DE1947972A1 - Gasexplosionseinrichtung - Google Patents

Description

GEO SPACE CORPORATION, 5803 Glenmont Drive, Houston, Texas, USA

Gasexplosionseinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasexplosionseinrichtung mit wenigstens einer Verbrennungskammer, die ein Gemisch aus verbrennbaren Gasen aufnehmen kann, einer Vorratsquelle für brennbares Gasgemisch und einer Zündeinrichtung, die eine Detonation in der Verbrennungskammer erzeugt.

Gasexplosionseinrichtungen werden auf vielen technischen Gebieten verwendet, beispielsweise bei seismischen Erforschungen, bei der Metallverformung, bei Rammarbeiten und dgl. Während vorliegende Erfindung für beliebige Anwendungsgebiete verwendbar ist, wird die Erfindung nachstehend für Gasexplosionseinrichtungen beschrieben, wie sie be^/seismischen Untersuchungen verwendet werden.

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Seismische Gasexplosionsexnrichtungen werden heutzutage weitgehend für seismische Land- und Meeresuntersuchungen verwendet, indem akustische Stoßwellen, die von geologischen Gebirgsschichten reflektiert werden, aufgezeichnet werden. Derartige seismische Gasexplosionseinrichtungen sind an sich bekannt. Es ist erwünscht, von solchen seismischen Gasexplosionseinrichtungen Detonationen zu erhalten, die einen verhältnismäßig scharf ansteigenden Ausgangsimpuls akustischer Energie und optimale Leistung erzielen lassen. Da in der Praxis mehrere Gasexplosionseinrichtungen häufig gleichzeitig verwendet werden, sind die gewünschte Impulsform und die optimale Leistung schwierig zu erreichen. Ein Grenzfaktor bei der Erzielung optimaler Arbeitsbedingungen bei seismischen Gasexplosionseinrichtungen liegt in den Problemen, die durch die Umgebungsbedingungen auftreten, denen die Misch- und Zündvorrichtungen der Explosionseinrichtungen unterworfen sind. Eine ungenaue Mischung oder Zündung bewirkt einen verzerrten Eingang der seismischen akustischen Impulse, die in die der Aufzeichnungsvorrichtung zugeordneten Anzeigevorrichtungen eingespeist werden. In Verbindung mit seismischen Meereserforschungsanlagen tritt ferner die Schwierigkeit auf, daß das Meerwasser häufig die inneren Teile der Zündeinrichtung und auch die Innenwände der Mischkammer korrodiert.

Der einwandfreie Betrieb einer Gasexplosionseinrichtung hängt vom Vorhandensein einer gleichförmigen, in geeigneter Weise proportionierten und gleichförmig gemischten Kombination aus Brennstoffgas und Oxydiergas in der Verbrennungskammer ab. Andererseits kann ein Teil der Ladung der Brennstoff- und Oxydiergase verlorengehen oder - was schlimmer ist- es kann eine verhältnismäßig schwache Detonation aus der gesamten Ladung erzeugt werden. Auf dem Gebiete der geophysikalischen Untersuchung beispielsweise können fehlerhafte oder verhältnismäßig schwache Detonationen schwächere seismische Aufzeichnungen ergeben.

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Im allgemeinen erfolgt bei bekannten Gasexplosionseinriohtungen das Mischen der Brennstoff- und Oxydiergase in einer Mischkammer, die an der Verbrennungskammer oder in deren Nähe befe- , stigt ist. Die Zündkerze oder Zündvorrichtung ist auf der Mischkammer oder in deren Nähe, oder aber auf der Gasexplosionseinrichtung selbst befestigt. Wenn die Mischkammer, die Zündkerze und Gaseinlaßventile auf der Gasexplosionseinrichtung oder in deren Nähe befestigt sind, ist ihre Wartung verhältnismäßig schwierig, insbesondere in dem Fall, bei dem die Gasexplosionseinrichtungen bei Temperaturen unter 0 C oder im Wasser angewendet werden. Auch bei der seismischen Meeresuntersuchung bilden die Gaseinlaßleitungen einen nachteiligen Schleppwiderstand und verursaohen sogar unerwünschten elektrischen Lärm, der in dem seismischen Kabel entsteht, welches eine Vielzahl von Anzeigevorrichtungen umgibt.■

Ziel vorliegender Erfindung ist es, seismische Gasexplosionseinrichtungen zu schaffen, die einen einfacheren und wirksameren Betrieb ermöglichen, die akustische Druckwellen optimaler Eigenschaften erzeugen und die sowohl bei Einsatz auf Land als im Wasser eine höhere Lebensdauer erwarten lassen und weniger nachteilig von Seewasser beeinflußt werden.

Vorstehende Schwierigkeiten werden bei seismischen Gasexplosionseinrichtungen gemäß vorliegender Erfindung dadurch weitgehend behoben, daß eine einzige, flexible Leitung mit der Verbrennungskammer verbunden ist, um erst das Gasgemisch in die Verbrennungskammer einzuspeisen und dann der Verbrennungskammer eine Detonationsstoßwelle aufzugeben, um das Gasgemisch in der Kammer zur Detonation zu bringen. Eine Gasmischvorrichtung ist entfernt von der Verbrennungskammer auf einem Schiff oder in der Nähe der Kabine eines die Gasexplosionseinrichtung aufnehmenden Fahrzeuges angeordnet. Die flexible Leitung kann eine Länge aufweisen, die von weniger als einem Meter bis mehr al« 30 m

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betragen kann. Auch können verschiedene Gasexplosionseinrichtungen von der gleichen oder von unabhängigen Zündvorrichtungen gleichzeitig oder in einem vorbestimmten Zeitschema aufgeladen und gezündet werden, indem die Laufdauer der Detonationsstoßwellen durch die flexible Leitung berücksichtigt wird.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein seismisches Gasexplosionssystem vorgesehen, das eine Gasexplösionseinrichtung mit einer Verbrennungskammer aufweist, in die brennbares Gemisch eingespeist wird, bei dem das Gemisch gezündet wird und die gasförmigen Verbrennungsprodukte abgeführt werden; dabei besitzt das Explosionssystem einen Gasmischer und eine. Zündvorrichtung. Generell wird dabei eine einzige, flexible Leitung zum Transport sowohl des verbrennbaren Gasgemisches als auch der Detonationsstoßwelle zur Verbrennungskammer verwendet, die vorzugsweise als Wellrohr ausgebildet ist u. z.B. aus korrosionsbeständigem Stahl oder aus Kunststoff hergestellt wird.

Die Mischvorrichtung ist vorzugsweise ein Turbulator, der ein U-förmiges Rohrbauteil mit mindestens einer Verengung, vorzugsweise zwei Verengungen aufweist.

Die Zündvorrichtung zur Erzeugung einer Detonationsstoßwelle für die Verbrennungskammer ist vorzugsweise in Form einer Zündkerze mit Elektroden ausgebildet, die mit der flexiblen Leitung in Verbindung stehen. Die Zündkerze wird über eine durch einen Schalter betätigbare Zündspule beaufschlagt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Explosionseinrichtungen in Parallel- oder in Serien-Parallel-Schaltung vorgesehen, die alle gemeinsam mit einem Gasgemisch aus der flexiblen Leitung gespeist werden. Ferner ist für diese Explosionseinrichtungen eine einzige Zünd- und Mischvorrichtung vorhanden.

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Nachstehend wird die Erfinding in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der Gasexplosionseinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform einer Misch- und Zündkammer,

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Teiles des Gasmischers nach Fig. 2, und

Fig. 4 eine Schnittansicht eines Teiles des flexiblen Schlauches nach Fig. 2.

In den Zeichnungen, und insbesondere in Fig. 1 ist eine Vorratsquelle 10 für Oxydiergas, beispielsweise ein Sauerstoffbehälter, und eine Vorratsquelle 12 für Brenngas, z.B. ein Tank mit Propan oder dgl. über entsprechende Rohrleitungen 14 und l6 an eine Anordnung 20 gelegt. Eine Batterie 22 ist über einen Schalter 23 und einen Leiter 24 an die Anordnung 20 gelegt. Eine Gasexplosionseinrichtung 16, deren Innenraum eine Verbrennungskammer 28 bildet, ist mit der Anordnung 20 über eine flexible Leitung oder einen flexiblen Schlauch JO gekoppelt, dessen Länge sich in der Größenordnung von 1 bis 30 m und mehr bewegen kann.

Seismische Gasexplosionseinrichtungen werden üblicherweise b-ei Landbetrieb auf straßenfernen Spezialtransportern und bei Seebetrieb auf seismischen Schiffen transportiert. Gemäß vorliegender Erfindung kann zusammen mit den Brennstoffquellen 10, 12 und der Batterie 22 die Anordnung nunmehr an Bord des Landfahrzeugtransporters oder an Bord eines Schiffes transportiert werden, wodurch eine Relativbewegung zwischen der Gasexplosionseinrichtung 26 und der Anordnung 20 möglich wird.

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Nach der bevorzugten Ausführungsform in.Fig. 2 ist das Rohr 14 über einen Filter 36, eine Mündung 38, ein solenoidbetätigtes Ventil 40, ein Rückschlagventil 42, eine Leitung 44, ein T-Kopplungsstück 46, eine Leitung 48 mit der Einlaßöffnung 51 eines Blockes 50 verbunden. Eine entsprechende öffnung 52 durch den Block 50 ermöglicht, daß Gas in eine Gasmischeinrichtung oder einen Turbulator 54 über die Auslaßöffnung 56 eingeführt wird.

Die andere Leitung l6 speist in das T-Kopplungsstück 46, und zwar ebenfalls durch ein Filter 60, eine Mündung 62, ein solenoidbetätigtes Ventil 64 und ein Rückschlagventil 66. Die Filter verhindern, daß Fremdstoffe in den den Gasdurchfluß steuernden Mündungen 38, 62 angesammelt werdai.Diese Mündungen haben Öffnungsdurchmesser, die gegebenenfalls eingestellt werden können, damit ein vorbestimmtes Detonationsgasgemisch in den Turbulator 54 eingespeist wird. Die solenoidbetätigten Ventile 40, 64 sind für entsprechenden Druck und entsprechende Übertragung ausgelegt. Die Rückschlagventile 42, 66 können federbelastete Ventile sein, die in der Lage sind, den jeweiligen Spitzenrückdruok der Detonationsstoßwellen auszuhalten, wodurch eine Beschädigung der verhältnismäßig leicht zerbrechlichen Niederdrucksolenoidventile 40 und 64 verhindert wird. Da diese Bestandteile kommerziell im Handel sind und ihre entspredaenden Funktionen bekannt sind, ist eine weitere Beschreibung zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich.

Die Hauptfunktion des Turbulators 54 besteht darin, daß ein gründliches Mischen der Brenn- und Oxydiergase aus den Vorratsquellen 10 und 12 ermöglicht wird. Ein entsprechender Turbulator läßt sich aus billigen Rohren, beispielsweise in U-Form herstellen. Zwei Verengungen 70» 72 sind in der in Fig. 2 gezeigten Weise vorgesehen. Diese Verengungen 70, 72 sind dadurch ausgebildet, daß zwei rohrförmige Einsätze 74, 76 mit Mündungen 78, 80 verringerten Durchmessers eingefügt werden. Die Durchmesser 78, 80 werden experimentell für optimale Turbulenz und

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damit für das Mischen der eingehenden Gase bestimmt.

Zur Fernzündung kann jede gewünschte Zündeinrichtung verwendet ' werden. Der Einfachheit halber ist eine Zündkerze 84 gezeigt, die am Boden des Blockes 50 angeordnet ist. Die Elektroden 86, 87 der Zündkerze 84 sind in einen inneren Kanal 88 gerichtet, der eine Einlaßöffnung 90 mit einer Auslaßöffnung 92 koppelt, welche mit dem flexiblen Schlauch 30 in Verbindung steht. Der Turbulator istdsshalb zwischen den öffnungen 56 und 90 vorgesehen. Mit der mittleren Elektrode 86 ist eine Zündspule 94 verbunden, die über einen elektrischen Schalter 97 an einer Speisequelle 96 liegt. Zündkerze, Zündspule und Schalter können ähnlich den in der Automobilindustrie verwendeten sein.

In Fig. 4 ist ein Schnitt durch einen handelsüblichen flexiblen Schlauch dargestellt, der als gewellter Metallschlauch der Type 400 S/S bekannt ist. Der flexible Schlauch JO weist eine balgenartige. Konstruktion auf und ist aus korrosionsbeständigem Stahl mit engen ringförmigen Wellungen hergestellt. Der Schlauch weist einen maximalen Arbeitsdruckbereich auf, der vom Hersteller vom vollständigen Vakuum bis 315 kg/cm angegeben wird. Er kann Temperaturen bis über 800° C aushalten. Es können auch andere flexible Schläuche Verwendung finden; für bestimmte Anwendungsfälle können Plastikschläuche, z.B. aus Teflon verwendet.werden.

In Betrieb wird die seismische Gasexplosionseinrichtung 26 so angeordnet, daß sie entweder an Land oder unter Wasser zünden kann, die Oxydier- und Brennstoffspeisequellen 10, 12 werden eingeschaltet und ihre Drücke auf etwa dein gleichen Wert eingestellt. Der Betriebsdruck wird natürlich durch die Eigenschaften des Brennstoffspeisesystems bestimmt, z.B. die Rohrgröße, die Ventilöffnungsflächen und dgl., ferner durch die Brennstoffvolumenbedingungen der seismischen Explosionseinrichtung und durch die Zeit, die zum Füllen der Brennkammer zwischen

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aufeinanderfolgenden Explosionen zur Verfügung steht. Diese Faktoren sind üblicherweise bekannt und werden bei der Auslegung des Brennstoffspeisesystems berücksichtigt.

Sind die Brennstoff- und Oxydiergasdrücke festgelegt, werden die Solenoidventile 40 und 64 geöffnet und es können Brennstoff- und Oxydiergase durch die Rückschlagventile 42, 46 und durch die T-Kupplung 46, die Leitung 48, die öffnung 52 im Befestigungsblock 50 und in den Turbulator 54 fließen, in denen Verengungen 70 und 72 bewirken, daß die Gase gründlich gemischt werden. Dieses brennbare Gasgemisch wird dann über die öffnung 88 in den flexiblen Schlauch 30 und in die Verbrennungskammer 28 eingeführt. Die Ventile 40 und 64 werden offen gehalten, bis die Kammer 28 vollständig gefüllt ist. Diese Ventile werden dann geschlossen und die Mischung wird über den Schalter 97 gezündet.

Durch eine Zündung an den Elektroden der Zündkerze 84 wird eine Detonationsstoßwelle ausgebildet und durch den flexiblen Schlauch 30 in die Verbrennungskammer 28 getrieben, wo sie das Gemisch aus Brennstoffgas und Oxydiergas zum Detonieren bringt. Die dabei auftretende Detonation erzeugt die gewünschte akustische Welle.

Die Detonationsstoßwelle bewegt sich auch in der entgegengesetzten Richtung durch den Turbulator 54* bis sie die Rückschlagventile 42 und 66 erreicht, die normalerweise geschlossen sind, um die mit relativ niedrigem Druck arbeitenden, solenoidbetätigten Ventile 40 und 64 zu schützen.

Nach dem Detonieren der brennbaren Ladung und nach dem Auslassen der Verbrennungsprodukte durch die Auslaßvorrichtung 100 (Fig. 1) können die Ventile 40 und 64 wieder geöffnet werden, damit eine neue Verbrennungsladung für den nächsten Arbeitszyklus eingeführt werden kann.

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Das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung ist einfach herzustellen und verhältnismäßig einfach zu warten. Der Turbulator 5^ ermöglicht überseine Verengungen Y^, 76 und das Verbindungsrohrsystem eine gründliche Mischung der Brennstoff- und Oxydiergase, Die Gasspeiseleitungen, die Fernzündeinrichtung und die Gasmischereinrichtung 20 können an Bord eines Schiffes oder in der Nähe der Kabine des Landfahrzeuges befestigt sein, wo sie auf einfache Weise überwacht und gewartet werden können. Es gibt für die Benutzer der erfindungsgemäßen Gasexplosionseinrichtungen weitere Vorteile. Beispielsweise wird bei der seismischen Meereserkundung gewünscht, daß ein Minimum an Leitungen die Explosionseinrichtung mit dem seismischen Schiff koppeln soll, um den Strömungswiderstand und die Erzeugung unerwünschter elektrischer Geräusche zu verhindern. Vorliegende Erfindung vermeidet sowohl den Widerstand als auch das Geräusch in erheblichem Maße und ermöglicht eine Relativverschiebung zwischen der Explosionseinrichtung und der Zünder-Mischeinrichtung 20. Es können verschiedene Gasexplosionseinrichtungen in Reihe und/oder in Reihe und parallel miteinander geschaltet und von einer einzigen Zünd-Mischeinrichtung 20 gespeist werden.

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Patentansprüche:

IJ Gasexplosionseinrichtung mit wenigstens einer Verbrennungskammer, die ein Gemisch aus verbrennbaren Gasen aufnehmen kann, einer Vorratsquelle für brennbares Gasgemisch und einer Zündvorrichtung, die eine Detonation in der Verbrennungskamer hervorruft, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige flexible Leitung (50) mit der Verbrennungskammer (28) verbunden ist, um erst das Gasgemisch in die Verbrennungskammer einzuspeisen und dann der Verbrennungskammer eine Detonationsstoßwelle aufzugeben, wodurch eine Detonation in der Verbrennungskammer ausgelöst wird.

2. Gasexplosionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung (20; 84) auf der Explosionseinriehtung (26) angebracht ist.

3. Gasexplosionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens eine Brenngasquelle (12), wenigstens eine Oxydiergas quelle (10) und eine Mischvorrichtung (20; 54) zum Mischen der Gase (10, 12).

4. Gasexplosionseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischvorrichtung (54) ein Turüulator ist.

5. Gasexplosionseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbulator ein U-förmiges Rohrbauteil mit wenigstens einer Verengung (70, 72) aufweist.

6. Gasexplosionseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mischvorrichtung (54) und Zündvorrichtung (84) auf ein«nr Block (50) angebracht sind.

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7. Gasexplosionsexnrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung (84) eine Zündkerze aufweist, die mit dem flexiblen Rohr (30) in Verbindung steht.

8. Gasexplosionseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Leitung (30) ein Wellrohr aus korrosionsbeständigem Metall oder Kunststoff ist.

9. Gasexplosionsexnrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine weitere, parallel geschaltete Explosionseinrichtung vorgesehen ist und daß alle Explosionseinrichtung/mit Gasgemisch aus der flexiblen Leitung (30) gespeist werden.

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