Pulzující vodní paprsek – technologie budoucnosti?

Účinky vysokorychlostních vodních paprsků při dezintegraci materiálů jsou odborné veřejnosti dobře známy. Čistá voda stlačená běžně užívanými vysokotlakými čerpadly na tlak až 415 MPa má po průchodu velmi malým otvorem (tryskou o průměru desetin až jednotek mm) dostatečnou energii na řezání papíru, dřeva, plastů, pryže, tenkých plechů (cca 1 mm) apod. Po přidání abrazivních částic do vysokorychlostního vodního proudu – ať už za tryskou (tzv. abrazivní vodní paprsek), nebo před tryskou (tzv. abrazivní suspenzní paprsek) – se oblast použitelnosti paprsků výrazně rozšíří. Abrazivní paprsky jsou schopny řezat, vrtat, soustružit či frézovat nejen kovy, ale i obtížně obrobitelné materiály, jako jsou kompozity, konstrukční keramika, vysokopevnostní slitiny, sklo apod. V současné době není znám materiál, který by abrazivní paprsek nedokázal porušit.

Přes nesporný technologický pokrok dosažený v posledních letech v oblasti aplikací vysokorychlostních abrazivních paprsků existuje ve světě neustálý tlak na další vývoj technologií využívajících pouze čisté vodní paprsky. Výzkumné týmy se snaží o jejich zdokonalení tak, aby se ještě lépe přizpůsobily stále náročnějším ekologickým požadavkům, dále se zvyšovala jejich výkonnost a současně bylo jejich použití výhodnější také ekonomicky.

Jednu z možných cest představuje využití ultravysokých tlaků ke generování vodních paprsků. V současnosti jsou komerčně dostupná vysokotlaká zařízení pro řezání vodními paprsky generovanými tlakem až 700 MPa. Při takových tlacích ovšem dochází k extrémnímu namáhání jednotlivých částí vysokotlakých čerpadel, což má neblahý vliv na jejich životnost.

Pracovníci Ústavu geoniky AV ČR, v. v. i., se proto zaměřili na alternativní přístup, charakterizovaný snahou eliminovat potřebu extrémně vysokých tlaků využitím fyzikálního jevu, vznikajícího při dopadu kapky na pevný povrch.

Dopad kapaliny na pevný povrch

Při střetu kapaliny pohybující se vysokou rychlostí s tuhým tělesem vzniká krátkodobý přechodový jev, který je provázen výrazným nárůstem tlaku v místě dopadu kapaliny na povrch a může způsobit vážné poškození jak na povrchu, tak i ve vnitřní struktuře materiálu vystaveného působení dopadající kapaliny. Nutnost studia jevů, k nimž při dopadu kapky na pevný povrch dochází, byla v minulosti vyvolána především potřebou předcházet erozi lopatek parních turbín. V současnosti probíhá např. výzkum dešťové eroze působící na letadla a rakety, především na materiál oken. S dopadem kapaliny na pevný povrch těsně souvisí také kavitační eroze.

Dopad kapaliny na pevný povrch probíhá ve dvou fázích (obr. 1). V první fázi se kapalina chová jako stlačitelná a generuje díky tzv. hydraulickému rázu (water hammer) impaktní tlak p_i, který je zodpovědný za velkou část poškození způsobeného nárazem kapaliny na pevný povrch.

První fáze dopadu kapaliny trvá řádově několik mikrosekund a odpovídá době potřebné k přesunutí vlny poklesu tlaku z místa vnějšího kontaktu paprsku a dopadové plochy do středu dopadajícího paprsku. Obr. 2 ilustruje situaci krátce po nárazu kapky na povrch.

Po odeznění impaktního tlaku začíná druhá fáze dopadu kapaliny. V okamžiku, kdy je překročena mez tlakové deformace kapaliny, kapalina začíná proudit radiálně kolmo k ose paprsku směrem ven podél dopadové plochy. Rychlost radiálního toku v_r může být až pětinásobně vyšší, než je dopadová rychlost kapaliny v, a v jeho důsledku tedy na povrch materiálu působí nejen normálové síly od dopadu paprsku, ale i síly smykové. Je-li povrch nerovný či jakkoliv porušený, radiální proudění kapaliny může vyvolat tak vysoké smykové síly, že jsou schopny vytvořit lokální smykové trhliny i na povrchu vysoce pevných materiálů.

V průběhu druhé fáze dopadu se kapalina chová jako nestlačitelná a tlak v centrální ose paprsku poklesne na mnohem nižší tzv. Bernoulliho stagnační tlak p_s, který pak trvá relativně dlouhou dobu.

Impaktní tlak p_i je mnohonásobně vyšší než stagnační tlak p_s – v závislosti na tlaku před tryskou je přibližně 4krát až 20krát vyšší než tlak stagnační.

Vzhledem k tomu, že kontinuální vodní paprsek působí na materiál v podstatě pouze stagnačním tlakem, je tedy žádoucí rozdělit jej na řadu „kapek“, schopných vyvolat při dopadu také impaktní tlak a využít tak výše popsané jevy doprovázející dopad kapky na materiál ke zvýšení účinků vysokorychlostních vodních paprsků.

Pulzující vodní paprsek

Experimentálně jsme v laboratoři ověřili, že generováním dostatečně velkých tlakových pulzací tlakové kapaliny před výstupem z trysky je možno vytvářet kapalinový pulzující paprsek. Pulzující paprsek z trysky vystupuje jako kontinuální, díky těmto tlakovým pulzacím však vytéká z trysky proměnnou rychlostí. Rychlejší části paprsku v určité vzdálenosti od výstupu z trysky „dostihnou“ části pomalejší, čímž se původně kontinuální paprsek rozčlení na jednotlivé pulzy („kapky“). Při dopadu jednotlivých pulzů pulzujícího paprsku se pak na dopadové ploše cyklicky generuje výše uvedený impaktní tlak. Navíc dochází také k únavovému a smykovému namáhání materiálu cyklickým zatěžováním dopadové plochy a působením radiálního vysokorychlostního toku kapaliny po povrchu. To dále zvyšuje účinnost pulzujícího kapalinového paprsku v porovnání s paprskem kontinuálním.

Intenzivní výzkum pulzujících vodních paprsků byl v Ústavu geoniky zahájen v roce 2000. Postupně byla vyvinuta a testována originální metoda generování pulzujícího kapalinového paprsku, založená na vytváření akustických vln působením akustického budiče na tlakovou kapalinu a na jejich přenosu vysokotlakým systémem k trysce. Výše uvedenou metodou je možno vytvořit pulzující paprsek generující desítky tisíc pulzů za vteřinu. Výsledky dlouhodobého výzkumu v oblasti studia zákonitostí šíření akustických vln (či vysokofrekvenčních tlakových pulzací) v kapalině vysokotlakým systémem, jejich vlivu na generování a vlastnosti pulzujícího vodního paprsku a působení pulzujících paprsků na materiály vedly k udělení několika patentů nejen v ČR, ale i v zahraničí.

Navržené a realizované patentované řešení generování tlakových pulzací ve vysokotlakém systému pro generování pulzujících vodních paprsků pomocí akustického generátoru s frekvencí 20 či 40 kHz prokázalo v laboratorních podmínkách výrazné zvýšení dezintegračních účinků pulzujících vodních paprsků na různé typy materiálů v porovnání s paprsky kontinuálními. Na základě dosažených výsledků jsme začali spolupracovat s německým průmyslovým partnerem a to vedlo k uzavření výhradní licenční smlouvy na výrobu, využití a prodej generátorů pulzujícího paprsku.

Uzavřením licenční smlouvy a komercializací ovšem výzkum v oblasti pulzujících vodních paprsků zdaleka nekončí – spolupráce s průmyslovým partnerem naopak přináší nové podněty pro další výzkumnou práci.

A kde všude mohou pulzující vodní paprsky najít využití? Především v mnoha aplikacích, kde se již technologie vysokorychlostních vodních paprsků využívá. Pulzující vodní paprsky se mohou uplatnit ve strojírenství ke zpevňování povrchů jako náhrada kuličkování, zatímco v automobilovém průmyslu se uvažuje o aplikaci pulzujících paprsků např. k odstraňování otřepů po obrábění vnitřních prostor bloku válců motorů. Ve stavebnictví lze s výhodou používat pulzující vodní paprsky k odstraňování porušených vrstev betonu při sanacích betonových konstrukcí a k přípravě povrchů před nanášením správkových materiálů. Velký aplikační potenciál má rovněž využití pulzujících vodních paprsků při čištění a odstraňování povrchových vrstev a nánosů, např. v loděnicích k čištění trupů lodí nebo v potravinářském průmyslu. Pulzující vodní paprsky mohou být použity také k plošné úpravě povrchů okrasného kamene, protože na rozdíl od klasických mechanických způsobů opracování kamene dokážou povrch zdrsnit, ale současně zachovat jeho estetické vlastnosti.

Zcela nová oblast využití pulzujících vodních paprsků se otvírá v oblasti medicíny. Pulzující vodní paprsky by mohly být využívány k selektivnímu a šetrnému odstraňování měkkých tkání (např. při provádění liposukce) nebo při reimplantacích velkých kloubů k odstranění kostního tmele používaného k fixaci implantátu v kostech.