Injektionsdüse für Hochdruckinjektionsbohrsysteme sowie Hochdruckinjektionsbohrwerkzeug

Abstract

 Eine Injektionsdüse für Hochdruckinjektionsbohrsysteme mit einem Düsenkörper (6) und einem sich durch diesen in Längsrichtung hindurch erstreckenden Fluidkanal (8) für das zu injizierende Fluid wird zur Verbesserung der Bündelungswirkung um eine größere Reichweite zu erhalten, erfindungsgemäß so ausgebildet, daß der Fluidkanal (8) über seine gesamte Länge (L) einen einheitlichen, unrunden Innenquerschnitt aufweist. Vorzugsweise hat die Injektionsdüse in den Fluidkanal hineinragende, sich in Längsrichtung der Düse (5) erstrekkende Leitprofile (9), die sich zumindest im wesentlichen über die gesamte Düsenlänge erstrecken und rippenförmig sind.
Die Erfindung betrifft auch ein Hochdruckinjektionsbohrwerkzeug mit entsprechenden Injektionsdüsen (5).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Injektionsdüse für Hochdruckinjektionsbohrsysteme nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Hochdruckinjektionsbohrwerkzeug mit einer derartigen Injektionsdüse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.

[0002] Mit den bekannten Hochdruckinjektionsbohrsystemen wird nach dem Abbohren eines Bohrstrangs in bis zu 30 Metern Tiefe mit über 400 bar Druck Zementschlämme ins Erdreich injiziert, um vor dem Baugrubenaushub eine wasserdichte Betonplattform zu erstellen. Dazu wird durch die Fluidleitung eines Hochdruckinjektionsbohrwerkzeuges das Fluid, nämlich die Zementschlämme, hinabgepumpt und über zumindest eine mit der Fluidleitung verbundene Injektionsdüse über das sich drehende Hochdruckinjektionsbohrwerkzeug kreisförmig um dieses herumgespritzt, so daß ein kreisförmiger Betonblock entsteht. Die zu erstellende Betonplattform wird durch viele aneinandergereihte Betonblöcke gebildet, die sich gegenseitig teilweise überschneiden. Je größer der Durchmesser der einzelnen Betonblöcke ist, umso weniger Bohrungen müssen niedergebracht werden, um die gewünschte Betonplattformgröße zu erhalten.

[0003] Die bekannten Injektionsdüsen, die für derartige Systeme eingesetzt werden, weisen einen Fluidkanal mit einem runden Innenquerschnitt auf. Um möglichst große Betonblöcke zu erhalten, hat man bereits ohne großen Erfolg versucht, durch Verlängerung der Injektionsdüsen bzw. des sich durch diese hindurch erstreckenden Fluidkanals den Injektionsstrahl zu bündeln, um größere Durchmesser zu erreichen.

[0004] Es hat sich gezeigt, daß bei den herkömmlichen Injektionsdüsen in dem zu injizierenden Fluid durch dessen annähernd rechtwinklige Umleitung aus der Fluidleitung des Bohrgestänges in den Fluidkanal der Injektionsdüse Wirbel entstehen, durch die der Injektionsstrahl bei Verlassen der Injektionsdüse frühzeitig aufsprüht und an Wirkung verliert, so daß sich nur geringe Betonblockdurchmesser ergeben.

[0005] In der DE 199 22 820 A1 wird daher eine Hochdruckinjektionsdüse vorgeschlagen, bei der im Düsenkörper ein Sperrelement in Form eines Kreuzes unmittelbar vor dem Austritt des Fluids aus der Düse angeordnet ist. Die Düse hat einen schmalen Zufuhrkanal, der sich in Flußrichtung des Fluids über einen Eintrittsabschnitt in einen Düsenraum trichterförmig erweitert. In einem sich daran anschließenden, den Innendurchmesser der Düse noch weiter vergrößernden Austrittsabschnitt ist dann das Sperrelement angeordnet. Bei dieser Düsenform trifft das Fluid mit hoher Geschwindigkeit auf das Sperrelement und wird dadurch abgebremst und aufgeteilt. Eine befriedigende Bündelung des Fluidstrahls findet nicht statt. Vielmehr verliert der Fluidstrahl an Energie und Austrittgeschwindigkeit und somit an Länge.

[0006] Die Erfindung befaßt sich daher mit dem Problem, eine Injektionsdüse für Hochdruckinjektionsbohrsysteme bzw. ein Hochdruckinjektionsbohrwerkzeug zu schaffen, das es ermöglicht, Betonblöcke mit möglichst großem Durchmesser zu erstellen.

[0007] Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch eine Injektionsdüse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Hochdruckinjektionsbohrwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.

[0008] Durch die Ausbildung des Fluidkanals im Düsenkörper mit einem gleichbleibenden unrunden Innenquerschnitt über die gesamte Fluidkanallänge wird ein wesentlich länger gebündelter Injektionsstrahl ausgebildet, wodurch Betonblöcke größeren Durchmessers erhältlich sind.

[0009] Die erfindungsgemäße unrunde Innenquerschnittsform des Fluidkanals der neuentwickelten Injektionsdüse bremst die entstandenen Wirbel innerhalb der Düse ab und bündelt so den Injektionsstrahl über die gesamte Düsenlänge bis zum Austritt, so daß ein ruhiger gleichmäßiger Strahl ohne Verwirbelungen die Düse verläßt, der noch über eine große Länge scharf bleibt. Dadurch können deutlich größere Betonblockdurchmesser erzielt werden und es müssen weniger Bohrungen eingebracht werden, um die gleiche Betonplattformfläche abzudecken. Die Bauzeiten und Baukosten verringern sich damit erheblich.

[0010] Besonders wirksam sind Injektionsdüsen, deren Innenquerschnitt in den Fluidkanal hineinragende Leitprofile aufweist, da diese die entstandenen Wirbel besonders gut bremsen. Bevorzugte Bauformen sind daher Injektionsdüsen mit in den Fluidkanal hereinragenden Flügeln oder keilartigen Leitprofilen, die bei aneinandergrenzender Anordnung einen sternförmigen Innenquerschnitt des Fluidkanals ergeben.

[0011] Die Wirbelbrems- und Bündelungswirkung ist besonders groß, wenn die Leitprofile rippenförmig sind und sich vorzugsweise über die gesamte Düsenlänge erstrecken.

[0012] Da die Wandungen des Fluidkanals durch die Zementschlämme einem hohen Verschleiß ausgesetzt sind, ist es vorteilhaft, den Fluidkanal in einem separaten Düseneinsatz auszubilden, der in den Düsenkörper eingesetzt und mit diesem beispielsweise durch Verschrauben, Verlöten oder Verkleben verbunden ist. Eine Fertigung des Düseneinsatzes aus Hartmetall verlängert dessen Standzeit und vermindert so eventuelle Rüstzeiten für einen Wechsel.

[0013] Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus den Unteransprüchen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die im folgenden beschrieben werden; es zeigen:

Fig. 1

ein Hochdruckinjektionsbohrwerkzeug, teilweise im Schnitt,

Fig. 2

eine dreidimensionale Ansicht eines erfindungsgemäßen Düseneinsatzes für eine Injektionsdüse,

Fig. 3

einen Längsschnitt durch den Düseneinsatz aus Fig. 1, in einem Düsenkörper eingesetzt,

Fig. 4

einen Längsschnitt durch den Düseneinsatz aus Fig. 1 in zweidimensionaler Darstellung,

Fig. 5

eine Ansicht aus Richtung V auf den Gegenstand in Fig. 4 und

Fig. 6 a - f

verschiedene Innenquerschnittsformen des Fluidkanals.

[0014] Das in Fig. 1. dargestellte Hochdruckinjektionsbohrwerkzeug besteht aus einem Bohrgestänge 1, durch das sich eine Fluidleitung 2 hindurch erstreckt. Frontseitig an dem Bohrgestänge 1 ist eine Bohrkrone 3 angeordnet. In Fluidflußrichtung 4 vor der Bohrkrone 3 befinden sich Injektionsdüsen 5 mit einem Düsenkörper 6, in den ein Düseneinsatz 7 eingesetzt ist.

[0015] Der Düseneinsatz 7 ist in den Fig. 4 und 5 näher dargestellt. Durch den Düseneinsatz 7 erstreckt sich ein Fluidkanal 8, der - wie in den Fig. 2 bis 4 zu erkennen ist - einen unrunden über die gesamte Länge L des Fluidkanals 8 gleichbleibenden Innenquerschnitt aufweist.

[0016] Fig. 6 zeigt verschiedene unrunde Innenquerschnittsformen, die sämtlich die in dem Fluidstrahl bei der Umlenkung aus der Fluidleitung 2 in den Fluidkanal 8 entstehenden Wirbel bremsen und den Fluidstrahl dadurch bündeln.

[0017] Besonders starke Bündelungseffekte ergeben sich, wenn der Fluidkanal wie bei den Ausführungsformen der Fig. 6d bis 6f in ihn hineinragende Leitprofile 9 aufweist. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6d sind die Leitprofile 9 keilförmig und dicht an dicht angeordnet, so daß sich ein sternförmiger Innenquerschnitt ergibt. In Fig. 6e bilden die Leitprofile 9 Züge 10 und Felder 9' aus. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6f und Fig. 2 bis 5 sind die Leitprofile flügelartig und ragen weit in das Innere des Fluidkanals 8 hinein. Die Wirbelbremswirkung und die damit verbundene Bündelung des Fluidstrahls ist bei dieser Ausführungsform besonders ausgeprägt. Die Zahl der Leitprofile ist schränkt. Auch ein einziges Leitprofil erzielt bereits eine positive Wirkung. Ausführungsformen mit drei oder vier Leitprofilen führen aber zu einer besonders guten Bündelungen des Fluidstrahls.

[0018] Wie in den Figuren 3 bis 5 dargestellt, weist die Injektionsdüse bevorzugt einen Einlaufabschnitt 11 auf, der dem Fluidkanal 8 vorgeschaltet ist. Dieser schafft einen weichen Übergang der Querschnittsverengung von der Fluidleitung 2 in den Fluidkanal 8. Energetisch günstig ist diese Querschnittsverengung des Einlaufabschnitts 11 vom Düseninneren aus betrachtet konvex gerundet ausgebildet. Die Leitprofile 9 können auch wie in Fig. 5 gestrichelt angedeutet bereits im Einlaufabschnitt 11 beginnen, wodurch schon in diesem Bereich verhindert wird, daß sich ein unerwünschter Drall oder Verwirbelungen im Fluid ausbilden.

Ansprüche

1. Injektionsdüse für Hochdruckinjektionsbohrsysteme mit einem Düsenkörper (6) und einem sich durch diesen in Längsrichtung hindurch erstreckenden Fluidkanal (8) für das zu injizierende Fluid, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidkanal (8) über seine gesamte Länge (L) einen einheitlichen, unrunden Innenquerschnitt aufweist.

2. Injektionsdüse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch in den Fluidkanal hineinragende, sich in Längsrichtung der Düse (5) erstreckende Leitprofile (9).

3. Injektionsdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Leitprofile (9) zumindest im wesentlichen über die gesamte Düsenlänge erstrecken.

4. Injektionsdüse nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitprofile (9) rippenförmig sind.

5. Injektionsdüse nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch einen sternförmigen Innenquerschnitt.

6. Injektionsdüse nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitprofile (9) in dem Fluidkanal Züge (10) und Felder (9') ausbilden.

7. Injektionsdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fluidkanal (8) ein Einlaufabschnitt (11) mit in Fluidflußrichtung (4) sich verengendem Querschnitt vorgeschaltet ist.

8. Injektionsdüse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsverengung des Einlaufabschnitts (11) konvex gerundet ausgebildet ist.

9. Injektionsdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidkanal (8) in einem in den Düsenkörper (6) eingesetzten Düseneinsatz (7) ausgebildet ist.

10. Injektionsdüse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Düseneinsatz (7) aus Hartmetall besteht.

11. Hochdruckinjektionsbohrwerkzeug mit einem Bohrgestänge (1), einer frontseitig an diesem angeordneten Bohrkrone (3), einer sich durch das Bohrgestänge (1) erstreckenden Fluidleitung (2) und zumindest einer in Fluidflußrichtung (4) vor der Bohrkrone (3) angeordneten, an die Fluidleitung (2) angeschlossenen Injektionsdüse (5), deren Längsachse sich im Winkel zu der Längsachse des Bohrgestänges (1) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionsdüse (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.

Zeichnung