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Einrichtung zum Erzeugen seismischer Wellen in unter Wasser liegenden
geologischen Formationen Die Erfindung bezieht sich auf die seismische Forschung
und hier auf eine Einrichtung zum Erzeugen seismischer Wellen.
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Bei der seismischen Erforschung geologischer Unterwasserformationen
werden Explosionen ausge-Iöst, um seismische Wellen zu erzeugen, die durch das Wasser
hindurch übertragen-werden und in die geologischen- Formationen eindringen. Die
Explosionen können in bekannter Weise dadurch ausgelöst werden, daß ein brennbares
Gemisch von Gasen in einer Reaktorkammer - zum Explodieren gebracht wird, die -
ein offenes Ende besitzt, das mit dem Wasser gekoppelt ist.
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Die Explosion des brennbaren Gemisches von Gasen in der Reaktorkammer
erzeugt innerhalb der Kammer einen Druck, der seinerseits einen Druckimpuls in dem
Wasser erzeugt. Dieser Druckimpuls läßt eine Gastasche oder Gasblase entstehen,
die durch abwechselnde - Ausdehnung und Zusammenziehung schwingen kann, wodurch
eine nachfolgende Reihe von Druckimpulsen erzeugt wird. Das seismische Signal wird
von -der Druckwelle oder der Reihe von Druckimpulsen, die sich aus der Explosion
ergeben, abgeleitet. Es ist der erste Druckimpuls, der für ein Seismogramm von Wichtigkeit
ist, und für ein besseres Eindringen sowie für die Erzielung eines von äußeren Reflexionen
freien Seismogramms soll der erste Druckimpuls eine Amplitude haben, die wesentlich-größer
als die der nachfolgenden Druckimpulse ist.
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Um einen ersten. Druckimpuls großer Amplitude durch Explodieren eines
gegebenen brennbaren Gemisches -von Gasen in einer Reaktorkammer zum er zeugen,
die ein gegebenes Volumen hat und ein mit dem Wasser gekoppeltes offenes Ende besitzt,
müssen alle Gase in der Kammer mit einer hohen Geschwindigkeit verbrannt oder zur
Explosion gebracht werden. Dies kann erreicht werden, wenn alle in der Kammer befindlichen
Gase gleichzeitig gezündet werden können, um die - Explosion in der Kammer zu erzeugen.
Um alle Gase innerhalb der Reaktorkammer gleichzeitig zu zünden- muß die Brennfläche,
d. h. die Trennungsfläche zwischen verbrannten und unverbrannten Gasen, die sich
innerhalb der Kammer bildet, wenn die Gase verbrannt oder zur Explosion gebracht
werden, sich rasch auf einen großen Wert entwickeln.
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Es ist bereits bekannt, seismische Energie durch Zündung von brennbarem
Gas in an einem Ende offener Verbrennungskammer zu erzeugen. Weiter ist es bekannt,
die Verbrennungskammer für diesen Zweck so zu gestalten; daß die vorherrschenden
Frequenzen
der erzeugten seismischen Energie gesteuert weren können. Bei einem bekannten Verfahren
wird z. 3. eine längliche Verbrennungskammer verwendet, in welcher das Gas an einem
Ende gezündet wird. Die Flammenfront läuft dann durch das Rohr abwärts zum offenen-
Ende mit sich steigernder Geschwindigkeit.
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Faktoren, welche die Größe der sich innerhalb der Reaktorkammer entwickelnden
Brennfläche und damit die Geschwindigkeit bestimmen, mit der ein gegebenes Gas zur
Explosion gebracht werden kann, sind die Gestalt und die Querschnittfläche des Auslasses
der Reaktorkammersowie die Art, in welcher die Gase in der Kammer gezündet werden.
Wichtig ist ferner die Menge von - frischen verbrennbaren Gasen innerhalb der Reaktorkammer
Izum Zeitpunkt der Explosion im Vergleich zu derjenigen der verbrannten Gase.
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Es ist im allgemeinen schwierig, in einer Reaktorkammer, die ein
mit dem Wasser gekoppeltes offenes Ende besitzt, alle in der Kammer enthaltenen
brennbaren Gase gleichzeitig zu züüden, -da in der Nähe des Kammerauslasses befindliche
brennbare Gase aus der Kammer herausgedrückt werden, bevor sie verbrannt oder explodiert
sind. Dies hat seinen Grund darin, weil die heißen Verbrennungsgase, die sich hinter
der Brenn-oder Zündfläche ausdehnen, bewirken, daß sich eine Druckwelle aufbaut,
die sich rasch durch das explosive Gasgemisch hindurch fortpflanzt.
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Die Druckwellenfront wandert durch die nicht umgesetzten brennbaren
Gase viel rascher hindurch als die Flammenfront. Die sich rasch vorbewegende Druckwellenfront
erreicht daher das offene Ende der Reaktorkammer vor der Flammenfront und bewirkt,
daß unverbrannte Gase aus der Reaktorkammer ausströmen. Dies bedingt den Verlust
der in den unverbrannten Gasen enthaltenen chemischen Energie, da diese Gase aus
dem Reaktor ausströmen, bevor sie durch die Flammenfront gezündet worden sind. Auf
Grund des Umstandes, daß diese unverbrannten Gase und ihre chemische Energie verlorengehen,
während sich die Zündfläche nachentwickelt, kann die Zündfläche nur einen verhältnismäßig
kleinen Wert erreichen und sich dann langsam vermindern, wenn der Rest der Gase
verbrannt wird. Dies führt dazu, daß sich in der Reaktorkammer ein verhältnismäßig
kleiner Druck entwickelt, der seinerseits einen ersten Druckimpuls von verhältnismäßig
kleiner Amplitude erzeugt.
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In einer Reaktorkammer, die ein mit dem Wasser gekoppeltes offenes
Ende besitzt, kann die Geschwindigkeit, mit der eine gegebene Menge an Gasen zur
Eplosion gebracht werden kann, vergrößert werden, wenn die Kammer weit ist oder
einen großen Querschnitt hat. Dies ist deswegen der Fall, weil eine weite Reaktorkammer
ermöglicht, daß sich in ihr eine große Zündfläche entwickelt. Diese in der Reaktorkammer
entwickelte große Zündfläche führt dazu, daß die Gase in kurzer Zeitdauer verbrannt
oder zur Explosion gebracht werden und daß eine größere Menge der Gase verbrannt
oder explodiert wird, bevor diese durch den in der Reaktorkammer erzeugten Druck
aus der Kammer ausgestoßen werden.
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Ein weiter Reaktor ist somit für die Erzeugung seismischer Signale
hoher Amplitude von Vorteil.
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Ferner hängt die Wirksamkeit-der Energieübertragung von der Größe
der Berührungsfläche zwischen Gas und Wasser ab, an welcher die tJbertragung stattfindet,
und es wird eine bessere Energieübertragung erhalten, wenn der Reaktor einen Auslaß
von großer Querschnittsfläche hat.
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Obwohl ein weiter Reaktor Vorteile hat, ist jedoch die Entwicklung
einer großen Zündfläche in einem solchen weiten Reaktor auch von der Art abhängig,
in welcher die in ihm befindlichen Gase gezündet werden. Wenn beispielsweise verbrennbare
Gase in einem weiten Reaktor sich unter statischen Bedingungen befinden und durch
eine innerhalb der Kammer angeordnete Zündkerze gezündet werden, entwickelt sich
die Zündfläche langsam in Form einer Kugelfläche, und sie vergrößert sich auf einen
maximalen Wert, der vom Querschnitt des Reaktors bestimmt wird. Die Geschwindigkeit,
mit der sich die Zündfläche unter solchen Umständen vergrößert, ist verhältnismäßig
klein, so daß ein großer Teil der unverbrannten Gase aus dem Ende des Reaktors auszuströmen
beginnt, bevor die Verbrennungsfront den Reaktorauslaß erreicht. Daher ist die entwickelte
Zündfläche verhältnismäßig klein, und dies führt zur Erzeugung eines ersten Druckimpulses
verhältnismäßig kleiner Amplitude.
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Zusätzlich zu den vorgenannten Faktoren ist es ferner wichtig, daß
die Reaktorkammer mit frischen brennbaren Gasen vollständig gefüllt wird, um die
verbrannten Gase auszustoßen, bevor sie erneut gezündet wird. Ist der Reaktor weit,
wird das Füllproblem schwierig, insbesondere dann, wenn der
Reaktor in kurzen Zeitintervallen
gezündet werden soll.
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Die in die Reaktorkammer eingeführten frischen brennbaren Gase können
dazu verwendet werden, die verbrannten Gase aus der Kammer herauszuspülen, jedoch
ist es bei einer weiten Reaktorkammer schwierig, sämtliche verbrannten Gase herauszuspülen.
Wenn beispielsweise die brennbaren Gase durch eine kleine Öffnung hindurch in die
Kammer eingeführt werden, tritt der entstehende wirbelnde Gasstrahl in die weite
Reaktorkammer mit einem kleinen Divergenzwinkel ein, der von der Geschwindigkeit
des Strahles abhängig ist. Ein solcher Gasstrahl vermag in den Raum einer weiten
Reaktorkammer nicht tief einzudringen, und dies führt zu einer Unwirksamkeit in
dem Herausspülen der verbrannten Gase und ihrem Ersatz durch frische Gase. Die Beschikkung
ist daher zum Zeitpunkt der Zündung mit verbrannten Gasen verdünnt.
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Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Erzeugung seismischer
Wellen in unter Wasser liegenden geologischen Formationen unter Verwendung einer
Reaktionskammer, deren eines Ende offen ist und einen an das Wasser angekoppelten
Auslaß bildet und an deren anderes Ende mindestens ein Strömungsrohr angeschlossen
ist, durch das brennbare Gase der Kammer zugeleitet werden, und einer im Strömungsrohr
angeordneten Zündvorrichtung für die der Kammer zuströmenden Gase. Eine solche Einrichtung
ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch eine Verteilervorrichtung, die im Strömungsweg
der aus dem Ende des Strömungsrohres austretenden Gase angeordnet ist.
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Der Zweck der Verteilervorrichtung besteht einerseits darin, die
aus dem Strömungsrohr in die Reaktionskammer eintretenden heißen Gase sofort durch
ein großes Volumen der Kammer hindurch zu verteilen und die in der Kammer befindlichen
verbrennbaren Gase augenblicklich zu zünden. Andererseits hat die Verteilervorrichtung
den Zweck, nach jeder Explosion frische verbrennbare Gase durch die ganze Kammer
hindurch zu verteilen, um die verbrannten Gase rasch aus der Kammer zu verdrängen
und die Kammer mit den frischen verbrennbaren Gasen vollständig zu füllen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Verteilungsvorrichtung
eine Åblenkplatte auf, die in die Kammer mit Abstand von der umgebenden Wandung
angeordnet ist.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist
die Vertellervorrichtung wenigstens einen Kegelstumpfmantel auf, der in der Kammer
mit Abstand von der Kammerwand angeordnet ist.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist
die Verteilervorrichtung eine mit dem stromabwärtsseitigen Ende des Strömungsrohres
verbundene Verteilerkammer und eine Mehrzahl von Strömungsleitungen auf, die das
Innere der Verteilerkammer und das Innere der Reaktionskammer miteinander verbinden.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist
die Verteilervorrichtung ein mit dem Strömungsrohr verbundenes, mit Löchern versehenes
Rohr auf, das in die Kammer hineinragt.
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Die Reaktionskammer kann bei den verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung zylinderförmig, kegelförmig oder pyramidenförmig sein.
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Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung
an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt im Schnitt eine Ausführungsform eines mit explodierendem
Gas arbeitenden Reaktors in der erfindungsgemäßen Ausbildung ; F i g. 2 ist ein
Diagramm, welches die Form einer Druckwelle veranschaulicht, wie sie von einem mit
explodierendem Gas arbeitenden Reaktor erzeugt wird; F i g. 3 ist ein Diagramm,
welches veranschaulicht, wie sich der Druck in der Reaktorkammer mit Bezug auf die
Zeit ändern kann; F i g. 4 veranschaulicht die Strömungswege, welche die verbrennbaren
Gase nehmen können, wenn sie in einen weiten Reaktor eingeführt werden, F i g. 5
zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungsform eines mit explodierendem Gas arbeitenden
Reaktors in der erfindungsgemäßen Ausbildung; F i g. 6 ist ein in größerem Maßstab
gehaltener Schnitt durch die Verteilervorrichtung, die bei dem Reaktor gemäß Fig.
5 Verwendung findet; Fig. 7 ist ein Querschnitt durch die Verteilervorrichtung nach
der Linie 7-7 von F i g. 6; F i g. 8 zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungsform
eines mit explodierendem Gas arbeitenden Reaktors in der erfindungsgemäßen Ausbildung;
F i g. -9 ist ein in größerem Maßstab gehaltener Schnitt eines Teiles des Reaktors
gemäß F i g. 8; Fig. 10 zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungsform eines mit
explodierendem Gas arbeitenden Reaktors in der erfindungsgemäßen Ausbildung.
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Der in Fig. 1 dargestellte, mit explodierendem Gas arbeitende Reaktor
weist eine weite Kammer 10 auf, die in das Wasser 18 eingetaucht ist, wobei der
Zustand angenommen ist, der unmittelbar vor dem Zeitpunkt besteht, zu dem die innerhalb
der Kammer befindlichen Gase zur Explosion gebracht werden.
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Am Auslaß 20 der Reaktorkammer 10 wird auf Grund des Gasdruckes innerhalb
des Reaktors eine konkave Trennungsfläche 19 zwischen Gas und Wasser gebildet Obwohl
dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist, kann die in das Wasser eingetauchte
Reaktorkammer 10 z. B. von einem Schiff getragen werden Innerhalb der Reaktorkammer
10 ist eine Verteilervorrichtung 17 in Gestalt einer Ablenkplatte angeordnet, die
dazu beiträgt, seismische Signale zu erzeugen, die einen ersten Druckimpuls hoher
Amplitude haben Aus einer Speisequelle 12 werden verbrennbare Gase in die Kammer
10 durch ein Zündrohr 11 hindurch eingeführt, das mit dem Einlaß 21 der Kammer verbunden
ist. Wenn die Gase in dem Rohr 11 an einer Zündkerzel3 vorbeiströmen, betätigt ein
Impulsgeberl4 über einen Leiter 15 die Zündkerze, um die Gase in dem Rohr 11 zu
zünden.
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Es wird dann innerhalb des Zündrohres 11 eine Flammenfront erzeugt,
die in dem Rohr herabwandert, um die in der Reaktorkammer 10 befindlichen frischen
Gase zu zünden. Die Geschwindigkeit, mit der die Flammenfront in dem Rohr 11 herabwandert,
wird über ihren normalen Wert hinaus vergrößert, da sich ihr die Geschwindigkeit
der durch das Rohr 11 hindurchströmenden brennbaren Gase hinzufügt.
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Der Zweck der Zündrohranordnung besteht daher darin, einen Strom
heißer Gase hoher Geschwindigkeit zu erzeugen, der schließlich die innerhalb der
Kammer
10 befindlichen verbrennbaren Gase zur Explosion bringt. Die heißen Gase strömen
mit hoher Geschwindigkeit aus dem Rohr 11 in die weite Kammer 10 und werden durch
die Vorrichtung 17 durch ein großes Volumen der Kammer hindurch abgelenkt und verteilt,
um die in der Kammer befindlichen verbrennbaren Gase augenblicklich zu zünden und
zur Explosion zu bringen.
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Nach jeder Explosion werden aus der Speisequelle 12 wieder frische
verbrennbare Gase durch das Rohr 11 hindurch in die Kammer 10 eingeführt. Die Verteilervorrichtung
17 hat jetzt wieder eine wichtige Funktion, indem sie die frischen Gase durch die
ganze Kammer hindurch ablenkt und verteilt, so daß die verbrannten Gase rasch herausgespült
werden und die Kammer rasch mit frischen Gasen gefüllt wird.
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Bevor näher auseinandergesetzt wird, wie die Verteilervorrichtung
17 zur Erzeugung eines ersten Druckimpulses hoher Amplitude beitrag, sollen zunächst
die Art der Druckwelle, die von einem mit explodierendem Gas arbeitenden Reaktor
erzeugt wird, der ein mit dem Wasser gekoppeltes offenes Ende hat, sowie die Beziehung
zwischen dem ersten Druckimpuls, dem Reaktorkammerdruck und der innerhalb der Reaktorkammer
entwickelten Brennfläche erläutert werden.
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Fig. 2 veranschaulicht eine Druckwelle, die ein mit explodierendem
Gas arbeitender Reaktor, der ein mit dem Wasser gekoppeltes offenes Ende hat, erzeugen
kann. Wenn die Gase in dem Reaktor zur Explosion gebracht werden, wird in dem Wasser
eine Gasblase gebildet und ein erster Druckimpuls erzeugt, der sich über den hydrostatischen
Druck des Wassers bis auf einen maximalen Wert p1 erhöht.
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Dieser erste Druckimpuls pt, der für ein Seismogramm wichtig ist,
hat eine Amplitude, die von dem innerhalb der Reaktorkammer bei der Explosion der
in ihr befindlichen Gase erzeugten Druck abhängig ist. Wenn sich die Blase ausdehnt,
vermindert sich der Druck der Gase auf einen minimalen Wert p2, der kleiner als
der hydrostatische Druck des Wassers ist. Die Blase zieht sich dann wieder zusammen,
und es werden weitere Druckimpulse erzeugt, wenn die Blase nachfolgend durch Zusammensetzung
und Ausdehnung schwingt.
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Die von dem Reaktor auf das Wasser übertragene Energie E kann aus
der Gleichung E = 0,462 (pt2 J t1 + p22 J t2) -(1) bestimmt werden, in welcher bedeutet:
E = Energie der beiden ersten Druckimpulse (Et + E2), p1 und p2 Druck für den ersten
bzw. den zweiten Druckimpuls, A t1 und j t2 = Zeitdauer des Druckimpulses pt bzw.
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Weitere Druckimpulse, die dem Druckimpuls P2 folgen, tragen zwar
ebenfalls zu der Energie bei, jedoch ist ihr Beitrag ziemlich unbedeutend, so daß
sie bei der Bestimmung der Energie vernachlässigt werden können.
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Die Amplitude des ersten Druckimpulses ändert sich mit der Größe
des Druckes, der innerhalb der Reaktorkammer bei der Explosion der darin befindlichen
Gase erzeugt wird. Die Größe des Druckes in der Brennkammer ändert sich ihrerseits
mit der
Größe-der Brennfläche, die sich innerhalb der Kammer-entwickelt,
wenn die Gase verbrannt' werden. Die letztgenannte Beziehung wird durch die Gleichung
pr = [Sb (M/RT)]1/n (2) ~ Cd'A wiedergegeben, in welcher bedeutet : Pe = Reaktorkammerdruck,
S = Brennflächengröße, bund n =-empirische-Konstant-, -die für die besondere Gaszusammensetzung
charakteristisch sind, - -M = Molekulargewicht, -R = Universalgaskonstante je Mol-Gas',
T = Verbrennungstemperatur innerhalb der Reaktorkammer, Cd = Abgabekoeffizient des
aus dem Reaktor ausströmenden Gases, der nur von der Gastemperatur und den Wärmekapazitäten
abhängig ist, A-= Querschnittsfläche des offenen Endes des Reaktors.
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Für einen besodneren Reaktor und ein besonderes explosives Gas-Oxydationsmittel-Gemisch
sind alle Ausdrücke auf der rechten Seite der Gleichung (2) mit Ausnahme des Ausdruckes
S konstant. Daher ändert sich der Druck Pc während des Verbrennungs vorganges; wie
sich die Größe der Brennfläche ändert. Somit erzeugt eine große Brennfläche einen
großen Reaktorkammerdruck, der seinerseits einen ersten druckimpuls hoher Amplitude
erzeugt.
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In. Fig. 3 ist veranschaulicht, wie sich der Druck in der Reaktorkammer,
der sich aus der Größe der Brennfläche herleitet, in bezug auf die Zeit ändern kann.
Sobald die innerhalb der Reaktorkammer befindlichen Gase gezündet und verbrannt
werden, wird augenblicklich ein Druck durch die ganze Reaktorkammer-hindurch entwickelt.
Die Größe des Druckes in der Reaktorkammer ändert sich mit der Größe der Brennfläche,
wie dies vorstehend erwähnt Jst.
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Wenn die Verteilervorrichtung und die Zündrohr anordnung gemäß Fig.
1 nicht verwendet werden und wenn die innerhalb der Reaktorkammer befindlichen verbrennbaren
Gase unter statischen Bedingungen stehen und-innerhalb der Kammer mittels einer
punktförmigen Quelle gezündet werden, dann kann sich der Druck in der REaktorkammer
in der -Weise. ändern, wie dies in Fig. 3 durch die Kurve A wiedergegeben ist.
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Die Kurve A in Fig. 3 zeigt, daß sich der Druck in der Reaktorkammer
allmählich auf einen verhaltnismäßig#kleine Wert erhöht.- Dies hat seinen Grund
darin, daß unter den vorstehend genannten Zündbedingungen sich die Zündfläche ziemlich
langsam kugelörmig entwickelt, bis sie einen maximalen Wert erreicht, der vom Querschnitt
der Reaktorkammer bestimmt-wird. Die allmähliche Entwicklung der Zündfläche und
damit die allmähliche Entwicklung des Druckes in der Reaktorkammer führen dazu,
daß ein großer Teil der Gase aus der, Reaktorkammer ausgestoßen wird, bevor sie
verbrannt sind. Dies führt wiederum dazu, daß sich eine verhältnismäßig kleine Zündfläche
bildet und somit ein verhältnismäßig kleiner Reaktorkammerdruck entsteht.
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Die KurveB in F i g. 3 veranschaulicht, wie sich die Zündfläche und
damit der Druck in der Reaktorkammer entwickelt, wenn die Verteilervorrichtung und
die Zündrohranordnung gemäß Fig. 1 in der weiten Reaktorkammer 10 verwendet werden.
Sobald die durch - das Rohr 11 hindurchströmenden verbrennbaren Gase durch die Zündkerze
13 gezündet werden, breitet sich die Zündfläche in dem Rohr 11 in angenähert sphärischer
Form aus, bis sieden querschnitt des Rohres ausfüllt. Danach wandert in dem Zündrohr
11 eine Flammenfront nach unten, die jeweils eine Zone frischen,' Gases zündet,
wenn sie mit dieser in Berührung kommt.
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Die Entwicklung der Zündfläche und damit des Druckes in dem Rohr
11, von dem Zeitpunkt des anfänglichen Zündens bis zu den Zeitpunkt, in welchem
die Flammenfront den Querschnit tdes Rohres 1:1 ausfüllt, ist in Fig 3 durch denjenigen
Teil der Kurve B wiedergegeben, der zwischen den Zeitpunkten 0 und t1 liegt. Wenn
jetzt die Flammenfront. in dem Zündrohr 11 nach unten wandert; bleibt die Zündfläche
und damit der Druck im wesentlichen konstant. Dieser konstante Wert des Druckes
ist-in Fig.3 durch denjenigen Teil der Kurve B wiedergegeben, der zwischen den Zeitpunkten
t1 und t2 liegt.
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Eine zweite. Zündung findet'statt, wenn die heißen Gase der Flammenfront
plötzlich in die große Menge der verbrennbaren Gase m der Reaktorkammer 10 strömen.
Die Zündfläche durchdringt die Reaktorkammer in Gestalt eines Kegelstumpfes. Die
Flamme pflanzt sich. sowohl. seitlich als auch nach unten fort, jedoch wandert sie
in der Reaktorkammer schneller abwärts als zur Seite, da sich zu der Geschwindigkeit
der Flammenfront in Stromabwärtsrichtung die Geschwindigkeit der durch das Rohr
11 strömendeil Gase hinzufügt. Daher wird die kegelstumpfförmige Gestalt, der Flammenfront
in Stromabwärtsrichtung verlängert.
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Die Ablenker- oder Verteilervorrichtung 17, die durch Stäbe 16 abgestützt
ist, bricht die kegelstumpfförmige Gestalt der mit .einer erhöhten Geschwindigkeit
wandernden Flammenfront auf und breitet die aus dem Zündrohr 11 austretenden heißen
Gase durch sein großes Volumen der Kammer hindurch aus. Die Vorrichtung 17 verlangsamt
den Strom der Gase, jedoch nicht die Bewegung der Flammerifront.
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In Fig.-3 stellt derjenige Teil der Kurve B, der zwischen den Zeitpunkten
t2 und t8 liegt, die Art dar, wie sich die Zündfläche in der weiten Reaktorkammer
10 und damit der Reaktorkammerdruck ent-, wickelt, wenn das Zündrohrll und die Verteilervorrichtung
17 verwendet werden. Dadurch wird eine sehr große Zündfläche erhalten, die dazu
führt, daß die in der Kammer befindlichen Gase mit einer sehr hohen Geschwindigkeit
verbrannt oder explodiert werden.-Dies führt wiederum dazu, daß ein sehr großer
Reaktorkammerdruck und damit ein erster Druckimpuls hoher Amplitude in dem Wasser
erzeugt wird. Wenn sich die Amplitude des ersten Druckimpulses vergrößert, wird
zwar die Frequenz des seismischen. Signals erhöht, jedoch liegen die Frequenzen
derX seismischen Signale, wie sie mit weiten Reaktoren erhalten. werden, in einem
brauchbaren seismischen Bereich.
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Ein weiterer Faktor, der für die wirksame Aus nutzung der, Gase,
in einem Reaktor von Wichtigkeit ist, ist die Eänge des' Reaktors. Wenn beispielsweise
die Reaktorkammer 10 relativ lang ist, kann die entwickelte
,Zündfläche
einen großen Wert erreichen und dann auf einen kleineren Wert während einer Zeitdauer
abnehmen, die von der Querschnittsfläche und der Länge des Reaktors abhängig ist.
Beispielsweise kann die Zündfläche sich zunächst auf den maximalen Wert vergrößern,
der in Fig. 3 durch die Kurve B wiedergegeben ist, und sich dann, statt auf einen
minimalen Wert zum Zeitpunkt ts abzunehmen, auf einen minimalen Wert zum Zeitpunkt
t4 verkleinern, wie dies in F i g. 3 durch die Kurve C veranschaulicht ist. Dies
hat seinen Grund darin, daß die Verteilervorrichtung 17 die aus dem Rohr 11 austretenden
heißen Gase nur über eine gewisse Strecke in Stromabwärtsrichtung auszubreiten vermag.
Weiter stromab, d. h. jenseits der Strecke, über welche die Verteilervorrichtung
17 in Stromabwärtsrichtung wirksam ist, hängt die Größe der Brennfläche von dem
Querschnitt des Reaktors ab.
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Da die Gase, die verbrannt werden, nachdem die Zündfläche ihren maximalen
Wert erreicht hat, nicht zur Vergrößerung der Amplitude des ersten Druckimpulses
beitragen, werden diese Gase nicht wirksam ausgenutzt. Die Länge der Reaktorkammer
soll daher auf die Strecke begrenzt werden, über welche die Verteilervorrichtung
die heißen Gase in Stromabwärtsrichtung noch wirksam auszubreiten vermag.
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Die Verteilervorrichtung trägt nicht nur zur Erzeugung eines großen
seismischen Signals bei, indem sie die heißen Gase augenblicklich über ein großes
Volumen der Reaktorkammer verteilt, um die in der Kammer befindlichen verbrennbaren
Gase zu zünden, sondern sie dient auch dazu, die frischen Gase, die in die Kammer
eingeführt werden, über das ganze Volumen der Kammer zu verteilen. Dies ermöglicht
ein vollständiges Füllen der Kammer mit frischen Gasen, was besonders wichtig ist,
wenn das Zeitintervall zwischen den einzelnen Zündungen kurz ist.
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In vielen Fällen ist es erwünscht, seismische Wellen periodisch zu
erzeugen und die reflektierten Signale so zusammenzusetzen, daß sie auf einem Aufzeichnungsstreifen
eine einzige Spur liefern. Bei der seismischen Unterwasserforschung muß, wenn die
seismische Impulsquelle an einem sich bewegenden Schiff angebracht ist, das Zeitintervall
zwischen den einzelnen Zündungen kurz sein, beispielsweise 3 bis 10 Sekunden betragen,
um die reflektierten Signale in richtiger Weise zusammensetzen zu können.
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Wenn verbrennbare Gase durch eine kleine zu :) Öffnung hindurch in
eine weite Reaktorkammer eingeführt werden, die keine Verteilervorrichtung enthält,
dann tritt der sich ergebende Gas strahl in die Kammer mit einem kleinen Divergeuzwinkel
ein, wie dies in F i g. 4 durch die Strablströmungslinie 22 angedeutet ist. Wenn
der Reaktorauslaß mit dem Wasser gekuppelt ist, wie dies in Fig. 4 für den Reaktor
10' angenommen ist, dann strömen die in die Reaktorkammer eingeführten Gase unmittelbar
durch die Kammer hindurch und werden dann von dem Wasser abgelenkt. Unter solchen
Bedingungen hat die Trennungsfläche 23 zwischen Gas und Wasser keine konkave Gestalt,
wie sie in Fig. 1 wiedergegeben ist, und zwar deswegen, weil der direkte Druck der
aus dem Zündrohr 11' ausströmenden Gase in einer direkt unter dem Zündrohr liegenden
Zone auf dem Wasser eine Mulde erzeugt.
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Bei einem Reaktor, der ein mit dem Wasser gekuppeltes offenes Ende
hat, können für die Gase in der Kammer wenigstens drei Strömungswege fest-
gestellt
werden, wie dies in Fig. 4 veranschaulicht ist. Ein Teil der Gase wird von dem Wasser
in radialer Richtung nach außen gelenkt, so daß diese Gase längs des Weges 24 unter
der Reaktorwandung hinweg aus der Kammer herausströmen und in Form von Blasen an
der Außenseite der Reaktorwandung hochsteigen. Ein anderer Teil der Gase kann eine
kräftige Umlaufströmung 25 erzeugen, durch welche die Reaktorkammer zwischen den
Explosionen gespült wird. Ein weiterer Teil der Gase kann einen schwachen Umlaufstrom
26 erzeugen, in welchem verbrannte Gase in einer Stromschleife geringer Geschwindigkeit
eingeschlossen werden können.
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Bei einem Reaktor, der einen großen Durchmesser hat, können die verbrannten
Gase nur schwierig aus der Reaktorkammer herausgespült werden. Dies führt zu einer
verminderten Wirksamkeit, da dann nicht das ganze verfügbare Volumen des explosiven
Gemisches ausgenutzt wird. Daraus folgt, daß die Spülwirksamkeit oder der Gasfluß
in weiten zylindrischen Reaktoren schlecht sind und noch schlechter werden, wenn
der Durchmesser des Reaktors vergrößert wird. Unter Spülwirksamkeit ist das Verhältnis
zwischen den aus der Reaktorkammer herausgespülten verbrannten und durch frische
verbrennbare Gase ersetzten Gasen und dem Volumen der Reaktorkammer zu verstehen.
Wenn verbrannte Gase in dem Reaktor zurückbleiben, ist die Reaktorbeschickung zum
Zeitpunkt des Zündens durch die verbrannten Gase verdünnt.
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Nach jeder Explosion dient die Verteilervorrichtung dazu, die in
die Reaktionskammer eingeführten frischen Gase über ein großes Volumen der Kammer
zu verteilen. Dadurch werden mehr verbrannte Gase herausgespült, und die Kammer
kann in einer kürzeren Zeitdauer vollständiger mit frischen Gasen gefüllt werden.
In anderen Worten ausgedrückt, in dem Reaktor entsteht in einer kürzeren Zeit eine
Zone eines völlig entwickelten Flusses, und das ganze verfügbareVolumen der Kammer
wird dementsprechend vollständiger mit frischen Gasen gefüllt.
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Die nachstehende Tabelle zeigt, daß ein Reaktor, der mit der Zündrohranordnung
und mit dem Verteiler versehen ist, in dem Wasser einen viel größeren ersten Druckimpuls
erzeugt als ein Reaktor ohne Verteiler. Dies gilt auch für die gesamte Ausgangsenergie,
wie sie im Wasser gemessen wird.
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Ausgang von Reaktoren, die in Zeitintervallen von 6 Sekunden gezündet
werden
| Maximaler Energie E |
| Zylindrischer Reaktor Druck po im (Et und Es) |
| Wasser in kg/cm2 in Joule |
| Ohne Verteiler . 0,115 66 |
| Mit Verteiler. 0,448 355 |
Die Ergebnisse der Tabelle wurden mit einem zylindrischen Reaktor von 33 cm Länge
und 76 cm Durchmesser erhalten. Bei beiden Beispielen der Tabelle wurde ein Zündrohr
verwendet, das eine Länge von 60 cm und einen Innendurchmesser von 5,1 cm hatte
und in dem in der Mitte zwischen seinen Enden eine Zündkerze angeordnet war. Bei
dem zweiten Beispiel bestand der Verteiler aus einer schalenförmig vertieften Platte
mit einem Außendurchmesser von 30,5 cm, die in der Reaktorkammer
in
einem Abstand zwischen 17, 7 und 2Q,3 cm von dem Auslaßende des Zündrohres mittig
angeordnet war. Das verwendete Arbeitsmittel war ein stöchio : rnetrisches Gemisch
von Butan-Propan-Gas, Luft und reinem Sauerstoff. Das Butan-Propan-Gas enthielt
27,8 Volumprozent bzw. 37,7 Gewichtsprozent Butan. Obwohl bei den Beispielen Zündintervalle
von 6 Sekunden verwendet wurden, können die Reaktoren auch in anderen Intervallen
gezündet werden.
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Im Betrieb des Reaktors werden die Gase mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit
kontinuierlich in däs Zündrohr eingeführt und in, diesem mittels der Zündkerze'
periodisch gezündet. Sobald die Gase in dem Zündrohr gezündet werden, entwickelt
sich die Brennfläche in dem Rohr in beiden Richtungen, jedoch'hindern die zugeführten
frischen Gase die Flamme daran, in dem Rohr nach oben zu wandern, wenn die Strömungsgeschwindigkeit
der frischen Gase größer als die Flammengeschwindigkeit ist. jedoch darf die Strömungsgeschwindkgeit
der Gase nicht zu hoch sein, weil die Gase sonst den Lichtbogen ausblasen und dadurch
ein Zünden verhindern. Eine Strömungsgeschwindigkeit der verbrennbaren Gase von
1,74 m3 je Minute hat sich für ein Zündrohr mit einem Innendurchmesser von 5,1 cm
als zufriedenstellend erwiesen. nach jeder Zündung erzeugen die in der Reaktorkammer
befindlichen verbrannten Gase einen Rückdruck, der die frischen Gase daran hindert,
augenblicklich in die Kammer einzutreten. Wenn sich der Rückdruck der verbrannten
Gase vermindert, beginnen die frischen Gase in die Kammer zu strömen und die verbrannten
Gase aus der Kammer in das Wasser zu drücken In F i g. 5 ist eine weitere Ausführungsform
eines mit explodierendem Gas awrbeitenden Reaktors wie dergegeben, der zur erzeugung
groer seismischer Signale verwendet werden kann. Die reaktorkammer 30 kann eine
kegelförmige oder pyramidenförmige Gestalt mit einem Ausgang von großem Querschnitt
haben. Die divergierenden Seiten det Reaktorkammer 30 ermöglichen, daß die Zündfläche
kontinuierlich auf einen großen Wert anwächst, was einen hohen Druck in der Reaktorkammer
ergibt. Ein kegel-oder pyramidenförmiger Reaktor verliert im allgemeinen weniger
frische Gase als ein zyliniderförmiger Reaktor gleichen Volumens. Dies hat seinen
Grund darin, daß wegen der sich vergrößernden Querschnittsfläche eines kegel- oder
pyramidenförmigen Reaktors die Gasströmungsgeschwindigkeit in einem solchen Reak
tor sich längs dessen senkrechter Achse kontinuierlich vermindert. Am Auslaß eines
solchen Reaktors ist die Gasströmungsgeschwindigkeit kleiner als die Gasströmungsgeschwindigkeit
am Auslaß eines zylindrischen Reaktors.
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Außerdem kann ein kegel- oder pyramidenförmiger Reaktor in einer
kürzeren Zeit vollständiger mit frischen Gasen als ein weiter zylinderförmiger Reaktor
gefüllt werden. Dies ist deswegen der Fall, weil der divergierende Strahl der frischen
Gase der inneren Wandungsfläche eines kegel- oder pyramidenförmigen Reaktors dichter
folgt und daher die verbränntin Gase in dem Reaktor vollständiger herausspült. Daher
erzeugt ein kegel- oder pyramidenförmiger Reaktor allgemein ein großes seismisches
Signal.
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Es ist gefunden worden; daß ein kegel- oder pyramidenförmiger Reaktor
so ausgeführt werden kann, daß er ein noch größeres seismisches Signal erzeugen,
wenn in die Reaktorkammer heiße Gase mit einer
hohen Geschwindigkeit eingeführt werden
und wenn eine Verteilervorrichtung besonderer Art verwendet wird, um die heißen
Gase durch ein großes Volumen der Kammer hindurch auszubreiten. ,, Eine Verteilervórrichtung,
die sich in einem kegel oder pyramidenförmigen Reaktor als besonders wirt sam erwiesen
hat, ist ein Diffusor, wie er in den Fig. 5, 6 und, r mit 36 bezeichnet ist. Der
Diffusor 36 besteht aus zwei konzentrischen kegelstumpfförmigen Teilen 37 und 38,
welche die heißen Gase 2ber die ganze Reaktorkammer ausbreiten, so daß sie die frischen
Gase augenblicklich über das ganze Volü'-men der Kammer zünden. Die heißen Gase
können in die Reaktorkammer mit einer hohen Geschwindi;gkeit eingeführt werden,
kndem verbrennbare Gase aus einer Speisequelle 32 in ein Zündrohr 31 eingeführt
und darin gezündet werden. Wenn die verbrennbaren Gase durch das Rohr 31 strömen,
betätigt ein Impulsgeber 34 über einen Leiter 35 eine Zündkerze 33, um die Gase
innerhalb des Rohres 31 zu zünden.' Wie aus den Fig. 6 ,und"7 ersichtlich ist, sind
die beiden konzentrischen kegelstumpfförmigen Teile 37 und 38 des Diffusors 36 durch
vier untere Abstandsstücke 39 voneinander getrennt. Die beiden kegelstumpfförmigen
Teile 37 und 38 sind innerhalb der Reaktorkammer 30 durch vier Stützen 40 abgestützt,
die ihrerseits an einem mit Gewinde versehenen Bund 41 befestigt sind, so daß die-ganze
Vorrichtung leicht an dem mit Gewinde versehenen Ende des Zündrohres 31 befestigt
werden kann.
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Im Betrieb strömt ein Strahl heißer Zündgase aus dem Zündrohr31~
in einen Abschnitt42) wo der Strahl zu divergieren beginnt. Die Stützen 40 halten
die kegelstumpfförmigen Teile 37 und 38 im Abstand von der Austrittsöffnung des
Rohres 31, so daß der Zündgasstrahl zu divergieren beignnen kann, bevor ihn die
kegelstumpfförmigen Teile weiter ablenken.
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Ein Teil des Strahles strömt unmittelbar durch den Raum 43 im inneren
Teil 38 hindurch,' ein anderer Teil des strahles, strömt durch den" Raum 44 zwischen
den beiden Teilen 37 und 38 hindurch, und ein weiterer Teil des Strahles wird in
den Raum 45 auf der Außenseite des Teiles 37 abgelenkt. Die Wirkung des Diffusors
36 besteht somit darin, den Strahl in drei Teile zu unterteilen, die jeweils als
getrennte Zündquellen in der REaktorkammer 30 wirken.
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Aus Fig. 7, die einen querschnitt durch den Diffusor 36 darstellt,
ist ersichtlich, daß die Abstandsstücke 39 und die Stützen 40 die Strömung der Gase
nicht behindern. Bei Verwendung eines solchen Diffusors dringt ein Teil der mit
hoher Geschwindigkeit aus dem Zündrohr 31 austretenden heißen Gase tief in die Reaktorkammer30
ein und zündet die explosiven Gase weit stromabwärts. In der Zwischen zeit werden
weitere Teile der heißen Gase über die anderen Zonen der Reaktorkammer ausgebreitet.
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Der Diffusor 36 erfüllt weiterhin die Aufgabe, die Reaktorkammer
zwischen den einzelnen Zündungen vollständiger mit frischen Gasen , zu füllen, ebenso
wie dies die Verteilervorrichtung 17 bei der Ausführungsform gemäß Fi i g. 1 bewirkt.
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Obgleich der Diffusor 36 als aus zwei konzentrischen kegelstumpfförmigen
Teilen bestehend wiederZ gegeben ist, können in gewissen Fällen auch mehr als zwei
kegelstumpfförmige Teile verwendet werden.
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Ferner kann der Diffusor 36 auch bei dem Reaktor genmäß Fig.1 verwendet
werden, jedoch muß dann der Divergenzwinkel des äußersten kegelstumpfförminen
Teiles
größer sein, um die heißen Gase in die entfernt liegenden Ecken der Weiten zylindrischen
Reaktorkammer 10 abzulenken. Zu diesem Zweck kann der Divergenzwinkel der kegelstumpfförmigen
Teile in Abhängigkeit von - der Gestalt des Reaktors, in welchem sie verwendet werden,
geändert werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 8 und
9 wiedergegeben. Bei dieser A'usführungsform wird ein kegel- oder pyramidenförmiger
Reaktor verwendet, und das Innere der Reaktorkammer 50 ist mit einem Zündrohr 51
über eine Verteilervorrichtung verbunden. Die Verteilervorrichtung weist eine Kammer
56 und eine Mehrzahl von Strömungsleitungen 57 auf. Die Strömungsleitungen 57 sind
am einen Ende innerhalb von in der Seitenwandung der Verteilerkammer 56 vorgesehenen
Löchern 58 und am anderen Ende innerhalb von in der Seitenwandung der Reaktorkammer
50 vorgesehenen Löchern 59 befestigt, so daß ein Strömungsweg von dem Innern der
Verteilerkammer 56 über die Leitungen 57 zum Innern der Reaktorkammer 50 geschaffen
ist. Verbrennbare Gase werden aus einer Speisequelle 52 in ein Zündrohr 51 eingeführt.
Aus dem Zündrohr 51 strömen die Gase in die Verteilerkammer 56 und aus dieser durch
die Leitungen 57 in die Reaktorkammer 50. Wenn die Gase durch das Rohr 51 strömen,
betätigt ein Impulsgeber 54 über einen Leiter 55 eine Zündkerze 53, um die in dem
Rohr 51 befindlichen Gase zu zünden.
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Wie aus den F i g. 8 und 9 ersichtlich ist, ist die Verteilerkammer56
durch Verbindungsflansche 60 und 61 und Bolzen62 an dem Zündrohr 51 und durch Verbindungsflansche
63 und 64 und Bolzen 65 an der Reaktorkammer 50 befestigt. Die Flansche 63 und 64
erstrecken sich vollständig über den Boden der Verteilerkammer 56 und das obere
Ende der Reaktorkammer 50, so daß kein direkter Strom von heißen Gasen aus der Verteilerkammer
56 in die Reaktorkammer 50 erfolgt.
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Obgleich bei der Ausführungsform gemäß den F i g. 8 und 9 nur zwei
Leitungen 57 dargestellt sind, sind in Wirklichkeit zwölf solcher Leitungen vorgesehen,
die gleiche Länge haben. Die Leitungen 57 sind an der Reaktorkammer 50 in solcher
Weise befestigt, daß die durch die Leitungen hindurch in die Reaktorkammer 50 strömenden
heißen Gase über die ganze Reaktorkammer gleichförmig verteilt werden.
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Da die Leitungen 57 sämtlich von gleicher Länge sind, werden mehrere
Flammenfronten hoher Geschwindigkeit durch die Leitungen 57 hindurch zur gleichen
Zeit gleichförmig in die Reaktorkammer 50 geführt. Bei einer solchen Anordnung wird
innerhalb der Reaktorkammer 50 eine große Zündfläche entwickelt, die bewirkt, daß
die Gase mit einer sehr hohen Geschwindigkeit verbrannt oder explodiert werden,
so daß ein hoher Druck in der Reaktorkammer und ein erster Druckimpuls von hoher
Amplitude erzeugt werden.
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Zwischen den einzelnen Zündungen strömen frische Gase durch das Zündrohr
51 hindurch in die Verteilerkammer 56 und aus dieser über die Leitungen 57 in die
Reaktorkammer 50, um die in ihr befindlichen verbrannten Gase rasch zu verdrängen
und die Kammer mit frischen Gasen zu füllen.
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Die für den kegel- oder pyramidenförmigen Reaktor gemäß F i g. 8
verwendete Verteilervorrichtung, die von der Verteilerkammer 56 und den Leitungen
57
gebildet wird, kann auch bei einem weiten zylinderförmigen Reaktor verwendet werden.
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F i g. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Verteilervorrichtung,
die in einem weiten Reaktor verwendet werden kann, um dessen Ausgangsenergie iu
erhöhen. Die Verteilervorrichtung besteht aus einem mit Löchern versehenen Rohr
76, das an ein Zündrohr 71 angeschraubt und innerhalb einer zylintierischen Reaktorkammer
70 angeordnet ist. Dem Zündrohr 71 werden aus einer Speisequelle 72 verbrennbare
Gase zugeführt. Wenn die Gase durch das Rohr 71 strömen, betätigt ein Impulsgeber74
über einen Leiter 75 eine Zündkerze 73, um die innerhalb des Zündrohres 71 befindlichen
Gase zu zünden. Die heißen Gase strömen in das Verteilerrohr76 und werden durch
die in diesem vorgesehenen Löcher 77 hindurch in die Reaktorkammer 70 ausgebreitet.
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Zwischen den einzelnen Zündungen werden die frischen Gase durch die
Löcher 77 des Verteilerrohres 76 hindurch gleichförmig in die Reaktorkammer 70 eingeführt.