêjecteur à action impulsionnelle est mis en régime d'autooscillations constitué par des périodes comprenant chacune deux phases: une phase basse et une phase haute. La phase basse commence après le déplacement du piston creux 11 du générateur 4 d'oscillations réalisé par un mécanisme 12 de commande du déplacement du piston creux 11 vers la section 9 de la deuxième conduite 5. La liaison hydraulique entre la première conduite 3 et la deuxième conduite 5 s'interrompt alors. La conduite 3 est reliée, à ce moment, à l'ajutage d'évacuation 13 du générateur 4 d'oscillations. La pression dans la zone du générateur 4 d'oscillations décroUt. Une onde de pression réduite se propage suivant la conduite 3, du génératuer 4 d'oscillations vers l'accumulateur hydropneumatique 2 et est réfléchie de celui-ci par l'onde de la pression voisine de la pression amenée. En général, trois ou quatre ondes à basse pression se propagent habituellement en phase basse entre le générateur 4 d'oscillations et l'accumulateur hydropneumatique 2 grâce au mécanisme 12 de commande du déplacement du piston creux 11. A l'arrivée de chaque onde refléchie dans le générateur 4 d'oscillations, la vitesse de déplacement de l'eau suivant la conduite 3 ainsi que la pression dans la zone du générateur 4 d'oscillations augmentent d'une manière saccadée. Lorsque la différence des pressions sur le piston creux 11 et dans le mécanisme 12 de commande du déplacement a atteint une valeur suffisante pour son déplacement, il se déplace vers la conduite 3. L'ajutage 13 d'évacuation se ferme-et les conduites 3 et 5 sont liées hydrauliquement l'une à l'autre. La phase basse des oscillations se termine et la phase haute des oscillations dans la conduite 3 commence. Après la fermeture de l'ajutage 13 d'évacuation, dont la résistance hydraulique est petite, la pression dans la zone du générateur 4 d'oscillations s'élève et devient supérieure à celle amenée. L'onde de cette pression élevée se propage suivant la conduite 3, vers l'accumulateur hydropneumatique 2, puis parvient, par la section 9 de la deuxième conduite 5, vers l'endroit de la liaison des sections 9 et 10. A la suite des longueurs égales de la conduite 3 et des section 9 et de la deuxième conduite 5, l'onde se déplace suivant la conduite, atteint l'accumulateur hydropneumatique 2, puis se dirige vers la deuxième conduite 5 et parvient à l'endroit du raccordement des sections 9 et 10. La différence des diamètres des sections 9 et 10 de la deuxième conduite 5 provoque un certain freinage du courant d'eau. La pression croît encore davantage et l'onde de cette pression se propage de l'endroit du raccordement des sections 9 et 10 dans les deux sens: elle se propage suivant la section 9 vers le générateur d'oscillations 4 et suivant la section 10 vers le commutateur 6 de courant d'eau. A ce moment, la vitesse de déplacement de l'eau dans la section 10 est supérieure à celle dans la section 9 par suite des diamètres différents des sections 9 et 10 et, de ce fait, un courant à différentes phases d'oscillations de la pression s'y forme. A ce moment, lorsque l'onde refléchie par l'accumulateur hydropneumatique 2 a atteint le générateur d'oscillations 4, le piston creux 11, actionné par son mécanisme 12 de commande, se déplace vers la deuxième conduite 5, l'ajutage d'évacuation 13 s'ouvre et la liaison hydraulique entre les conduites 3 et 5 s'interrompt. La phase haute des oscillations de la pression dans la conduite 3 se termine et la phase basse commence. L'onde refléchie de l'endroit du raccordement des sections 9 et 10 atteint, d'une part, le générateur d'oscillations 4 o elle rencontre "une impasse" (du fait qu'à ce moment la liaison hydraulique entre les conduites 3 et 5 est interrompue) et, d'autre part, parvient dans le commutateur 6 du courant d'eau. A ce moment, une onde de pression réduite est engendrée au début de la section 9, c'est-à-dire, que l'eau n'arrive plus de la conduite 3 pendant que le courant d'eau continue à se déplacer, en général, suivant les sections 9 et 10 de la deuxième conduite 5 vers le commutateur 6 du courant d'eau. Dans la zone du commutateur 6 du courant d'eau, les pistons 20 et 21 se déplacent conjointement avec la tige, vers la cavité 24 en aval du piston. Le piston 21 s'appuie sur le siège 15. L'ajutage d'évacuation 8 se ferme et l'ajutage de travail 7 s'ouvre. La pression en amont de celui-ci croft jusqu'à la valeur maximale. Les pistons 20 et 21 seront déplacés conjointement avec la tige 22 après que l'onde de la pression qui est préalablement élevée et refléchie de l'endroit de raccordement des sections 9 et aura atteint le commutateur de courant 6, cette pression prélablement élevée agissant de la cavité 17 entre les sièges sur le piston 20 sera sensiblement supérieure à la pression amenée dans la cavité 24 en aval du piston. La pression agissant sur le piston 21 du c8té de la cavité 19 en aval du siège et la pression de la cavité 23 en aval du piston seront égales grâce à la dérivation de l'eau par le tube 25. Par suite de la fermeture de l'ajutage 8 d'évacuation (d'une faible résistance hydraulique) et de l'ouverture de l'aJutage de travail 7 (d'une plus grande résistance hydraulique), dont le diamètre est supérieur de trois fois à celui de l'ajutage d'évacuation 8, la pression croit jusqu'à la valeur maximale. A ce moment, un courant s'écoule avec une impulsion d'une haute pression d'une amplitude maximale, vers un objet à démolir. La phase haute d'oscillations commence alors dans la section 10 de la deuxième conduite 5. L'onde à cette pression maximale et de la vitesse maximale du courant, déterminée par cette pression et le diamètre de l'ajutage de travail 7 se propage suivant la section 10 jusqu'à l'endroit de la liaison des sections 9 et 10 et rencontre ici l'onde à pression réduite et de vitesse nulle qui est refléchie du générateur d'oscillations 4 (impasse). A la suite de l'addition de ces ondes, la pression dans la liaison décroît en restant, en règle générale, quelque peu supérieure à la pression amenée et la direction du déplacement du courant change. De la zone de pression élevée (section 10), l'eau coule dans la zone de pression réduite (section 9). En conséquence, une nouvelle onde se propage de la liaison des sections 9 et à la vitesse négative du déplacement du courant et sous une pression quelque peu supérieure à celle amenée. En même temps, la première des ondes de pression réduite 2620 1 66 se refléchit de l'accumulateur hydropneumatique 2. Quand elle a atteint le générateur d'oscillations 4 et quand la deuxième onde de pression a passé par la conduite 3 vers l'accumulateur hydraulique 2, l'onde de vitesse négative se dirige vers le générateur d'oscillations 4 (vers l'impasse), suivant la section 9 et vers le commutateur 6 de courant d'eau, suivant la section 10, depuis la liaison des sections 9 et 10. Dans le premier cas, cela provoque une certaine augmentation de la pression (à cause de l'impact du courant contre l'impasse) et une onde de même pression se dirige vers la liaison des sections 9 et 10, également à vitesse nulle, et, dans le deuxième cas, cela provoque une baisse de la pression dans la zone du commutateur 6 du courant d'eau jusqu'à la pression atmosphérique, par suite de la pression négative dans l'onde arrivée. En conséquence, les pistons 20 et 21 se déplacent conjointement avec la tige 22 vers la cavité 23, en aval du piston, sous l'action de la pression amenée dans la cavité 24. A ce moment, l'onde de pression atmosphérique passe par la section à une petite vitesse positive ou négative (en fonction des paramètres des sections 9 et 10). Après cela, la phase haute d'oscillations de la pression dans la section 10 se termine et la phase basse commence. Il convient de noter qu'à ce moment, l'onde à basse pression effectue, dans la conduite 3, le premier parcours total en phase basse, c'est-à-dire que les phases des oscillations dans les conduites sont décalées d'un temps égal au double du parcours de l'onde de choc suivant la conduite 3. Lorsque la deuxième onde en phase basse des oscillations dans la conduite 3 a atteint l'accumulateur hydropneumatique 2, la deuxième onde passe de nouveau par la section 9 à la vitesse nulle et se rapproche de nouveau de la liaison des sections 9 et 10. La première onde à la pression atmosphérique se déplace de nouveau suivant la section 10, du commutateur 6 du courant en phase basse des oscillations du courant dans cette section. En conséquence, le courant acquiert de nouveau, à l'endroit du raccordement des sections 9 et 10, une vitesse positive du fait que l'onde sous une pression supérieure à celle amenée, est arrivée de la section 9 et l'onde à la pression atmosphérique est arrivée de la section 10 et l'eau commence à s'écouler de la section 9 dans la section 10 de la deuxième conduite 5 alors que la pression reste de nouveau quelque peu supérieure à la pression amenée. L'onde caractérisée par les mêmes paramètres se propage de nouveau, de l'endroit du raccordement des sections 9 et 10, vers le générateur d'oscillations 4 et le commutateur 6 du courant d'eau. Dès que le courant a atteint le commutateur 6, la pression croit en amont de l'ajutage 8 d'évacuation et devient supérieure à la pression atmosphérique, ce qui aboutit à l'augmentation de la vitesse du courant à la fin de la section 10. A ce même moment, les ondes de choc se rapprochent du générateur d'oscillations 4 de deux cotes: l'une d'elles se déplace suivant la conduite 3 en se refléchissant de l'accumulateur hydropneumatique 2 (la deuxième onde refléchie est en phase basse) tandis que l'autre onde se déplace suivant la section 9, de l'endroit du raccordement des sections 9 et 10. Si le mécanisme 12 de commande du déplacement du piston creux 11 est réglé en régime de fonctionnement en deux ondes seulement dans la conduite 3 en phase basse, le piston creux 11 du générateur d'oscillations 4 se déplace vers la conduite 3. L'ajutage d'évacuation 13 se ferme et une pression supérieure à la pression amenée se rétablit dans la conduite 3 et la phase haute commence. La pression dans la zone d'oscillations 4 croit jusqu'à une valeur dépassant sensiblement la pression amenée. La nouvelle onde à haute pression se propage depuis le générateur d'oscillations 4, suivant les conduites 3 et 5. Quand cette onde a atteint l'accumulateur hydropneumatique 2 dans la conduite 3 et s'est refléchie de celui-ci, à ce moment, l'onde (à la pression supérieure à la pression atmosphérique, le courant se déplace à la vitesse positive) dans la section 9 atteint l'endroit de raccordement des sections 9 et 10 o elle rencontre l'onde refléchie précédemment de l'ajutage d'évacuation 8, se propageant suivant la section 10. En résultat, une nouvelle onde se propage de l'endroit de raccordement des sections 9 et 10, suivant les sections 9 et 10. Dans ce premier cas, en se rapprochant du générateur d'oscillations 4, elle rencontre l'impasse du fait que l'onde refléchie de l'accumulateur hydropneumatique 2 passe à ce moment en suivant la conduite 3 et la phase haute des oscillations de pression dans celui-ci se termine. Dans le deuxième cas, lorsque cette nouvelle onde de pression élevée s'est rapprochée de l'ajutage d'évacuation 8, la vitesse d'écoulement du courant augmente encore davantage et la pression dans l'onde décroît en restant toutefois sensiblement supérieure à celle régnant précédemment dans la zone du commutateur 6 du courant d'eau (pression habituellement supérieure à l'atmosphérique). En conséquence, les pistons 20 et 21 se déplacent conjointement avec la tige 22 vers la cavité 24 en aval du piston. Ceci aboutit à un freinage brusque du courant et à l'augmentation de la pression jusqu'à la pression maximale. Une phase haute des oscillations du courant recommence dans la section 9. Sous la pression maximale, l'eau s'écoule de l'ajutage de travail 7 vers un objet à démolir. Le processus de fonctionnement recommence. L'hydroéjecteur à action impulsionnelle entre en régime stable d'auto-oscillations. Dans le cas o le nombre d'ondes à basse pression (en phase basse) dans la conduite 3 est supérieur à deux, le processus se déroule de la manière analogue au cas décrit ci-dessus jusqu'à ce que la continuité du courant soit interrompue pendant que les ondes, arrivant de l'endroit du raccordement des sections 9, 10, se rapprochent de "l'impasse". L'augmentation du nombre d'ondes en phase basse est suivie de l'augmentation de la vitesse d'écoulement à travers l'aJutage 8 d'évacuation et, par conséquent, de l'augmentation de la pression en amont de l'ajutage de travail 7. Ainsi, l'exécution de la deuxième conduite 5 en forme des sections 9 et 10 de diamètres différents permet d'accumuler une certaine quantité d'eau en phase haute des oscillations sous pression élevée et de créer une accélération supplémentaire du liquide dans la phase basse pendant l'écoulement de l'eau à travers l'ajutage d'évacuation 8. Le diamètre de la section 9 est deux fois supérieur au diamètre de la section 10. Dans le cas o le diamètre de la section 9 n'est pas supérieur deux fois au diamètre de la section 10 et si, par exemple, il est inférieur à deux, l'accumulation de l'eau à haute pression est insuffisante. A ce rapport des diamètres des sections 9, 10 en phase basse des oscillations de la pression et au rapport admis des diamètres de l'ajutage de travail 7 et de l'ajutage d'évacuation 8 égal à 1:3, l'eau n'est pas accélérée jusqu'à la vitesse maximale possible ce qui influe, en définitive, sur l'amplitude de la haute pression dans l'impulsion. Elle décroît. Dans l'autre cas o le diamètre de la section 9 est supérieur au diamètre de la section 10 de plus de deux fois, une grande quantité d'eau sous une pression élevée s'accumule dans la deuxième conduite 5. En phase basse des oscillations de la pression, l'eau n'est pas accélérée jusqu'à la vitesse maximale possible. A ce moment, la pression dans la section 10 décroît et l'amplitude à haute pression dans l'impulsion diminue. Il s'ensuit que seulement le rapport admis des diamètres des sections 9, 10 de la deuxième conduite 5 peut assurer l'accumulation d'une quantité requise d'eau en phase haute sous une pression élevée qui assure, en phase basse d'oscillations de la pression, l'accélération de l'eau jusqu'à la vitesse maximale possible et l'obtention de l'amplitude maximale de la haute pression dans l'impulsion. Le choix d'un diamètre de l'ajutage d'évacuation 8 supérieur de trois fois au diamètre de l'ajutage de travail 7 est imposé en premier lieu par la nécessité d'accélérer l'eau dans la deuxième conduite 5 jusqu'à la vitesse maximale possible. Si ce rapport est supérieur à trois, l'eau sera accélérée jusqu'à une vitesse supérieure à la valeur maximale. Dans ce cas, la pression dans la zone du commutateur 6 du courant d'eau décroît brusquement. De ce fait, les pistons 20, 21 ne sont pas déplacés conjointement avec la tige 22 et l'ajutage de travail 7 n'est pas ouvert. Dans l'autre cas, lorsque le rapport est inférieur à trois, la vitesse de l'accélération de l'eau diminue et l'amplitude de la haute pression dans l'impulsion décroît à l'ouverture de l'ajutage de travail 7. Ainsi, il en résulte que seulement les paramètres revendiqués de l'hydroéjecteur à action impulsionnelle peuvent assurer l'amplitude maximale de la haute pression dans l'impulsion grâce à l'augmentation du débit consommé de l'hydroéjecteur à action impulsionnelle et, par conséquent, l'efficacité de l'abattage hydraulique. La réalisation décrite ci-dessus de l'invention revendiquée assure l'augmentation de l'efficacité de la démolition des roches grâce à l'augmentation de l'amplitude de la haute pression dans l'impulsion et à l'augmentation du débit consommé. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Hydroéjecteur à action impulsionnelle comportant un accumulateur hydropneumatique monté sur une conduite d'amenée et lié par une première conduite à un générateur d'oscillations qui est mis en communication par une deuxième conduite avec un commutateur du courant d'eau comprenant un ajutage de travail et un ajutage d'évacuation, caractérisé en ce que la deuxième conduite (5) est constituée au moins par deux sections (9, 10) de diamètres différents, le diamètre de chaque section précédente (9) étant de deux fois supérieur au diamètre de chaque section ultérieure (10) pour la formation du courant à différentes phases de l'oscillation de la pression. 2. Hydroéjecteur à action impulsionnelle selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour former le courant à différentes phases de l'oscillation de la pression, on a réalisé l'ajutage de travail (7) et l'ajutage d'évacuation (8) avec un rapport entre les diamètres égal à 1:3.